等离子体增强含硼燃气二次燃烧实验分析

张鹏，洪延姬，＊，丁小雨，纪海龙

1．装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416 2．西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072

等离子体增强含硼燃气二次燃烧实验分析

张鹏1，洪延姬1，＊，丁小雨1，纪海龙2

1．装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416 2．西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072

为研究等离子体助燃条件下含硼燃气在补燃室的二次燃烧特性，建立了排除来流空气掺混效应的扩散燃烧实验模型。利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室的火焰照片，得到了有无等离子体条件下的燃烧火焰形貌；测量了补燃室不同截面的静压和总压，分析了有无等离子体条件下含硼推进剂在固冲发动机中的燃烧效率。实验结果表明：在含硼燃气二次燃烧过程中加入等离子体炬，等离子体炬后方区域火焰更加明亮，硼燃烧更加充分；断开等离子体炬后，补燃室静压和总压出现压力突降台阶，说明加入等离子体后可以加快化学反应速率，提高含硼燃气在固冲发动机中的燃烧效率，从而提高了补燃室的压强；且放电功率越高，含硼燃气在固冲发动机中燃烧效率的增长率越高。

等离子体炬；固冲发动机；硼；补燃室；扩散火焰

硼具有较高的质量热值（58．28kJ／g）和体积热值（136．38kJ／cm3），分别是金属镁、铝的2．3、1．9倍和3．1、1．7倍，是一种理想的固体燃料添加剂，有望应用于提高固冲发动机（固体火箭冲压发动机）的性能和比冲上，成为近年来的研究热点［1－2］。但由于硼颗粒熔沸点高、表面覆盖的氧化硼（B2O3）容易造成颗粒结团以及在补燃室的滞留时间短等原因，导致硼热值的实际释放非常困难，从而影响到固冲发动机的整体工作性能［3－4］。

含硼推进剂燃烧效率低是制约固冲发动机发展的主要因素之一，通常提高燃烧效率的方法是改变发动机构型。2003年Helmut等研究了补燃室的台阶对含硼燃气二次燃烧特性的影响［5］。国内主要是西北工业大学［6］和国防科学技术大学［7］的团队研究进气道结构和位置。这些方法通过延长硼颗粒的滞留时间和提高掺混效率增强含硼燃气的燃烧特性，但必然会加大空气阻力，增加系统总能损失［8－9］，因此需要探索新的增强含硼燃气燃烧特性的方法。近年来研究者发现等离子体具有强化点火和助燃的特性［10］。Inomata等于1983年发现等离子体可以增加火焰传播速度和燃烧效率［11］。2004年Starikovskaya等指出等离子体为点火过程提供必须的活性粒子从而加速化学反应进程，并建立了基于烷烃放电的反应机理［12］。Sun等实验证明等离子体在低压条件下也可以激发多级燃烧［13－14］。2013年 Andrey和 Nickolay总 结 了 近十余年等离子体对气体、液体点火助燃方面的理论与实验进展，指出等离子体同时具有热效应和化学效应，在提高燃烧效率和扩宽燃烧极限等方面应用前景广阔［15］。2013年 Matsubara等将等离子体炬与介质阻挡放电等离子体同时应用于超声速气流中，实验表明高声速气流需要等离子体热效应稳定火焰，在熄火极限附近则需要化学效应增强稳定性［16］。2014年Aleksandrov等发展了等离子体增强包含 H2、CH4－C5H12燃烧的动力学模型［17］。

目前等离子体点火助燃的研究主要集中在气相、液相和固体凝聚相燃料上［17－20］，尚未发现等离子体增强含硼燃气（具有流动性）在补燃室的二次燃烧的实验研究成果。本文主要在有／无等离子体激励的条件下，开展研究含硼燃气在补燃室的二次燃烧特性实验，通过含硼燃气火焰照片和补燃室压强数据等分析等离子体对含硼燃气燃烧效率的增强作用，力求解决硼颗粒点火燃烧困难、火焰稳定性差以及燃烧效率低等问题，达到提高发动机工作性能的目的。

