PE在固体燃料冲压发动机中的燃烧特性实验研究①

成红刚，陈 雄，朱国强，周长省，鞠玉涛

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

0 引言

固体燃料冲压发动机(SFRJ)以其结构简单、比冲高、自适应能力强、可靠性高和低成本等优点备受各国关注，在未来超音速导弹和冲压增程炮弹等领域具有广阔的应用前景。常用于SFRJ研究的碳氢类固体燃料主要有PMMA、PE和HTPB。PMMA透明、易加工，但其力学性能较差;HTPB力学性能较好，且易于添加各种添加剂，能浇注成不同药形，但是机械加工性较差;PE具有力学性能、机械加工性能及化学稳定性好，成本较低且发动机火焰特征低等优点，在国内外被广泛应用于发动机燃烧机理的研究[1－4]，但是其能量水平有待提高，因而限制了其在SFRJ工程中的应用。文献[5]对不同燃料的热物理化学性能进行了实验研究，文献[6]对不同燃料在SFRJ中的燃烧特性进行了研究。文献[7]采用直连式试验研究了HTPB在SFRJ中的燃烧特性，文献[8]在燃烧室入口引入旋流，研究了旋流情况下HTPB在SFRJ中的燃烧特性。文献[9－10]通过数值仿真和直连式试验研究了PMMA在SFRJ中的燃烧特性。然而，以PE为固体燃料对SFRJ燃烧特性和燃烧机理进行研究的相关文献目前在国内尚没有报道。

本文以PE为燃料，采用直连式试验系统针对PE在SFRJ中的燃烧特性进行了实验研究，设计了燃烧中止系统来准确控制试验时间，利用两坐标测量尺对固体燃料内径沿轴向的变化规律进行了逐点测量，得到固体燃料内径沿轴向的轮廓分布及固体燃料当地燃面退移速率，分析了点火过程、来流空气质量流率、突扩比等因素对PE在SFRJ中燃烧性能及燃速特性的影响。

1 试验系统组成及试验方法

1.1 试验系统

SFRJ直连式试验系统组成主要包括供气系统、空气加热系统、测量控制系统、燃烧中止系统、推力试验台和试验发动机及连接管路。图1和图2分别为SFRJ直连式试验方案和试验系统图。加热系统采用燃烧航空煤油的方法加热来流空气，补氧系统采用先补氧后燃烧的方案向燃烧产物中补充氧气使热空气中氧气质量分数与标准空气相等。

图1 SFRJ直连式试验方案Fig.1 Direct-connect test scheme of SFRJ

图2 SFRJ直连式试验系统Fig.2 Direct-connect test system of SFRJ

1.2 试验发动机及方法

试验发动机结构主要组成见图1，包括空气入口、限流喉道、中心锥火药式点火器、突扩台阶、燃烧室、固体燃料、掺混板、补燃室、热防护层及喷管组件等。

本文在进行发动机状态调整试验时发现，固体燃料在点火前预热时间长短对固体燃料燃速有较大影响，因此为了保持试验状态一致，制定了以下试验方法:试验时，主气电磁阀和氮气电磁阀处于关闭状态，排气电磁阀打开，加热空气由排气阀排出;当来流空气总温、总压满足试验条件时，主气阀打开，同时排气阀关闭，气流切换到主通道，经由发动机燃烧室排出;气流稳定5 s后，发出点火指令，点火器工作，同时触发计时器，燃烧中止控制系统开始计时;当发动机工作时间达到预定试验时间时，主气阀关闭，同时氮气阀和排气阀打开，剩余的热空气由排气阀排出，高压氮气经由氮气阀流入试验发动机，将燃烧室内燃烧火焰熄灭，最后关闭主气，试验结束。以上SFRJ试验控制时序如图3所示。图3中，横坐标表示试验时间，纵坐标表示各单元状态，高电平表示状态为开，低电平表示状态为关。0～t1为发动机内气流稳定段，t1～t2发动机点火工作段，t2～t3为中止燃烧段(或熄火段)。t3后各电磁阀复位，准备进行下次试验。

图3 SFRJ试验控制时序Fig.3 Control order of SFRJ test

采用上述发动机和试验方法，以典型双基推进剂作为点火药，PE为燃料进行了24次直连式试验，研究了突扩比和来流空气质量流率对PE在SFRJ中点火、燃烧性能及燃速特性的影响。试验模拟工况为海平面马赫数 2.0，来流总压 0.78 MPa，总温 540 K。固体燃料长度298 mm，补燃室压强可通过改变喷管尺寸进行调整。

