嵌套式螺旋藥柱燃燒特性影響因素探究①

王澤眾，張澤林，林 鑫*，李 飛，余西龍,2

(1.中國科學院力學研究所 高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學 工程科學學院，北京 100049)

0 引言

航天科技的不斷發展對火箭推進系統的綜合性能提出了更高要求，如低成本、綠色安全、高可靠性以及可重復利用等。作為推進領域的一個重要發展方向，固液混合火箭發動機綜合了常見的液體火箭發動機和固體火箭發動機的結構特點，具備結構簡單、安全可靠、高特征速度、推力可控以及可多次啟動等優點，契合了探空火箭、小型運載火箭、靶彈、亞軌道飛行器以及組合式發動機等領域的未來發展需求。但截至目前，固液混合火箭發動機的實際應用相比于其余兩種化學能推進系統仍較少。限制其進一步發展的核心問題在于傳統固體燃料如端羥基聚丁二烯(HTPB)的燃面退移速率較低，造成推力性能提高相對困難。固液混合火箭發動機早期通常采用多孔藥柱結構以增加燃面面積，從而提高推力。但多孔結構同時也帶來了燃燒室容積率降低、藥柱成型難度增加以及易受自身燃燒或者外部因素激勵而發生坍塌等問題。研究人員針對提高固體燃料藥柱的燃面退移速率提出了多種方法，例如采用可液化燃料(石蠟)、添加金屬顆粒、采用旋流噴注和隔板等。上述方法均能夠有效提高固體藥柱的燃面退移速率，但同時也引入了許多問題：純石蠟(Pure paraffin,PP)藥柱的力學性能較差；鋁顆粒燃燒后易在燃燒室內壁面及噴管喉道處發生沉積；旋流噴注會加劇藥柱前端面的沖刷；隔板增加沿軸向燃燒不均勻程度。近些年，3D打印技術的快速發展使其在復雜結構藥柱高質量且快速成型方面展現出的巨大應用潛力。同時，由于藥柱結構優化能夠有效提高藥柱的燃燒性能并規避上述問題，因此基于3D打印的藥柱結構優化獲得了研究人員的廣泛關注。其中，最具代表性的工作之一是WHITMORE等通過設計螺旋孔藥柱結構顯著提高了改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)燃料的燃燒特性，包括退移速率和特征速度。此外，ARMOLD和ZHANG等分別通過燃燒實驗和數值模擬驗證了星形螺旋藥柱結構能夠有效提高聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃料的退移速率性能。但上述藥柱螺旋特征結構均存在持續時間短的問題，導致藥柱的退移速率和特征速度隨燃燒過程逐漸下降。

針對上述問題，在之前的工作中提出了一種新型嵌套式螺旋藥柱。基于兩種不同燃料間的退移速率差異，該藥柱在燃燒過程中形成并始終保持螺旋特征結構，從而引導高溫燃氣產生旋流以增強燃燒室內湍流強度。燃燒實驗結果表明，該藥柱的退移速率相比于傳統石蠟基藥柱退移速率提升顯著，并且隨氧化劑通量增大，提升效果將進一步提高。同時，實驗探究了藥柱的點火延遲、燃燒穩定性以及燃燒效率等，藥柱綜合燃燒性能表現優異。本文將進一步實驗探究嵌套式螺旋藥柱退移速率和特征速度的影響因素。以氧氣作為氧化劑，依托固液混合火箭發動機地面實驗系統開展藥柱燃燒實驗。通過改變螺旋基體葉片的數量和旋轉角，對比分析藥柱退移速率和特征速度變化。此外，通過改變嵌套燃料的種類，對比分析退移速率的差異性對藥柱退移速率和特征速度的影響。

1 藥柱燃燒特性影響因素

如圖1所示，嵌套式螺旋藥柱包含低退移速率螺旋基體(如ABS螺旋基體)以及嵌入的高退移速率主體燃料(如石蠟基燃料)兩部分。螺旋基體由外壁和一體成型并沿軸向呈螺旋結構的葉片組成。螺旋基體既可作為次要燃料參與燃燒，又為主體燃料提供支撐，大幅提高了藥柱整體的力學性能。基于燃料退移速率的差異，該藥柱在保持單孔結構特性的前提下，在燃燒過程中能夠形成并保持螺旋凹槽結構。

