凝膠自燃推進(jìn)劑著火及火焰試驗(yàn)

夏益志，王勇，洪流，楊偉東，陳宏玉

西安航天動(dòng)力研究所 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100

凝膠推進(jìn)劑作為一種液體推進(jìn)劑膠凝化形成的新型推進(jìn)劑，對(duì)其燃燒特性的研究是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的基礎(chǔ)，因而國(guó)內(nèi)外對(duì)凝膠推進(jìn)劑燃燒特性進(jìn)行了大量研究。在理論研究方面，當(dāng)前研究主要從單個(gè)液滴燃燒過(guò)程著手，建立燃燒過(guò)程理論模型，比較有代表的有Kunin等提出的基于時(shí)間的燃燒模型[1]，Antaki提出的金屬化凝膠液滴蒸發(fā)燃燒過(guò)程的瞬態(tài)理論模型[2]，Lee和Law提出的凝膠液滴燃燒模型[3]。在試驗(yàn)研究方面，較為直接的是通過(guò)凝膠發(fā)動(dòng)機(jī)熱試測(cè)量比沖、特征速度、燃燒效率等參數(shù)，分析噴注類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)、推進(jìn)劑物性等因素對(duì)凝膠動(dòng)力系統(tǒng)的影響，如文獻(xiàn)[4-7];另一方面是通過(guò)激光測(cè)試和高速成像技術(shù)觀察推進(jìn)劑在燃燒室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及燃燒變化情況，進(jìn)一步了解推進(jìn)劑從霧化蒸發(fā)、著火燃燒到排放物生成的全過(guò)程，如普渡大學(xué)在自己建立的雙組元凝膠自燃推進(jìn)劑著火與燃燒光學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)上觀察了凝膠甲基肼/紅發(fā)煙硝酸的點(diǎn)火與燃燒特性[8-9]，獲得了燃燒偽彩圖，并和甲基肼/紅發(fā)煙硝酸燃燒過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析。Varma和Jyoti在單互擊式噴嘴燃燒室內(nèi)采用CCD相機(jī)拍攝了凝膠偏二甲肼/紅發(fā)煙硝酸燃燒室內(nèi)的噴霧燃燒過(guò)程，分析了火焰顏色及金屬顆粒的影響[10]。Connell等在大氣環(huán)境下采用高速攝影拍攝了過(guò)氧化氫和凝膠烴類燃料噴霧燃燒的火焰圖像，研究了點(diǎn)火延遲的影響因素[11-12]。Kampen等則在可視化加壓燃燒室內(nèi)觀察了含鋁顆粒凝膠燃料的噴霧和燃燒特性，證實(shí)燃燒室壓力越高燃燒效率越高[13]。相關(guān)的研究還有文獻(xiàn)[14]，而國(guó)內(nèi)有關(guān)凝膠推進(jìn)劑燃燒特性的研究目前主要集中在單液滴燃燒[15-18]和發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車(chē)[19]上，有關(guān)凝膠推進(jìn)劑，特別是凝膠自燃推進(jìn)劑噴霧燃燒過(guò)程可視化的研究鮮有報(bào)道，因而有必要通過(guò)光學(xué)觀測(cè)進(jìn)一步分析凝膠推進(jìn)劑著火和燃燒的特點(diǎn)，從而指導(dǎo)理論仿真及工程應(yīng)用。

本文在單噴嘴矩形燃燒室內(nèi)開(kāi)展了凝膠一甲基肼(Monomethylhydrazine，MMH)和凝膠四氧化二氮(Nitrogen Tetroxide，NTO)噴霧燃燒過(guò)程試驗(yàn)，采用光學(xué)診斷技術(shù)獲取了其著火及穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程的的紋影及火焰自然輻射發(fā)光圖像，分析了噴嘴類型、燃料射流速度對(duì)著火距離、火焰軸向傳播速度、火焰夾角、反應(yīng)距離的影響，為凝膠MMH/NTO動(dòng)力系統(tǒng)噴嘴設(shè)計(jì)提供了借鑒與參考。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用圖1所示單噴嘴矩形燃燒室，該燃燒室橫截面尺寸為140 mm×120 mm，軸向長(zhǎng)度為240 mm，可安裝不同結(jié)構(gòu)的單噴注單元，身部帶有四面石英玻璃觀測(cè)窗，可全面觀測(cè)噴注面及其下游140 mm軸向距離內(nèi)的霧化圖像。試驗(yàn)采用兩股互擊式噴嘴及三股互擊式噴嘴，其中兩股互擊式噴嘴如圖2(a)所示，氧化劑孔孔徑為0.4 mm，燃料孔孔徑為0.32 mm，噴嘴長(zhǎng)徑比L/D為5，噴前自由射流長(zhǎng)度為5.5 mm，撞擊角β為75°、90°、105°；三股互擊式噴嘴如圖2(b)所示，其中兩股燃料撞擊一股氧化劑(Fuel-Oxidizer-Fuel，F(xiàn)-O-F)形式的氧化劑孔徑d0為0.4 mm，燃料孔徑d1為0.23 mm，兩股氧化劑撞擊一股燃料(Oxidizer-Fuel-Oxidizer, O-F-O)形式的氧化劑孔徑d1為0.26 mm，燃料孔徑d0為0.32 mm，其他參數(shù)和撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴一致。