2 计算结果与讨论

通过直连式实验研究了点火过程、突扩比及来流空气质量流率对PE在SFRJ中燃烧性能的影响，并对PE在SFRJ中的燃烧特性、平均燃速和当地燃面退移速率进行了分析评估。

2.1 发动机燃烧性能影响因素

2.1.1 点火过程的影响

图4为SFRJ工作过程中燃烧室/补燃室压强时间曲线。由图4可见，燃烧室及补燃室压强在发动机工作初期出现明显的压强峰，且持续时间较长，这是由于点火器持续工作引起的。另外，由图4不难发现，发动机工作过程中燃烧室与补燃室之间存在压强差，约为0.01～0.02 MPa。这是因为在燃烧室与补燃室之间设置了掺混板引起的。研究结果表明[8]，掺混板的引入可有效提高补燃室燃烧效率，缩短补燃室长度，但会引起燃烧室压强损失，因此在发动机设计时应权衡其利弊选择合理的燃烧室结构。

图4 SFRJ燃烧室/补燃室压强-时间变化曲线Fig.4 Pressure of combustor and after-burning chamber vs time

2.1.2 突扩比 h/dp的影响

图5所示为不同突扩比时SFRJ补燃室温度-时间变化曲线。由图5可知，当突扩比h/dp分别为0.21、0.25、0.28、0.3 时，对应实验中 SFRJ 补燃室稳定工作温度分别为1 804、2 041、2 068、2 118 K。由此不难看出，突扩比越大，补燃室燃气温度越高。这是因为在固体燃料内径一定的情况下，突扩比越大，燃烧室入口马赫数越高，火焰面与固体燃料表面的换热增强，固体燃料燃速增大，单位时间内加入燃烧室的燃气质量流率越大。在SFRJ燃烧室富氧条件下，参与燃烧反应的燃气质量流率越大，空燃比越小，燃烧释放的热量越多，因而补燃室温度越高。

图6为不同空气质量流率时补燃室温度-时间变化曲线，来流空气质量流率分别为 0.3、0.4、0.5、0.6 kg/s。由图6可知，对应实验工况下SFRJ补燃室温度分别为 2 118、2 065、2 030、1 932 K。说明空气质量流率越大，补燃室温度越低。这是因为，在其他条件不变的情况下，一方面，入口马赫数增大，使得掺混燃气在燃烧室停留的时间缩短，大量的氧化剂和燃料没有完全反应即排出补燃室，导致放热量减少，补燃室温度较低;另一方面，由于空气与燃气之间温差较大，增大空气质量流率会使得空燃比增大，燃烧释放的大量热量被低温空气所吸收，并带出补燃室。虽然增大来流空气质量流率能够增大固体燃料燃速，但是空气质量流率的增大幅度远大于燃速的增幅，因而补燃室温度降低。另外，由图中曲线不难看出，不同质量流率条件下点火温度约为1 890 K左右，且点火正常，并未出现文献[10]中所述的对点火过程的不利影响，说明本文设计的中心锥火药式点火器对不同空气质量流率具有较大的点火适应范围。

图5 不同突扩比SFRJ补燃室温度-时间变化曲线Fig.5 Tem perature of after-burning cham ber vs time at different stepheight ratios

图6 不同空气质量流率SFRJ补燃室温度-时间曲线Fig.6 Tem perature of after-burning cham ber vs time at different air mass flow rates

2.2 PE燃速特性分析

燃面退移速率(简称燃速)是评估一种固体燃料性能的重要指标。目前国内外表征燃速的方法有平均燃速和当地燃面退移速率。平均燃速通常可通过计算试验前后固体燃料的质量差，采用质量平均的方法得到[1，11];平均燃速的计算虽然简便易行，但是不能反映燃速沿轴向不同位置的变化规律，因而引入当地燃面退移速率。它可通过测量试验前后固体燃料的内型面沿轴向的轮廓变化，再进行时间平均而求得。

本文分别采用上述2种方法来表征固体燃料的燃速特性，其中平均燃速记为，当地燃面退移速率记为。

2.2.1 平均燃速分析

图7为不同空气质量流率时PE燃料平均燃速与突扩比之间的关系曲线。由图7可知，随着突扩比的增大，平均燃速也逐渐增大。同时，由图7不难发现，本文中空气质量流率为0.3 kg/s工况时的研究结果与文献[1]的研究结果具有较好的一致性和衔接性。这是因为文献[1]中空气质量流率为0.25 kg/s，空气温度为500 K，与本文试验条件非常接近。同时说明，在较大突扩比范围内，平均燃速随突扩比的增大而增大。