1 实 验

1．1 实验系统

固冲发动机主要由燃气发生器、进气道、补燃室和冲压喷管等组成，含硼推进剂在燃气发生器中产生一次燃气（贫氧）与进气道的来流空气（补氧）在补燃室进行掺混并二次燃烧，最后经喷管排出。为减小掺混效应重点研究等离子体点火助燃特性，建立了含硼燃气的扩散燃烧物理模型，其中来流空气在煤油加热后经平行进气装置得到整流，使来流空气与燃气平行，得到弱化掺混的作用。补燃室采用横截面100mm×100mm、长635mm的长方体结构以便观测火焰图像，其中观察窗内层采用12mm厚的石英玻璃用作耐高温层，外层采用5mm厚的有机玻璃用作保护层，从而提高玻璃窗整体的耐温性和耐冲击性，燃气发生器喉径为3．5mm，冲压喷管喉径为30mm。图1所示为实验装置总体示意图。

图1 扩散燃烧实验模型Fig．1 Experimental model of diffusion combustion

一次燃气经长尾管喷出后沿补燃室中心轴线向外扩散，来流空气向内扩散，当硼颗粒（一次燃气中存在大量未燃的硼颗粒）到达燃气与来流空气的交界处时，满足了其高温富氧的点火条件，从而发生二次点火燃烧。等离子体炬与补燃室前段底部成角度60°，将等离子体（工质气体为空气）以旋转方式喷射到补燃室，高能电子经过一系列的物理化学反应产生大量活性粒子，增强含硼固冲发动机的燃烧过程。实验系统如图2所示，等离子体系统包括等离子体发生器、等离子体电源、工质气体供给装置和冷却水系统等。

图2 实验系统图（加等离子体炬）Fig．2 Experimental system diagram （adding plasma torches）

1．2 测量系统

实验数据采集系统包括德维创DEWE－2010、基于LABVIEW平台开发的采集和控制来流空气参数的采集系统以及若干种传感器。采样频率为1 000次／秒，主要采集燃气发生器静压、补燃室4个不同截面的总压和静压以及来流空气的静压和温度等参数。并利用高速摄影仪和光谱仪测量补燃室的含硼燃气扩散燃烧过程，高速摄像仪采用Vision Research公司生产的型号Phantom v711，尼康50mm f／1．8DAF Nikkor镜头，分辨率为1 280×352，速度为800fps（1fps＝1帧／秒），曝光时间为15μs，光圈F11。图3为德维创公司生产的DEWE－2010便携式高速数据采集设备及其操作界面。

图3 数据采集系统DEWE－2010Fig．3 Data acquisition system DEWE－2010

1．3 数据处理方法

1．3．1 燃烧效率

燃烧效率是固冲发动机的重要参数，反映了含硼富燃料推进剂的燃烧性能，通过计算加入等离子体前后得到的燃烧效率判断等离子体点火助燃的有效性。

根据特征速度定义的燃烧效率为

定义特征速度为

GPS技术已经被广泛应用于社会发展中的各个领域中，建筑行业、勘探行业、交通运输业及房产行业等涉及了GPS技术的应用。GPS技术中融入了信息技术、通信技术、定位技术等多种技术方法，可以通过不同技术的综合运用，提高测绘成果的精准度，保证测绘工作的效率及质量。在GPS技术的应用过程中，其信息处理环节是关键技术环节，通常通过建立数据库的方式，完成对信息的收集、处理及分析，最后利用计算机软件，建立测绘区域的地理信息模型，最后绘制完整的图形，展示在决策者的面前，为之后的工作提供有效的数据参考[1]。

1．3．2 实验参数

1）根据燃气发生器的压强曲线获得工作时间t0。

2）以工作时间t0为标准，由药柱质量m0和工作后的药柱残渣mr和包覆mc之差求得燃气的流量＝ （m0－mr－mc）／t0，和分别表示来流空气的流量和等离子体炬的工质气体的流量。

3）燃气发生器在时间t0内的工作压强曲线积分平均求得燃气发生器的平均压强p0。

4）燃烧室在时间t0内的工作压强曲线积分平均求得燃烧室的平均压强为总压。

5）根据实验测得来流空气的总温T＊、总压p＊、限流喉道直径为20．5mm、面积 Ag＝330mm2、计算流量mg＝Kp＊Ag／，积分平均求得来流空气的流量 mg。

2 实验结果与分析

实验过程：①来流空气达到预定的温度、压强和流量；②打开等离子体系统，等离子体工作；③燃气发生器点火，产生一次燃气经长尾管进入补燃室开始二次燃烧；④二次燃烧5s后，等离子体系统停止放电，等离子体停止工作；⑤5s后，补燃室停止燃烧，发动机停止工作。需要指出的是等离子体发生器的工质气体的存在时间是固冲发动机的整个工作期间，排除了此部分气流单独对补燃室压强的影响。

