模擬過載條件下燃燒室凝相顆粒形態(tài)參數(shù)試驗研究①

白彥軍，許團委，劉 洋

(1.中國航天科技集團公司四院四十一所，西安 710025；2.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，西安 710072)

模擬過載條件下燃燒室凝相顆粒形態(tài)參數(shù)試驗研究①

白彥軍1，許團委1，劉 洋2

(1.中國航天科技集團公司四院四十一所，西安 710025；2.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，西安 710072)

通過地面模擬過載粒子收集試驗裝置，完成了推進劑在3種不同壓強工況下的粒子收集試驗，初步獲得了粒度分布特性、微觀形貌特性及成分分布等形態(tài)參數(shù)。研究結(jié)果表明，粒子中徑分布明顯高于非過載狀態(tài)，5.6～11.5 MPa范圍內(nèi)，d(0.5)主要分布在120～190 μm之間。同時，針對某飛行試驗發(fā)動機殘骸故障處殘留凝相粒子進行了收集與分析，并與地面同種壓強狀態(tài)下粒子形態(tài)參數(shù)進行了對比，兩者分布較為一致，均呈雙峰分布，粒子d(0.5)約為100～130 μm。

模擬過載；固體火箭發(fā)動機；燃燒產(chǎn)物；凝相顆粒形態(tài)參數(shù)

0 引言

導(dǎo)彈的高機動性對固體火箭發(fā)動機工作安全性帶來了巨大影響，大多固體推進劑含金屬鋁粉，含量可達18%以上。鋁粉的加入使固體發(fā)動機的燃燒和流動過程變得異常復(fù)雜，鋁粉在燃燒過程中會形成大量的Al2O3顆粒，對于鋁粉含量18%的推進劑，凝相顆粒Al2O3生成量高達約35%。燃燒室內(nèi)粒子流運動過程中，會發(fā)生顆粒間碰撞、聚合和破碎的現(xiàn)象，碰撞頻率與顆粒聚集程度有直接關(guān)系[1]。新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機一般會承受復(fù)雜的過載情形，過載對燃燒室內(nèi)Al2O3顆粒最直接的影響就是增加顆粒聚集程度，改變粒子運動軌跡，使顆粒間碰撞、聚合和破碎概率大大增加，形成復(fù)雜的局部高濃度粒子流[2-3]。這種聚集現(xiàn)象雖然發(fā)生在局部，但會加劇絕熱層燒蝕、影響推進劑燃速、誘導(dǎo)不穩(wěn)定燃燒、增加推進劑燃燒產(chǎn)物凝相沉積量等。因此，有必要開展地面模擬過載狀態(tài)下發(fā)動機燃燒室內(nèi)凝相顆粒形態(tài)參數(shù)試驗研究，為提高發(fā)動機推進劑熱力計算和兩相流計算精度提供可靠數(shù)據(jù)，為發(fā)動機設(shè)計和推進劑性能改善提供重要參考數(shù)據(jù)。

目前，國內(nèi)外對非聚集狀態(tài)下燃燒室內(nèi)顆粒形態(tài)參數(shù)測量已開展了較多研究[4]。然而，系統(tǒng)針對過載狀態(tài)下的顆粒粒度分布研究鮮有報道。國外采用類似O′Rourke的液滴碰撞模型，對變截面流動通道內(nèi)的兩相流動過程進行了數(shù)值模擬[5]。結(jié)果表明，流動通道面積的變化，可直接導(dǎo)致顆粒粒徑的變化。國內(nèi)從宏觀研究上，針對聚集狀態(tài)粒子特性分析提出了3種分析方法[6]：(1)聚集下粒子收集分析法，本質(zhì)是通過改變收斂段通道面積模擬粒子聚集環(huán)境，以研究粒徑分布規(guī)律；(2)基于飛行試驗發(fā)動機殘骸的粒子收集與分析法，以獲取飛行環(huán)境下燃燒產(chǎn)物中顆粒粒度分布規(guī)律；(3)基于飛行試驗發(fā)動機故障位置反算分析法，主要開展不同顆粒粒度分布參數(shù)下的過載流場反算。

