PMMA激光点火特性研究①

朱国强，鞠玉涛，周长省，成红刚

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

PMMA激光点火特性研究①

朱国强，鞠玉涛，周长省，成红刚

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

采用CO2激光点火实验系统，研究了常压下PMMA的点火过程以及点火延迟时间与点火热流密度的关系。研究结果表明，随点火热流密度的增加，PMMA的点火延迟时间减少;当点火热流密度大于286 W/cm2时，热流密度对点火延迟时间的影响变小;当点火热流密度较低时，点火延迟时间随着热流密度的减小而急剧增加，且存在点火的最低能量阈值。最后，给出了常压下热流密度范围为70～881 W/cm2内的PMMA点火延迟时间与点火热流密度的数学关系式。

PMMA点火;激光点火;点火延迟;点火热流密度

0 引言

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)由于其价格便宜、易加工和燃烧燃气清洁，近年来被作为碳氢类富燃固体推进剂，广泛应用于固体燃料亚燃和超燃冲压发动机。在这一领域，以色列［1-2］对以PMMA为燃料的亚燃冲压发动机进行了实验研究，揭示了燃烧室内的燃烧特性和燃料退移规律。Angus等［3］则对以PMMA为燃料的超燃冲压发动机进行了实验研究。研究表明，燃气与超声速空气气流的混合条件对超声速燃烧效率有显著影响。Tahsini A M［4］以流固耦合方法，对突扩台阶后PMMA平板的点火过程进行了数值模拟研究。研究表明，强热流而时间短的点火器不利于燃料点火向稳定燃烧过渡。夏强等［5］对以PMMA为燃料的固体燃料冲压发动机燃烧室进行了数值模拟，得到了燃烧室内的流场结构、温度及组分分布。这些研究大多侧重于PMMA的燃烧性能，而冲压发动机工作过程中，PMMA的点燃及向稳态燃烧的过渡是冲压发动机设计中需要考虑的重要环节。目前，国内未见关于PMMA点火过程特性的研究报道。

激光作为研究推进剂点火特性的点火源，已在国内外广泛应用。Ulas A等［6］采用CO2激光点火系统，研究了气体发生器用6种不同推进剂的点火性能，建立了点火延迟时间与激光热流密度关系的数学表达式。徐浩星等［7］应用 CO2激光点火器，研究了丁羟推进剂中氧含量、燃速等因素及激光点火热通量与点火延迟时间之间的关系。

本文在这一背景下，采用CO2激光点火系统，开展了PMMA点火过程的实验研究，揭示PMMA整个点火过程中的物理化学现象，研究热流密度与点火延迟时间之间的关系，为PMMA点火机理分析提供实验依据，也为冲压发动机的点火系统设计提供必要基础。

1 实验设备及方法

1.1 试件制备

PMMA由甲基丙烯酸甲酯单体聚合而成，高度透明且易加工。本实验原材料取至同一5 mm厚的高纯度PMMA平板，保证其点火表面为统一抛光面，采用激光切割方法，加工成圆柱形样品，其尺寸为φ10 mm×5 mm，如图1所示。去除表面有瑕疵的残次品，共取55个实验样品，分为11组。

图1 PMMA实验样品Fig.1 PMMA experimental samples

1.2 实验系统

实验系统如图2所示。采用可调功率的CO2激光器作为点火源，激光光斑直径为3 mm。点火实验装置为带观察窗的圆柱形燃烧室，其内腔结构尺寸为φ200 mm×500 mm。由于体积足够大，而PMMA样品质量较小，点火过程中燃烧室内的压强变化可忽略不计。

图2 实验系统简图Fig.2 The experiment system diagram

采用光电管及瞬态采集系统记录火焰产生过程，同时用高速录像系统记录点火全过程。激光器出光和加载总时间由激光控制器控制，出光信号由瞬态采集系统1路记录作为激光加载初始时间，同时出光信号经放大点亮发光二极管，作为高速录像记录的激光加载初始时间。光电管将样品出现的初始火焰光转化为电信号，由瞬态采集系统2路记录作为点火判据，同时由高速录像系统记录PMMA样品气化、起火和燃烧过程。

1.3 实验方法

激光能独立于压强、初温、氛围气体及推进剂组分等因素改变热流密度，使得测试结果具有很高的可比性。由于在PMMA点火过程中，影响PMMA传热、分解和燃烧的主要因素是加载的热流密度，因而文中着重研究热流密度对PMMA点火过程的影响。