圖1 ABS/石蠟基嵌套式螺旋結構藥柱Fig.1 ABS/paraffin-based grain with nested helical structure

對比傳統單孔結構藥柱，嵌套式螺旋藥柱的燃燒特性將受其螺旋特征結構的影響。一方面，該特征結構能夠強制引導高溫燃氣產生旋流，并壓迫火焰面趨向于藥柱壁面，增強近壁面處的傳熱和傳質；另一方面，高溫燃氣流經相鄰葉片間的凹槽處可產生回流區，從而進一步增強推進劑摻混。綜合來看，改變螺旋特征結構將影響流場旋流強度及回流區數量兩方面，從而帶來藥柱燃燒特性的變化。而藥柱螺旋特征結構改變主要取決于三個因素：葉片數量、葉片旋轉角及燃料退移速率的差異性。由于嵌套式螺旋藥柱中ABS燃料的質量占比小于等于20%，因此本工作中并未考慮葉片厚度對藥柱燃燒特性的影響。

2 實驗系統及藥柱制備

本文所采用的固液混合火箭發動機地面實驗系統如圖2所示，更多細節可參考文獻[17]。該固液混合火箭發動機全長為300 mm，藥柱長度為125 mm、內徑為30 mm、外徑與燃燒室內徑均為70 mm，噴管喉徑為5 mm。以氧氣作為氧化劑，氧氣流量由質量流量控制器(Bronkhost M15)控制。點火方式采用CH/O火炬式點火，點火頭設置于發動機頭部。氮氣用作管道與發動機吹掃。設有前、后燃燒室提高推進劑摻混程度，且均設置有壓強傳感器，以監測燃燒室壓強變化。整個實驗系統的測控由自主編寫的LabVIEW程序通過NI USB-6211多功能板卡實現，包括閥門開閉、氧氣流量控制、點火時序設置和數據采集記錄等。

嵌套式螺旋藥柱采用3D打印技術結合澆注方式制備。首先，基于3D打印技術成型不同葉片數量和葉片旋轉角的ABS螺旋基體。其中，葉片數量分別設置為6、12和15個葉片。葉片旋轉角(其定義為內孔螺旋線上任意一點的切線與藥柱軸線的夾角)分別設置為38.4°、49.9°和57.7°，其分別對應葉片沿軸向螺旋掃掠1圈、1.5圈和2圈。其次，將ABS螺旋基體放置于模具中，并倒入配置好的燃料溶液。石蠟基燃料和HTPB燃料分別采用離心澆注和真空油浴保溫成型的方式。固化降溫后，打磨至圖2中所示的結構尺寸，完成藥柱制備。

圖2 固液混合火箭發動機地面實驗系統Fig.2 Schematic diagram of ground experimental system of hybrid rocket motor

3 計算方法

藥柱退移速率和特征速度是至關重要的燃燒特性參數。退移速率很大程度上決定了固液混合火箭發動機的推力，特征速度則能夠度量燃燒時推進劑釋熱的有效程度。藥柱燃面退移速率作為單位時間內藥柱內孔型面退移的速率，可表征為

(1)

式中和分別為燃燒前后的藥柱內孔直徑；為實驗時間。

嵌套式螺旋藥柱采用兩種不同燃面退移速率的燃料，通過重量換算得到燃燒后的等效內孔直徑：

(2)

式中和分別為藥柱燃燒前后的質量；和分別為藥柱密度和長度。

初始狀態的藥柱內孔光滑，可直接測量獲得。此外，兩種燃料的密度也存在差異，式(2)中密度可表示為兩種燃料密度的平均值：

=+

(3)

式中和分別為兩種燃料的密度；和分別為兩種燃料的質量分數。

由于藥柱燃燒過程中兩種燃料實際消耗的質量占比與初始質量占比存在略微不同，該方法計算得到的嵌套式螺旋結構藥柱密度存在微小誤差(誤差≤ 0.32%，可忽略，具體計算過程可參考文獻[16])。綜合式(1)～式(3)，即可得嵌套式螺旋藥柱退移速率：