綜上所述，盡管研究者針對燃燒室內(nèi)凝相顆粒粒度分布規(guī)律已開展了大量研究工作。但由于在試驗方法、試驗設(shè)備、粒度分析方法上存在的差異，導(dǎo)致聚集因素對粒徑變化的影響規(guī)律仍不清楚，以致絕熱層燒蝕計算時，仍缺乏關(guān)鍵輸入數(shù)據(jù)。顆粒聚集在發(fā)動機內(nèi)部是一種局部狀態(tài)，常規(guī)方法很難對其進行測量，文中利用收縮管使顆粒流聚集形成高濃度顆粒流的試驗方法進行粒子收集。針對某常用復(fù)合推進劑，開展了不同工作壓強下的粒子收集試驗，獲得了不同聚集狀態(tài)下的凝相燃燒產(chǎn)物，相繼利用粒度分析儀、X射線粉末衍射儀、掃描電鏡等，對凝相燃燒產(chǎn)物進行了分析。此外，針對某飛行發(fā)動機殘骸局部殘留的粒子進行了收集分析，并與地面同種壓強狀態(tài)下粒子特性參數(shù)進行了對比，分布較一致。

1 凝相燃燒產(chǎn)物收集試驗原理及裝置

聚集狀態(tài)顆粒收集原理如圖 1所示，該試驗裝置由燃燒室、收斂段、試驗段、噴管和收集腔組成。收集腔入口正對顆粒流，聚集狀態(tài)的顆粒流在慣性作用下直接進入盛有冷卻介質(zhì)的收集腔，顆粒進入后，瞬間被凍結(jié)，保持了在燃燒室中的顆粒聚集幾何形態(tài)；而燃氣則經(jīng)過試驗段的轉(zhuǎn)折從噴管流出。

2 顆粒收集試驗及數(shù)據(jù)分析

2.1 顆粒收集試驗

采用HTPB復(fù)合推進劑，含鋁量為17.5%，燃氣溫度約3500 K，藥柱直徑為φ62 mm，端面燃燒形式。本次共完成了5發(fā)試驗，其中試驗1與試驗2均存在一定程度漏氣，導(dǎo)致工作壓強過低，判定為異常。試驗3～試驗5發(fā)動機工作正常，粒子收集過程規(guī)范，樣本篩選有效，后續(xù)粒子形態(tài)分析工作正基于此開展，試驗狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 粒子收集試驗結(jié)果統(tǒng)計

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 粒子形貌分析

運用掃描電鏡對收集到的不同工況樣本開展形態(tài)分析，以掌握凝相顆粒的具體形態(tài)及顆粒間相互作用的具體方式，由于掃描電鏡照片數(shù)量較大，而各次試驗的分析結(jié)果相差不大，因此只給出了幾種典型的形貌圖片。如圖 2～圖 4所示，展示了試驗3、4、5樣本不同區(qū)域的掃描電鏡照片。其中，圖(a)～(d)為不同顆粒在不同放大倍數(shù)下的電鏡照片。

(1)試驗3

圖 2為試驗3樣本不同區(qū)域的掃描電鏡照片，圖2(a)中的顆粒均出現(xiàn)破碎，產(chǎn)生尖銳棱角形態(tài)，基本沒有圓整球形顆粒存在，圖2(b)中的大顆粒約為132.7 μm，圖2(c)是針對圖2(b)中顆粒132.7 μm的放大圖，在其表面粘結(jié)、鑲嵌及聚合了許多小粒子，最大粒子直徑為30.2 μm，圖2(d)中的大顆粒約為65.3 μm，在其表面出現(xiàn)了明顯的球形凹坑，這可能是由小顆粒的撞擊所致。

(2)試驗4

圖 3為試驗4樣本不同區(qū)域的掃描電鏡照片，圖3(a)和(b)中的顆粒部分出現(xiàn)破碎，產(chǎn)生尖銳棱角形態(tài)，在破碎的顆粒內(nèi)部含有小尺寸顆粒，最大顆粒分別約為588 μm和600 μm，圖(c)中的大顆粒約為116.3 μm，圖3(d)是針對圖3(c)中顆粒116.3 μm的放大圖，在其表面出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。

(3)試驗5

圖 4為試驗5樣本不同區(qū)域的掃描電鏡照片，圖4(a)中單個最大顆粒約為263 μm，圖4(b)是針對圖4(a)中顆粒263 μm的放大圖，表面較粗糙，色澤暗淡呈灰色。

從圖 2～圖 4中可看出，顆粒群是典型的多尺寸分布，小粒子呈規(guī)則球形，且表面較光滑，大顆粒也基本呈球形，但不夠規(guī)則，表面粗糙，一般由多個小顆粒聚集粘附而形成，且很多大顆粒上還嵌有若干個細顆粒。分析認為，顆粒在進入冷卻介質(zhì)時，由于相變引起的熱應(yīng)力并未對其造成破壞。從顆粒顏色上來看，小粒子一般呈白色居多，而大顆粒表面一般為黑色或灰色。