圖1 單噴嘴矩形燃燒室Fig.1 Square combustion chamber with single injector

圖2 互擊式噴嘴示意圖Fig.2 Sketch of impinging injector

1.2 拍攝方法與試驗(yàn)工況

試驗(yàn)首先采用反射式平行光紋影法拍攝凝膠MMH/NTO燃燒條件下的紋影圖像，如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)參考“Z”形布置減小軸外光線成像的影響，其中背景點(diǎn)光源由氙燈(ZOLIX公司生產(chǎn)，功率為500 W)發(fā)出的光通過(guò)小孔獲得，透鏡采用兩個(gè)直徑為100 mm的凹透鏡，其中一個(gè)用于形成平行光照明試驗(yàn)擾動(dòng)區(qū)，另一個(gè)將像聚焦到接收裝置上，像接收裝置采用Phantom V12型黑白高速相機(jī)，拍攝時(shí)相機(jī)速率為5 000 frame/s，圖像分辨率為800 pixel×600 pixel，曝光時(shí)間為1 μs，通過(guò)實(shí)際標(biāo)定，實(shí)際尺寸與像素點(diǎn)之比為0.132 mm/pixel。隨后關(guān)閉背景光源，采用Phantom V640型彩色高速相機(jī)直接拍攝了凝膠MMH/NTO燃燒時(shí)的火焰自然輻射發(fā)光圖像，拍攝時(shí)相機(jī)速率為5 000 frame/s，圖像分辨率為1 280 pixel×800 pixel，曝光時(shí)間為50 μs，通過(guò)實(shí)際標(biāo)定，實(shí)際尺寸與像素點(diǎn)之比為0.132 mm/pixel。

圖3 紋影光路示意圖Fig.3 Sketch of optical setup of schlieren

試驗(yàn)共采用了撞擊角為75°、90°、105°的兩股互擊式噴嘴和O-F-O、F-O-F類型三股互擊式噴嘴，單噴嘴的試驗(yàn)工況如表1所示，每次試驗(yàn)點(diǎn)火時(shí)間為3 s，穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)間為2 s。試驗(yàn)時(shí)流量采用科氏力流量計(jì)測(cè)量，壓力通過(guò)壓力傳感器測(cè)量，所有測(cè)量設(shè)備在試驗(yàn)前均經(jīng)過(guò)專業(yè)機(jī)構(gòu)鑒定并在有效期內(nèi)，符合測(cè)量要求。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凝膠MMH/NTO紋影圖像

圖4給出了撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴凝膠MMH/NTO著火及穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的紋影圖像，從圖中可明顯觀測(cè)到黑色液相推進(jìn)劑陰影、凝膠MMH/NTO撞擊燃燒產(chǎn)生的燃?xì)饬鲌?chǎng)以及兩者的相對(duì)位置。同時(shí)從圖中可以看出，撞擊點(diǎn)下游21.4 mm處最先觀測(cè)到流場(chǎng)擾動(dòng)，說(shuō)明該工況下凝膠MMH/NTO最先在撞擊點(diǎn)下游21.4 mm處著火燃燒，該點(diǎn)可定義為著火點(diǎn)。隨后燃?xì)獬叔F形向周?chē)鷶U(kuò)散，燃?xì)夥植紖^(qū)域逐漸增大，最終占據(jù)大部分視場(chǎng)，但著火后因?yàn)閴毫Σ环€(wěn)定，導(dǎo)致視場(chǎng)內(nèi)液相推進(jìn)劑含量及形態(tài)波動(dòng)較大，t=20 ms時(shí)可觀察液相推進(jìn)劑含量及霧化錐角達(dá)到最小，隨后可觀察液相推進(jìn)劑含量及霧化錐角逐漸增大，在t=73 ms時(shí)達(dá)到最大值，隨后又減小，并在t=166 ms后基本趨于穩(wěn)態(tài)，燃?xì)饬鲌?chǎng)也從錐形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯刃危紦?jù)視場(chǎng)面積亦有所減小，而從穩(wěn)態(tài)圖像可以看出，燃?xì)庵饕植荚谝耗て扑槌梢航z之后，液膜區(qū)域化學(xué)反應(yīng)可以忽略不計(jì)，為噴射霧化區(qū)[20]。