图7 平均燃速与突扩比的关系Fig.7 M ean regression rate in relationto stepheight ratios

根据图7中平均燃速与突扩比的相关关系，利用最小二乘法对其进行拟合，结果见表3，且相关系数都在0.99以上。由表1可知，当来流空气温度和质量流率一定时，固体燃料平均燃速与突扩比呈线性函数关系，且突扩比系数近似为一常数值，常数项随着空气质量流率的增大而增大。

表1 平均燃速与突扩比拟合关系Table 1 Fitted relationship between mean regression rate and stepheight ratio

图8所示为不同突扩比条件下PE燃料平均燃速与空气质量流率之间的关系。

图8 平均燃速与空气质量流率的关系Fig.8 M ean regression rate in relation to air mass flow rates

由图8可知，PE燃料平均燃速随着空气质量流率的增大而增大。根据图8中固体燃料平均燃速与空气质量流率的相关关系，利用最小二乘法进行拟合，结果见表2，且相关系数都在0.96以上。由表2可知，平均燃速与空气质量流率呈幂函数递增关系。

表2 平均燃速与空气质量流率拟合关系Table 2 Fitted relationship between mean regressionrate and air mass flow rate

2.2.2 当地燃面退移速率分析

当地燃面退移速率(简称当地燃速)是表征固体燃料燃速沿轴向变化规律的重要参数，对于研究固体燃料在SFRJ工作过程中燃烧机理和退移过程具有重要的意义。本文利用两坐标测量尺对试验前后PE燃料内径进行测量，然后进行时间平均得到轴向不同位置固体燃料的平均燃速，即固体燃料当地燃速，其计算式可表示为

式中 D0i、Dfi分别表示第i个测量截面试验前后固体燃料内径;tc表示发动机工作时间。

图9给出了不同实验工况的当地燃速随时间变化曲线。由图9中可知，随着突扩比的增大，PE燃料当地燃速逐渐增大，再附着点沿轴向往后移动。当突扩比为0.21和0.25时，PE燃料尾部当地燃速有逐渐增大的趋势，这种现象类似于固体火箭发动机内的侵蚀燃烧效应。这是因为，在PE燃料通道内，沿轴向方向，随着燃气流量的加入，下游燃气质量流率逐渐增大，燃气流速增大。当燃气流速大于界限流速时，即出现侵蚀效应。

另外，由图9可看出，在PE燃料前端，当地燃速较小。随着轴向的推移，当地燃速逐渐增大，在距离头部一定距离处，达到最大值，通常将该点视为再附着点。再附着点之后，当地燃速逐渐减小。在燃料尾部，当地燃速急剧减小，这是由于掺混板结构引起流动和传热的变化引起的。当地燃速沿轴向的变化规律取决于燃烧室内燃气的流动和传热机理。再附着点之前为回流区，其燃烧机理主要受化学反应动力学控制，附着点之后为湍流再发展区，其燃烧机理主要受扩散燃烧控制。随着轴向距离的增大，燃气流速增大，燃气与固体燃料之间的对流换热增强，因而当地燃速增大。同时，由图9可知，其他实验中并未出现类似固体火箭发动机内的侵蚀燃烧现象。

图9 不同实验工况当地燃速变化曲线Fig.9 Localmean regression rate at different test conditions

3 结论

(1)当燃烧室与补燃室之间设置掺混板结构时，燃烧室与补燃室之间存在压强差，本文中约0.01～0.02 MPa。

(2)不同来流空气质量流率下，本文设计的中心锥火药式点火器能够保证PE在发动机内可靠点火;点火器工作时间越长，补燃室达到稳定燃烧的时间越短。

(3)增大突扩比，有利于PE燃料在发动机燃烧室的点火和稳定燃烧。突扩比越大，燃烧室温度越高，补燃室达到稳定燃烧的时间越短;突扩比较小时，PE燃料尾部出现类似固体火箭发动机的侵蚀燃烧现象。

(4)PE燃料平均燃速随突扩比和来流空气质量流率的增大而增大，且与突扩比呈线性函数递增关系，与空气质量流率呈幂函数递增关系，本文结论与国外研究者所得结论一致;且本文研究结果拓宽了突扩比对燃速影响的适用范围。

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