試驗用推進劑原始鋁粉級配為Q1(即29 μm)，經(jīng)過燃燒、流動、碰撞、聚合之后，存在小于29 μm與大于29 μm尺度的粒子，由于推進劑燃燒溫度(2800～3800 K)高于Al2O3的熔點溫度(2327 K)，而低于其沸點溫度(3800 K)，這初步說明推進劑的燃燒溫度足以讓粒子熔化，處于熔融狀態(tài)的粒子在燃燒過程中會蒸發(fā)生成更小的粒子，在流動過程中會發(fā)生碰撞、聚合生成更大的粒子。由此表明，聚集條件下顆粒的形貌更加復(fù)雜多樣，顆粒之間碰撞概率及碰撞聚合作用更加劇烈，凝相顆粒的碰撞會對顆粒的形貌及粒度分布產(chǎn)生影響。

2.2.2 粒子粒度分布分析

對收集的不同工況粒子樣本開展了粒度分布測量，鑒于收集到的粒子凝聚現(xiàn)象十分明顯，殘渣中出現(xiàn)了很多毫米級大粒徑粒子，對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，對凝相燃燒產(chǎn)物進行過篩處理，選取了40目(網(wǎng)格寬425 μm)的篩子，只對通過篩子的小粒徑粒子進行粒度分析。

表2給出了粒子平均直徑不同種表征參數(shù)對比。結(jié)合圖 5可看出，最小粒徑均小于l μm，最大粒徑均超過900 μm，所有試驗樣本的顆粒體積平均直徑均大于160 μm。高壓與低壓條件下，粒子直徑均趨大，壓強大小對粒度分布的影響規(guī)律暫不明確，后續(xù)將開展更細化的壓強因素影響試驗分析。

本文使用的推進劑鋁粉含量為17.5%，圖 7為基于等動力試驗裝置、17%含鋁推進劑下燃燒產(chǎn)物凝相粒子的粒度分布曲線[7]，基本呈單峰分布。試驗4工作壓強與該狀態(tài)較接近，表 3為試驗4與等動力試驗結(jié)果粒度關(guān)鍵分布關(guān)數(shù)的具體對比。可看出，聚集狀態(tài)下粒徑分布參數(shù)顯著大于等動力試驗條件下，進而表明受過載影響，燃燒室凝相粒子分布發(fā)生了較大改變，產(chǎn)生大直徑顆粒概率增大。因此，在進行過載流場計算時，粒徑變化對絕熱層燒蝕影響不容忽視。分析認為，小直徑顆粒群隨流行較好，易隨燃氣流出噴管，對絕熱層燒蝕影響較小；大直徑顆粒群隨流行較差，飛行中承載方向或量值變化時，顆粒運動軌跡難以及時改變，易與絕熱層發(fā)生局部碰撞或粘附，增大局部熱增量與剝蝕效應(yīng)，會加劇絕熱層燒蝕。

表2 燃燒產(chǎn)物凝相粒子平均直徑統(tǒng)計

試驗類型壓強/MPad43/μmd32/μmd(0.1)/μmd(0.5)/μmd(0.9)/μm聚集7.35161.8633.0615.79104.53397.04非聚集6.2295.252.4118.0263.97

2.2.3 粒子成分分析

顆粒成分分析采用日本理學(xué)公司D/MAX-2400型X射線粉末衍射儀。X射線粉末衍射儀(XRD)又叫X射線多晶衍射儀，主要用來分析多晶聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。可針對顆粒的物質(zhì)種類進行分析，繼而給出燃燒產(chǎn)物中凝相顆粒的物質(zhì)構(gòu)成。

3種試驗工況下，樣本顆粒衍射分析結(jié)果如表 4所示，圖 8給出了試驗4樣本X射線粉末衍射分析曲線。可看出，各次試驗的顆粒成分均有所不同，但都含有Al2O3和單質(zhì)鋁。部分試驗中，還含有單質(zhì)碳或碳的化合物，與顆粒為灰黑色的結(jié)果相符。成分中含有氮化物，這可能與空氣成分中有N2有關(guān)，鋁在燃燒過程中，與氮氣發(fā)生反應(yīng)，從而生成了氮化物。從表4中可看出，顆粒成分主要成分是鋁的氧化物及單質(zhì)鋁，同時還夾雜有其他雜質(zhì)(C、CaCO3、SiO2等)。