实验在常温20℃大气环境下进行。实验前，采用激光功率计对CO2激光功率进行标定;实验中，激光持续加载时间远大于点火延迟时间。定义点火延迟时间为激光开始加载到PMMA样品表面出现第一束火焰的时间。高速录像采用240帧/s进行拍摄。

实验中，分别选取 60、70、120、158、204、232、286、460、603、746、881 W/cm211 种激光热流密度;为考察点火延迟时间的重复性，每种热流密度下做5次实验。

2 实验结果及分析

2.1 测量方法分析

图3为激光热流密度为204 W/cm2时测得PMMA点火过程的光电曲线。其中，纵坐标为光电传感器测得的电压值。由图3可见，采用光电测量方法输出是典型的阶跃信号，可准确判读激光加载和起火的时间点，测得的点火延迟时间为213 ms。

图3 点火过程的光电信号(激光热流密度为204 W/cm2)Fig.3 The photoelectric signal of ignition process(laser heat flux is 204 W/cm2)

2.2 点火过程机理分析

由文献［8］可知，在空气环境中，PMMA在高温分解时的产物主要为可燃性气体MMA，即单体甲基丙烯酸甲酯(化学式为C5H8O2)。

图4所示为高速录像记录的在热流密度为204 W/cm2激光辐射下，PMMA点火过程中几个关键时刻。其中，图4(a)所示为LED灯刚点亮，记录为激光加载初始时刻0 ms;图4(b)所示为75 ms时PMMA试样表面开始析出高温可燃性MMA气体;图4(c)所示为持续分解出的产物MMA气体在空气中自然对流上升扩散;图4(d)所示为212.5 ms时MMA气体被点燃，并产生第一束火焰;图4(e)所示为火焰向下传播;图4(f)所示为PMMA在激光持续作用下稳定燃烧。

图4 PMMA点火过程图像(激光热流密度为204 W/cm2)Fig.4 PMMA ignition process images(laser heat flux is 204 W/cm2)

可见，当PMMA受热后，表面热量快速积累，温度迅速升高，并分解出MMA气体。随后，MMA气体在空气中自然对流上升逐渐形成椭球状气团。在这过程中，激光能量一部分被MMA气体吸收，从而使MMA气体温度持续升高，另一部分被PMMA吸收，从而使其维持分解反应，当MMA气体浓度和温度到达阈值时，MMA气体被点燃。激光持续加载，PMMA可稳定燃烧，但当激光关闭后，火焰很快熄灭，说明外界热流的持续作用对PMMA建立稳定燃烧起着主导作用。

2.3 热流密度对点火延迟时间影响分析

不同激光热流密度下的PMMA点火延迟时间实验结果如表1所示。低热流密度下，5次点火延迟时间的相对标准差在9%以下，而高热流密度下，则达到4%以下，说明实验结果的重复性较好。

由表1和图5可知，随激光热流密度的增加，PMMA的激光点火延迟时间显著减小。这是由于增加激光热流密度，加快了PMMA样品表面温度的升高，PMMA的热分解速率加快，可燃性MMA气体产生流率加大，最终使得点火延迟时间减小。但热流密度较高时，这种效应不明显，当热流密度大于286 W/cm2时，由热流密度引起的点火延迟时间的差别很小，这说明PMMA的惰性加热和分解吸热达到平衡状态，这一值可作为冲压发动机点火器设计的阈值。当热流密度较低时，点火延迟时间随着热流密度的减小而急剧增加。PMMA样品在60 W/cm2激光热流密度作用下，不论辐射多长时间都不能点火，样品只是不断分解出少量的气体，无火焰产生，说明PMMA在点火过程中存在最低点火能量阈值。

表1 不同激光热流密度下PMMA样品的点火延迟时间Table 1 Ignition delay times at various laser heat flux density

图5 点火延迟时间随热流密度的变化Fig.5 Variation curve of ignition delay time with heat flux density

3 点火延迟时间-热流密度关系

点火延迟时间是表征推进剂点火特性的主要参数，也是冲压发动机点火系统设计的重要依据。本文实验中，由于PMMA热分解的同时，MMA气体在空气中自然对流扩散，可将PMMA开始分解到起始火焰前的这段时间定义为分解扩散时间。可知，PMMA的点火延迟时间由惰性加热时间、分解扩散时间和化学反应时间3部分组成。由实验高速录像发现，起始火焰出现在椭球状 MMA气团顶面，出现时间在1帧(4.2 ms)以内，说明化学反应时间较短可忽略，点火延迟时间主要由惰性加热时间和分解扩散时间组成，而固体燃料冲压发动机在点火过程中与此相近似。因此，本实验结果获得的点火延迟时间与点火热流密度的数学关系式，可在确定冲压发动机点火系统能量及作用时间等设计参数方面提供计算模型。