圖5給出F-O-F形式三股互擊式噴嘴凝膠MMH/NTO著火及穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的紋影圖像，其中前8張表示著火階段，后4張表示穩(wěn)態(tài)燃燒階段。從圖中可以看出，采用F-O-F形式三股互擊式噴嘴時(shí)，在撞擊點(diǎn)下游20.28 mm處觀察到流場(chǎng)擾動(dòng)，與液膜長(zhǎng)度相當(dāng)，隨后燃?xì)庀蛩闹軘U(kuò)張，但和圖4相比，此時(shí)燃?xì)饷娣e增長(zhǎng)速度明顯更快，主要原因是此時(shí)燃料射流速度為44 m/s，而圖4中燃料射流速度只有23 m/s，說(shuō)明燃?xì)庠鲩L(zhǎng)率與射流速度相關(guān)，而從穩(wěn)態(tài)紋影圖像可以看出，采用三股互擊式噴嘴時(shí)，燃?xì)馊匀恢饕植荚谝耗て扑槌梢航z之后，液膜區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)可以忽略不計(jì)，故凝膠MMH/NTO撞擊霧化的燃燒主要發(fā)生在液膜破碎之后，但此時(shí)凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑撞擊后的液膜長(zhǎng)度為23.06 mm，比采用撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴時(shí)更大，故燃燒區(qū)域距離撞擊點(diǎn)的距離更遠(yuǎn)。

圖4 采用兩股互擊式噴嘴時(shí)凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑燃燒過(guò)程紋影圖像Fig.4 Schlieren images of gelled MMH/NTO bipropellants combustion process when using unlike-impinging injector g/s, β=90°)

圖5 采用三股互擊式噴嘴時(shí)凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑燃燒過(guò)程紋影圖像Fig.5 Schlieren images of gelled MMH/NTO bipropellants combustion process when using triplet impinging injector g/s, F-O-F)

2.2 凝膠MMH/NTO火焰圖像

2.2.1 著火過(guò)程

圖6給出了凝膠MMH/NTO著火過(guò)程火焰自然輻射發(fā)光圖像，從圖中可以看出，在距離噴注面最近18.6 mm的區(qū)域初始觀察到火焰自然輻射發(fā)光，隨后火焰向下游發(fā)展，著火面積增大，在t=21 ms時(shí)發(fā)展到視窗邊緣，定義沿噴嘴下游軸向方向火焰長(zhǎng)度的變化率為火焰著火時(shí)的軸向傳播速度，則當(dāng)前工況下，凝膠MMH/NTO著火時(shí)火焰在21 ms內(nèi)長(zhǎng)度變化量約為92.5 mm，火焰平均軸向傳播速度為4.4 m/s，遠(yuǎn)低于液體推進(jìn)劑噴射速度。同時(shí)從圖中可以看出，凝膠MMH/NTO棕色火焰中夾雜大量銀白色液霧，大量推進(jìn)劑撞擊后未及時(shí)氣化燃燒，這也和圖4紋影圖像相對(duì)應(yīng)，一定程度上造成了燃燒效率下降。凝膠MMH/NTO著火時(shí)火焰邊緣呈現(xiàn)出明顯的紅棕色，按照文獻(xiàn)[21]可以認(rèn)為火焰邊緣主要是四氧化二氮高溫下分解產(chǎn)生的NO2氣體。

圖7(a)給出了不同工況下凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑著火距離與燃料噴射速度的關(guān)系曲線，其中著火距離定義參考圖6，定義為初始觀察到火焰自然發(fā)光時(shí)火焰距離撞擊點(diǎn)的最小距離，γ表示氧化劑和燃料的質(zhì)量混合之比。從圖中可以看出，對(duì)于凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑，撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴著火距離最短，平均長(zhǎng)度約8 mm，撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴和O-F-O三股互擊式噴嘴著火距離相當(dāng)，平均長(zhǎng)度約13 mm，撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴和F-O-F三股互擊式噴嘴著火距離最長(zhǎng)，平均長(zhǎng)度約17 mm。但因部分工況未能觀測(cè)到有效數(shù)據(jù)，從當(dāng)前試驗(yàn)數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)射流速度對(duì)著火距離的影響規(guī)律。

