氨解離度對無水肼ATR發動機性能影響研究

張留歡，馬化杰，周建平，南向誼，李光熙

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

空氣渦輪火箭發動機是一種新型組合循環發動機，其將火箭發動機和航空發動機有機融合[1-2]，采用獨立火箭發動機產生高溫高壓燃氣直接驅動渦輪帶動壓氣機工作，實現了壓氣機空氣路與渦輪燃氣路的熱力參數解耦，發動機飛行速域寬，加速性能優，可作為水平起降組合動力高超聲速飛機低速段動力裝置。

美國、日本[3-7]從上世紀80年代開始進行了多種ATR發動機總體方案設計和試驗研究。其中，CFD研究公司(CFD Research Corporation)完成了ATR發動機的飛行試驗。國內針對ATR發動機的研究多集中在理論計算和方案設計方面。李文龍[8]、屠秋野[9]等開展了ATR發動機熱力循環特性分析，獲得了渦輪落壓比等熱力參數對ATR發動機推力性能的影響規律；陳玉春[10-12]、潘宏亮[13]等進行了ATR發動機建模與仿真研究，獲得了發動機設計點與非設計點性能計算方法。

本文著重從推進劑角度切入，研究液體推進劑特性變化對ATR發動機的影響規律。根據推進劑種類數量，ATR發動機可分為單組元(無水肼N2H4[14])、雙組元(液氧/液氫、過氧化氫/煤油[15-16])發動機等。其中，單組元無水肼ATR發動機推進劑常溫，方便貯存，且發動機調節參數單一，供應系統簡單，具有較高的工程應用潛力。本文基于無水肼推進劑，給出了單組元ATR發動機工作方案，研究并獲得了無水肼在燃氣發生器催化分解中氨解離度變化對ATR發動機總體性能的影響規律，對ATR發動機研究具有一定參考意義。

1 無水肼ATR發動機

無水肼ATR發動機主要由進氣道、壓氣機、單組元燃氣發生器、渦輪、燃燒室、尾噴管及其附件系統組成。ATR發動機工作過程中，無水肼經獨立于空氣流路的燃氣發生器催化分解產生高溫高壓富氫燃氣，之后驅動渦輪帶動壓氣機對來流空氣做功，增壓后的空氣與渦輪后燃氣進行摻混，在燃燒室實現點火燃燒，再通過噴管膨脹加速，產生推力。無水肼ATR發動機結構布局示意圖如圖1所示。

圖1 無水肼ATR發動機結構布局示意圖Fig.1 Structure sketch of hydrazine ATR

2 氨解離度的影響

無水肼在燃氣發生器中催化分解為高溫氨氣(NH3)、氫氣(H2)及氮氣(N2)混合氣體，在驅動渦輪做功后進入燃燒室與來流空氣進行摻混燃燒。由于上述混合氣體中存在NH3，高溫條件下NH3會解離為N2和H2，該解離過程為吸熱過程，解離程度不同，發生器燃氣溫度不同。用來衡量氨解離程度的參數叫氨解離度。氨解離度與氣體溫度及催化劑床長有關。氣體溫度升高，氨解離度增加；催化劑床長增加，氨解離度增加[17]。

2.1 氨解離度對渦輪前燃氣物性影響

氨解離度不同將影響無水肼分解成分比例，使得渦輪前燃氣物性存在差異，進而影響渦輪做功能力。單位摩爾無水肼催化分解化學方程式[17](忽略1%含水量[14])為：

(1)

式中x為氨解離度。式(1)和文獻[17]計算了不同x對應的無水肼分解燃氣溫度和成分占比。圖2給出了當x=0.29，0.42，0.55，0.67，0.8(對應的燃氣總溫分別為1 400 K，1 300 K，1 200 K，1 100 K，1 000 K)時無水肼分解燃氣的物性參數等數據。圖2中顯示，隨著氨解離度升高，無水肼分解燃氣溫度降低，主要是由于氨解離過程為吸熱反應。同時，隨著氨解離度增加，H2，N2在分解混合氣中的質量百分比升高，燃氣比熱比k，氣體常數R數值升高。