表4 顆粒成分分析結(jié)果

3 飛行試驗下粒子特性分析

針對某固體發(fā)動機飛行過載下燃燒室后封頭局部殘留的顆粒進行了收集，并開展了粒子特性參數(shù)分析，如圖 9所示，呈現(xiàn)顯著的雙峰分布，粒徑主要分布范圍為8～562 μm，第一峰值75.4 μm，第二峰值106.4 μm。粒度分布數(shù)據(jù)表明，其中表面積平均粒徑d32=34 μm，體積平均粒徑d43=184 μm,特征直徑d(0.1)=17 μm、d(0.5)=127 μm與d(0.9)=432 μm。

4 結(jié)論

(1)文中采用的聚集下凝相粒子收集試驗裝置可近似模擬過載條件下固體發(fā)動機燃燒室的工作狀態(tài)，基本能獲得全面、可信的凝相粒子分布數(shù)據(jù)。

(2)顆粒群基本呈典型的多尺寸分布，小粒子呈規(guī)則球形，且表面較光滑，大顆粒也基本呈球形，但不夠規(guī)則，表面粗糙，一般由多個小顆粒聚集粘附而形成，而且很多大顆粒上還嵌有若干個細小顆粒。

(3)針對收集到的樣本進行40目篩網(wǎng)過濾，將過濾后的粒子做粒度分布分析，粒度總體上呈單峰分布的規(guī)律。粒子中徑分布明顯高于非過載狀態(tài)，5.6～11.5 MPa范圍內(nèi)，d(0.5)主要分布在120～190 μm之間。

(4)針對某飛行試驗發(fā)動機殘骸故障處殘留凝相粒子進行了收集與分析，并與地面同種壓強狀態(tài)下粒子特性參數(shù)進行了對比，兩者分布較為一致，均呈雙峰分布，粒子d(0.5)約為100～130 μm。

[1] 李江，何國強，陳劍，等．高過載條件下絕熱層燒蝕實驗方法研究(II)收縮管聚集法[J].推進技術(shù)，2004，25(3):196-198.

[2] 劉洋，何國強，李江，等.聚集狀態(tài)下凝相顆粒的收集與測量[J].推進技術(shù), 2005，26(3):447-480.

[3] 李江，婁永春，劉洋，等.聚集狀態(tài)對固體火箭發(fā)動機顆粒粒度分布的影響[J].固體火箭技術(shù), 2005，28(4):265-267.

[4] 張勝敏，胡春波，徐義華．固體火箭發(fā)動機燃燒室凝相顆粒燃燒特性分析[J].固體火箭技術(shù)，2010，33(3):256-259.

[5] Averin V S， Arkhipov V A， Vasenin I M，et al． Effect of a sudden change in cross-sectional area of the solid rocket motor duct on coagulation of condensed particles[J〗． Combustion，Explosion，and Shock Waves，2003，39( 3):316-322．

[6] 田維平，許團委，王建儒. 過載下燃燒室粒子特性與絕熱層燒蝕研究進展[J].固體火箭技術(shù)，2015,38(1):30-36.

[7] 許宏濤，陳林泉. 固體火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)粒子取樣方法研究[D].航天動力技術(shù)研究院，2007.

(編輯：崔賢彬)

Parameters of combustor condensed phase particles form analysis for overload simulation test

BAI Yan-jun1, XU Tuan-wei1，LI Yang2

(1.The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC,Xi'an 710025,China；2.College of Astronautics,Northwestern Polytechnic University,Xi'an 710072,China)

Complete the propellant particles collection test under three different working conditions through the overload ground simulation particles collection device,preliminarily obtain the form parameters of particles size distribution,micro topography and composition distribution.Result indicate that particles diameter distribution is obviously higher than non-overload condition,d(0.5)particles are distributed mainly from 120 μm to 190 μm when pressure within 5.6 MPa to 11.5 MPa.Meanwhile,collect and analysis the residual condensed phase particle at the fault point of a flight experiment motor wreckage,compare the results with the particle form parameters under the same pressure condition on the ground,the results coincidently show the diauxie curve distributions,d(0.5)particles are nearly from 100 μm to 130 μm.

overload simulation;solid rocket motor;combustion products;condensed phase particles form parameters

2016-07-15；

2016-08-10。

白彥軍(1977—)，男，研究員，主要從事固體運載火箭發(fā)動機總體設(shè)計研究。E-mail：xutuanwei525@163.com

V435

A

1006-2793(2017)04-0409-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.04.002