圖7(b)給出不同工況下凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑著火過(guò)程火焰軸向傳播速度與燃料噴射速度的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，保持混合比不變，著火過(guò)程火焰軸向傳播速度隨燃料射流速度增加而增加，但火焰軸向傳播速度遠(yuǎn)低于燃料噴射速度，其最低只有4 m/s左右，最高亦只有20 m/s。而燃料射流速度最低亦有23 m/s，氧化劑速度更高。同時(shí)不同撞擊角下火焰軸向傳播速度亦存在差異，總體而言，撞擊角為90°時(shí)火焰軸向傳播速度快于撞擊角為75°和105°時(shí)的火焰軸向傳播速度，其中F-O-F形式三股互擊式噴嘴火焰軸向傳播速度最快，O-F-O形式次之，90°兩股互擊式噴嘴最小。主要原因是火焰產(chǎn)生于燃料和氧化劑為化學(xué)計(jì)量值的位置上，撞擊角為75°時(shí)推進(jìn)劑霧化、混合和燃燒較差[22]，相同的區(qū)域需要更長(zhǎng)的時(shí)間組織燃燒，撞擊角為105°時(shí)雖然不存在這樣的問(wèn)題，但撞擊角過(guò)大，撞擊橫向動(dòng)量分量較大，影響了推進(jìn)劑軸向運(yùn)動(dòng)速度，自然導(dǎo)致火焰軸向傳播速度降低。而三股互擊式噴嘴則因?yàn)橹虚g路推進(jìn)劑直接沿噴注面軸向噴出，相對(duì)而言推進(jìn)劑軸向運(yùn)動(dòng)速度較大，特別是F-O-F噴嘴，較難霧化的燃料從兩側(cè)噴出后，氧化劑才從中路以更高速度噴出，促使氧化劑和燃料在下游以更快速度混和并達(dá)到燃燒條件，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁臁?/p>

圖6 凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑著火過(guò)程火焰自然輻射發(fā)光圖像Fig.6 Natural flame images of gelled MMH/NTO bipropellants ignition process

圖7 凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑著火特性與燃料噴射 速度關(guān)系曲線(γ=2.0)Fig.7 Curves of ignition characteristics of gelled MMH/NTO bipropellants vs jet velocity of fuel(γ=2.0)

2.2.2 穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程

圖8給出了凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)火焰的自然輻射發(fā)光圖像，從圖中可以看出，不同噴嘴的火焰形態(tài)及亮度均存在差異，當(dāng)撞擊角為75°時(shí)，火焰整體較暗淡，空間分布不連續(xù)，中間夾雜白色液霧，說(shuō)明推進(jìn)劑混合燃燒不充分。同時(shí)在火焰邊緣明顯觀測(cè)到四氧化二氮高溫下分解產(chǎn)生的NO2煙霧。當(dāng)撞擊角為105°時(shí)，可以看出此時(shí)火焰顏色與撞擊角為75°時(shí)不同，火焰呈淺黃色，火焰相對(duì)亮度更高，空間分布更均勻，一定程度上說(shuō)明此時(shí)推進(jìn)劑混合燃燒更充分。當(dāng)采用O-F-O形式三股互擊式噴嘴時(shí)，火焰亮度與采用撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴時(shí)相似，但射流速度Vj=23，28 m/s時(shí)火焰亮度空間分布不均勻更明顯，火焰內(nèi)部存在大片區(qū)域未觀察到火焰自然輻射發(fā)光，火焰尾部主要是NO2煙霧，傳感器探頭下方也積聚了大量液體推進(jìn)劑，說(shuō)明推進(jìn)劑混合燃燒較差。而采用F-O-F形式三股互擊式噴嘴時(shí)，火焰亮度與O-F-O形式三股互擊式噴嘴時(shí)類似，但火焰更加細(xì)長(zhǎng)，分布也比較均勻。

圖9為凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程火焰均值圖像，其采用50張連續(xù)拍攝的瞬時(shí)圖像灰度化(采用加權(quán)平均法)后進(jìn)行算術(shù)平均，再進(jìn)行偽彩處理而得。從均值圖像可以看出，噴嘴下游20.3 mm內(nèi)整體灰度值較低，從圖5可以看出該區(qū)域主要是液膜，化學(xué)反應(yīng)可忽略不計(jì)，為噴射霧化區(qū)。同時(shí)從圖9中可以看出，該工況下火焰兩側(cè)亮度明顯高于中心區(qū)域，一定程度上說(shuō)明燃?xì)庵饕性趦蓚?cè)，與文獻(xiàn)[17]采用MMH/NTO進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)所得火焰圖像相似。