(4)

特征速度的實際值可通過燃燒實驗所測得室壓曲線來確定：

(5)

式中為噴管喉徑；為燃燒過程消耗的推進劑質量；為燃燒室壓強。

由于燃燒時間較短，可忽略噴管燒蝕，因此噴管喉徑視為常數。對于推進劑質量，其中氧化劑部分由質量流量控制器直接獲得，燃料部分由藥柱差重法獲得。

4 實驗結果與討論

基于上述實驗系統，開展了一系列燃燒試驗評估嵌套式螺旋藥柱在不同葉片數量、葉片旋轉角以及不同燃料組合條件下的藥柱燃面退移速率和特征速度。主要的實驗結果如表1所示，初始氧氣通量設置為 3.0 g/(cm·s)左右，燃燒時間設置為10 s。由于各藥柱的退移速率有所不同，因而在相同氧化劑通量條件下，各組燃燒實驗中燃料流量存在差距。相對應地，各組平均氧燃比介于1.4～3.7之間，燃燒室壓強介于1.9～2.2 MPa之間。

表1 燃燒實驗主要結果Table 1 Results of the firing test

4.1 葉片數量影響

如圖3中所示，隨著葉片數量的增加，相鄰葉片間距減小且螺旋凹槽沿軸向的分布數量增加，有利于增強內流場在軸向方向的擾動。同時，更加密集的葉片將有利于引導旋流產生，從而增強近壁面處的傳熱傳質，提高藥柱整體的燃燒特性。此外，葉片數量的增加也帶來ABS燃料質量占比的增加(6葉片藥柱約為8%，12葉片藥柱為16%，15葉片藥柱為20%)。

圖3 葉片數量改變對藥柱結構的影響Fig.3 Effect of the number of blades on grain structure

圖4給出了藥柱在不同葉片數量條件下的退移速率及特征速度對比結果。與6葉片藥柱相比，12葉片藥柱在退移速率和特征速度方面均表現更加優異。該結果驗證了增加葉片數量對提高藥柱退移速率和燃燒特征速度具有一定的促進作用。但15葉片藥柱的燃燒特性卻表現出下降趨勢。其主要原因在于盡管近壁面處傳熱傳質得到增強，但本工作所采用的商業ABS燃料自身燃燒性能較差。對比石蠟基燃料，ABS燃料的退移速率降低約60%，特征速度降低約30%。持續增加葉片數量等同于不斷提高ABS燃料的質量占比，這造成了藥柱整體退移速率和特征速度的下降。

圖4 不同葉片數量條件下嵌套式螺旋藥柱退移速率 和特征速度對比Fig.4 Comparison of regression rate and characteristic velocity for nested helical grains with different number of blades

4.2 葉片旋轉角影響

如圖5所示，增大藥柱葉片旋轉角對嵌套式螺旋藥柱帶來兩方面的影響。首先，旋轉角增大有利于引導更強的旋流產生，減小邊界層厚度，壓迫火焰面趨向藥柱壁面，從而提高近壁面處的傳熱傳質；另一方面，藥柱軸向方向的螺旋凹槽數量增加，有利于增強燃料與流動中心區的熱交換和物質輸送。此外，盡管沿軸向葉片分布更加密集，但葉片厚度也相應降低。因此，葉片旋轉角的變化不會帶來ABS燃料質量占比的變化。

圖5 葉片旋轉角改變對藥柱結構的影響Fig.5 Effect of blade rotation angle on the structure of the grain

圖6中對比了嵌套式螺旋藥柱在不同葉片旋轉角條件下的退移速率及特征速度。以葉片旋轉角為 38.4°的藥柱作為基準，藥柱的退移速率隨旋轉角增大呈現出先增大、后減小的變化趨勢。該結果表明，增大葉片旋轉角，對提高藥柱退移速率具有促進作用。但當葉片旋轉角持續增加至90°時，葉片將垂直于氣流軸向流動方向，從而無法引導旋流產生。