目前，国内外未有统一的数学式来表示推进剂点火延迟时间与加载热流密度之间的关系。本文分别参考文献［6］和文献［9］，并依据上述实验测得的数据，通过最小二乘法来拟合PMMA点火延迟时间计算数学公式，拟合结果如表2所示。表2中，tig为点火延迟时间，ms;a、n、A和B为常数;q为激光热流密度，W/cm2。

表2 点火延迟时间计算数学公式拟合结果Table 2 Fitting results of ignition delay time mathematical formula

本文采用拟合精度更高的第2个数学式来计算点火延迟时间与点火热流密度的关系，与实验结果比较如图5所示。为验证经验公式的合理性与可靠性，补做2组共10次实验，其点火延迟时间实验平均值与经验式计算值对比如表3所示。

由表3可见，拟合得的经验式具有一定的可靠性，且此数学式适用于点火热流密度范围为70～881 W/cm2的PMMA点火延迟时间计算。

表3 点火延迟时间实验平均值与计算值对比Table 3 Comparison between the experimental average values and calculation values of the ignition delay time

4 结论

(1)PMMA点火延迟时间主要由惰性加热时间和分解扩散时间组成，而点火热流密度在整个点火过程中都起着主导作用。

(2)点火延迟时间随点火热流密度增大而减小，且存在最低点火能量阈值。当热流密度较大时，热流密度对点火延迟时间的影响变小。

(3)在70～881 W/cm2的点火热流密度范围内，可采用本文所拟合的经验式来计算PMMA的点火延迟时间。

(4)对于采用PMMA的冲压发动机，为保证得到可靠满意的点火性能，在点火热流较高的基础上，应加长其持续作用时间，以完成点火到高压稳定燃烧的过渡。

［1］Amnon Netzer，Alon Gany.Burning and flameholding characteristics of a miniature solid fuel Ramjet combustor［R］.AIAA 88-3044.

［2］Zvuloni Roni，Gany Alon，Levy Yeshavahou.Geometric effects on the combustion solid fuel ramjets［J］.Journal of Propulsion and Power，1989，5(1):32-37.

［3］Angus William J.An investigation into the performance chracteristics of a solid fuel scramjet propulsion device［R］.ADA 246486，1991.

［4］Tahsini A M.Piloted ignition of solid fuels in turbulent back-step flows［J］.Aerospace Science and Technology，2011.

［5］夏强，武晓松，陈志刚，等.PMMA在固体燃料冲压发动机中燃烧特性的数值模拟［J］.固体火箭技术，2011，34(1):43-47.

［6］Ulas A，Kuo K K.Laser-induced ignition of solid propellants for gas generators［J］.Fuel，2008，87(6):639-646.

［7］徐浩星，王桂兰，贾淑霞，等.丁羟推进剂激光点火延迟时间研究［J］.固体火箭技术，2000，23(1):40-43.

［8］Straus，Sidney，Madorsky，et al.Pyroysis of some polyvinyl polymers at temperature up to 1 200℃［J］.Journal of Research of the National Bureau of Standards，Section A，Physics and Chemistry，1962，66(5):401-406.

［9］翁春生，翁金辉.激光点火过程的简化解析解［J］.莆田学院学报，2005，12(2):49-52.

Study on laser ignition characteristics of PMMA

ZHU Guo-qiang，JU Yu-tao，ZHOU Chang-sheng，CHENG Hong-gang
(School of Mechanical Engineering，NUST，Nanjing 210094，China)

The ignition process of PMMA under normal pressure and the effect of ignition heat flux density on the ignition delay time of PMMA were examined in detail by use of a CO2laser ignition system.The results show that the ignition delay time of PMMA was decreased with the increase of ignition heat flux density.The effect of ignition heat flux density on ignition delay time decreases when the ignition heat flux density is more than 286 W/cm2.The ignition delay time increases dramatically with the decrease of ignition heat flux density when the ignition heat flux density is lower.There exists minimum energy threshold to ignite PMMA.The mathematical relationship between the ignition delay time of PMMA and the ignition heat flux density in the range of 70～881W/cm2was given.

PMMA ignition;laser ignition;ignition delay;ignition heat flux density

V435

A

1006-2793(2012)02-0188-05

2011-09-28;

2011-12-05。

“十二五”预先研究项目(404040301)。

朱国强(1983—)，男，博士生，研究固体燃料冲压发动机技术。E-mail:juyutao@mail.njust.edu.cn

(编辑:崔贤彬)