定義火焰均值圖像中火焰兩側(cè)的夾角為火焰夾角θ，火焰均值圖像中撞擊點(diǎn)到火焰前端的平均距離為反應(yīng)距離(Induction Distance)[17]，如圖9所示，則不同工況下的火焰夾角如圖10(a)所示，反應(yīng)距離如圖10(b)所示。從圖10(a)可以看出，對(duì)于所有試驗(yàn)所用噴嘴，保持混合比不變的條件下，增加燃料射流速度時(shí)凝膠MMH/NTO穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的火焰夾角隨之增加，但不同類型噴嘴火焰夾角的大小存在較大差異，采用撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴時(shí)火焰夾角最大，采用F-O-F形式三股互擊式噴嘴時(shí)火焰夾角最小。而對(duì)于撞擊角為75°和105°的兩股互擊式噴嘴及O-F-O形式三股互擊式噴嘴，當(dāng)燃料射流速度為23 m/s時(shí)撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴火焰夾角最大，撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴火焰夾角最小，當(dāng)燃料射流速度為28 m/s時(shí)三者無(wú)明顯差異，隨著燃料射流速度的進(jìn)一步增加，采用撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴時(shí)凝膠MMH/NTO穩(wěn)態(tài)燃燒的火焰夾角最大，采用撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴時(shí)次之，采用O-F-O形式三股互擊式噴嘴時(shí)火焰夾角反而最小，主要原因是三股互擊式噴嘴能量利用率低于兩股互擊式，而撞擊角為105°時(shí)，高射流條件下推進(jìn)劑會(huì)附著在噴注面并影響液膜橫向鋪展，造成霧化及對(duì)應(yīng)的火焰夾角變小。從圖10(b)可以看出，除了采用F-O-F形式三股互擊式噴嘴時(shí)凝膠MMH/NTO穩(wěn)態(tài)燃燒的反應(yīng)距離無(wú)明顯變化外，采用其他類型噴嘴時(shí)凝膠MMH/NTO穩(wěn)態(tài)燃燒的反應(yīng)距離隨燃料射流速度增加而減小。整體而言，對(duì)于凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑，不同試驗(yàn)噴嘴的反應(yīng)距離由大到小排序依次是F-O-F形式的三股互擊式噴嘴、撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴、O-F-O形式的三股互擊式噴嘴、撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴、撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴。

圖8 凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒火焰瞬時(shí)自然輻射發(fā)光圖像Fig.8 Instantaneous natural flame images of gelled MMH/NTO bipropellants during process of steady combustion

圖9 凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程火焰 均值圖像Fig.9 Mean natural flame images of gelled MMH/ NTO bipropellants during process of steady

圖10 凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒過(guò)程火焰 特性與燃料噴射速度關(guān)系曲線(γ=2.0)Fig.10 Curves of flame characteristics of gelled MMH/NTO bipropellants vs jet velocities of fuel during process of steady combustion(γ=2.0)

3 結(jié) 論

1) 采用紋影圖像能有效識(shí)別液相推進(jìn)劑與燃?xì)庀鄬?duì)位置，對(duì)于凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑，燃燒主要發(fā)生在液膜破碎成液絲之后，推進(jìn)劑射流速度越快，著火時(shí)燃?xì)鈹U(kuò)散速度越快。

2) 對(duì)于凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑著火過(guò)程，采用撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴時(shí)著火距離最短，采用撞擊角為90°的噴嘴時(shí)火焰軸向傳播速度最快。

3) 凝膠MMH/NTO推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的火焰夾角隨燃料射流速度增大而增大，燃料射流速度相同時(shí)，撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴火焰夾角最大，F(xiàn)-O-F形式的三股互擊式噴嘴火焰夾角最小。而反應(yīng)距離隨燃料射流速度增大而減小，燃料射流速度相同時(shí)，F(xiàn)-O-F形式的三股互擊式噴嘴反應(yīng)距離最大，撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴反應(yīng)距離最小。

致 謝

感謝西安航天動(dòng)力研究所科技處協(xié)調(diào)，以及九室領(lǐng)導(dǎo)和工作人員對(duì)試驗(yàn)的大力支持。