圖6 不同葉片旋轉角條件下嵌套式螺旋藥柱退移 速率和特征速度對比Fig.6 Comparison of regression rate and characteristic velocity for nested helical grains with different blade rotation angle

因此，藥柱退移速率的提升存在最優的葉片旋轉角度。此外，旋轉角為49.9°的藥柱特征速度相比于旋轉角為38.4°的藥柱特征速度有所降低。但由于旋轉角為49.9°的藥柱燃燒實驗中的平均室壓更高，因此根據式(5)可知，造成特征速度下降的主要原因在于藥柱退移速率的提高使得燃燒過程中氧燃比降低，從而造成實際特征速度的降低。隨著葉片旋轉角的增大，藥柱特征速度進一步降低。其原因可能在于持續增大旋轉角，并未帶來旋流場強度進一步提高。

4.3 基礎退移速率差異性影響

如圖7所示，該藥柱采用兩種不同的燃料相互嵌套，基礎退移速率的差異將導致燃燒過程中螺旋凹槽深度發生改變，從而影響旋流引導過程，改變藥柱整體的燃燒特性。圖8中對比了不同燃料組成條件下的藥柱退移速率和特征速度。不同于石蠟基/ABS藥柱的燃燒特性(包括退移速率和特征速度)相比于石蠟基藥柱的燃燒特性均得到明顯提升，HTPB/ABS藥柱的退移速率相比于HTPB藥柱的退移速率并未得到有效提高。造成該現象的主要原因在于ABS與HTPB之間的基礎退移速率差異性較小，導致藥柱內孔在燃燒過程中難以形成螺旋特征結構，從而無法引導旋流產生，以提高藥柱整體的退移速率。此外，藥柱的特征速度變化的主要原因在于燃燒實驗中氧燃比不同。

圖7 退移速率差異性對藥柱結構的影響Fig.7 Effect of the difference of regression rate on the grain structure

除了HTPB燃料，圖8中還展示了純石蠟/ABS藥柱的退移速率相比于純石蠟藥柱的退移速率同樣有所降低。由于純石蠟燃料與ABS燃料間的基礎退移速率差異性較大，純石蠟/ABS藥柱在燃燒過程中能夠形成明顯的螺旋特征結構。但不同于HTPB燃料和石蠟基燃料，液滴夾帶現象作為提升純石蠟燃料退移速率的主導因素，螺旋嵌套結構的引入等同于在藥柱軸向增加了大量擋板，從而減弱了液滴夾帶現象，最終導致藥柱整體退移速率降低。然而，純石蠟/ABS藥柱的特征速度相比于純石蠟藥柱有所提高，其主要在于螺旋特征結構所引導的旋流能夠有效增強推進劑的摻混，從而提高了燃燒效率。

圖8 不同燃料組成條件下嵌套式螺旋結構藥柱 退移速率和特征速度對比結果Fig.8 Comparison of regression rate and characteristic velocity for nested helical grains with different fuel composition

5 結論

(1)在本工作實驗條件下，適量增加葉片數量，有利于提高嵌套式螺旋藥柱的退移速率和特征速度。但受ABS螺旋基體退移速率和特征速度較低的影響，過度增加葉片數量，將造成藥柱整體的燃燒特性降低。優化ABS組分配比，以提高其燃燒熱值，將有利于進一步提升嵌套式螺旋藥柱退移速率和特征速度。

(2)在本工作實驗條件下，增大葉片旋轉角對藥柱退移速率提高存在最優值。需進一步開展數值模擬工作，探究旋轉角對旋流場強度的影響。

(3)增大藥柱組成燃料之間基礎退移速率的差異性，有利于螺旋特征結構的形成，從而提高嵌套式螺旋藥柱的退移速率和特征速度。但該提升效果同時也受到組成燃料基礎退移速率大小的影響。對于純石蠟等退移速率極高的燃料，采用嵌套式螺旋藥柱結構，反而會造成藥柱整體退移速率的下降，但其特征速度仍有所提高。