圖2 無水肼分解燃氣物性隨氨解離度變化結果Fig.2 Parameters of dissociated gas with different dissociated ratios of NH3

2.2 氨解離度對發動機性能影響

氨解離度直接影響渦輪入口燃氣物性，進而對ATR發動機工作性能產生影響。根據文獻[13]建立了無水肼ATR發動機性能計算模型，給定發動機設計點(高度H=0 km，馬赫數Ma=0)參數如表1所示，計算了不同氨解離度下ATR發動機比沖性能。

表1 無水肼ATR發動機設計點參數(部分)

圖3給出了地面狀態不同轉速(70%，80%，90%，100%)條件下氨解離度變化對ATR發動機無水肼分解燃氣流量及比沖影響結果。圖3中顯示，發動機比沖隨發動機轉速上升而增大。在同一轉速下，氨解離度x越小，燃氣流量越小，發動機比沖越高。在100%物理轉速時x=0.29對應的發動機比沖最高且為808 s，無水肼流量為0.999 kg/s，較x=0.8發動機無水肼流量減小約7.33%，比沖提高最大約7.3%。

圖3 地面狀態不同轉速時氨解離度變化影響Fig.3 Performance of ATR on ground state with different revs and dissociated ratios of NH3

圖4給出了100%轉速時不同高空狀態下(7 km/0.8Ma，10 km/1.5Ma，12 km/2Ma，20 km/3Ma，22 km/3.5Ma)氨解離度變化對ATR發動機比沖影響結果。圖4中顯示，不同高空條件下發動機比沖范圍約為550～761 s。同一高空條件下，氨解離度x越小，燃氣流量越小，發動機比沖越高。其中：在12 km/2Ma條件下,x=0.29時，ATR發動機比沖達到最高，約為761 s；在22 km/3.5Ma條件下，x=0.29較x=0.8發動機比沖提高最大約14.6%，無水肼流量減小約8.2%。

圖4 不同高空狀態下氨解離度變化影響Fig.4 Performance of ATR at high altitude with different revs and dissociated ratios of NH3

式(2)、(3)分別給出了渦輪等熵膨脹功LT和渦輪輸出功率NT的計算式[18]。在渦輪落壓比πt，渦輪效率ηt不變的條件下，LT，NT大小與無水肼分解燃氣定壓比熱容Cp，總溫T*，比熱比k直接相關，且LT越大，實現相同功率時需要的渦輪燃氣流量(無水肼分解燃氣流量)mf越小：

(2)

(3)

根據前文無水肼分解燃氣物性參數，計算了不同氨解離度對應的渦輪等熵膨脹功，如圖5所示。由圖5可知，隨著氨解離度逐漸減小，渦輪等熵膨脹功逐漸增大，則實現相同渦輪輸出功率時需要的無水肼流量越小。又根據圖3所示，無水肼流量越小，對應的發動機比沖越高。因此，在同一ATR發動機、同一轉速下，氨解離度越低，無水肼流量越小，發動機比沖越高。

圖5 不同氨解離度時渦輪參數變化結果Fig.5 Parameters of turbine with different dissociated ratios of NH3

3 結論

基于空氣渦輪火箭發動機，開展了氨解離度對渦輪前燃氣及發動機總體性能的影響研究，對不同氨解離度時無水肼ATR發動機性能進行計算對比，獲得以下結論：

1)氨解離度越低，無水肼分解燃氣溫度越高，在同一ATR發動機、同一轉速下，渦輪等熵功越大，無水肼流量越小，發動機比沖越高。

2)在地面狀態同一轉速下，氨解離度x越小，發動機比沖越高。在100%物理轉速時，x=0.29對應的發動機比沖最高且為808 s，無水肼流量為0.999 kg/s，較x=0.8發動機比沖提高最大約7.3%，無水肼流量減小約7.33%。

3)同一高空條件100%轉速下，氨解離度x越小，發動機比沖越高。