2．1 模拟来流空气结果

为了模拟固冲发动机工作的环境，需要对来流空气进行精确的温度、压力和流量控制，较准确地模拟导弹飞行时所捕获的空气。采用煤油直接燃烧加热来流空气，将来流空气加热到预定温度，同时固定喉道直径通过控制电磁阀门开关控制来流压强，从而达到控制流量的目的。来流参数的实验结果如图4～图6所示。

图4 来流温度随时间的变化Fig．4 Inflow temperature vs time

图5 来流总压随时间的变化Fig．5 Inflow total pressure vs time

图6 来流流量随时间的变化Fig．6 Inflow mass flux vs time

可见，来流空气温度平稳，平均值为581．5K；来流空气压强平稳，总压平均值为0．529 8MPa；来流空气流量平稳，平均值为0．292 9kg／s。模拟来流空气各参数值浮动不超过1%，满足固冲发动机工作环境对来流空气的参数要求，且参数变化小排除了来流空气对含硼燃气燃烧效率的影响。

2．2 光学测量

在实验过程中利用高速摄影拍摄补燃室4个窗口，为降低等离子体发光强度对含硼燃气二次燃烧图像的影响，将曝光时间和光圈分别调整为15μs和F11，得到含硼扩散燃烧实验过程的火焰图像如图7所示，其中图7（a）为发动机点火前等离子体已经开始工作的图像，没有拍摄到明显的等离子体炬（红圈区域为等离子体炬的工作区域），排除了等离子体发光强度的影响；图7（b）为等离子体工作以及含硼燃气同时燃烧的图像；图7（c）为断开等离子体后仅有含硼燃气二次燃烧的图像。对比图7（a）、图7（b）和图7（c）可以看出，加入等离子体后，等离子体炬本身没有造成补燃室出现明显亮度，当燃气二次燃烧同时加等离子体，等离子体促进含硼燃气二次燃烧使得补燃室发光强度明显增强；并且出现硼完全燃烧时特有的绿色火焰。

图7 含硼燃气燃烧火焰照片Fig．7 Images of boron－based gas flame

2．3 压力参数测量

发动机点火后，燃气发生器压强快速上升，达到峰值后迅速下降，压力峰值为3．417 9MPa，此为点火药快速燃烧引起的压强变化。当压强缓慢上升时表明推进剂开始燃烧，由于凝聚相的沉积，燃气发生器喷管喉径减小，导致压强出现缓慢上升趋势。结果如图8所示，燃气发生器平均压强为1．441 6MPa，工作时间为8．55s。

一次燃气经长尾管进入补燃室与来流空气进行二次燃烧，由于亚声速燃烧，补燃室4个不同截面的静压p1～p4和总压p＊1～p＊4在数值上基本相同，如图9和图10所示。补燃室压强变化趋势与燃气发生器基本一致，缓慢上升。前半部分为加等离子体后补燃室的压强变化，当断开等离子体时（188．39s），原本缓慢上升的补燃室总压、静压出现突降台阶，总压由0．315 4MPa降为0．295 1MPa，压力突降0．022 3MPa，降低约7．07%。说明等离子体可以提高含硼燃气二次燃烧的补燃室压强。

图8 燃气发生器的压强变化Fig．8 Pressure history of fuel－rich gas generator

图9 补燃室的静压变化Fig．9 Static pressure history of afterburning chamber

图10 补燃室的总压变化Fig．10 Total pressure history of afterburning chamber

2．4 实验数据

依据2．3节所示方法对该实验结果进行数据处理，得到实验参数如表1所示。

可见，空燃比13．60时，等离子体可以使固冲发动机补燃室的压强由0．295 1MPa上升到0．315 4MPa，相应的实验特征速度分别为659．7m／s和705．1m／s；理论特征速度由 CEA软件计算得到1 151．3m／s；相应的燃烧效率分别为57．30%和61．24%，等离子体提高燃烧效率3．94%。此固冲发动机实验系统的燃烧效率相对较低，主要是由于该发动机补燃室尺寸长度较短，含硼燃气未能充分燃烧；扩散燃烧系统减弱了来流空气的掺混效应，从而影响了发动机的燃烧效率。

在相同实验条件下进行了5次实验，仅更改等离子体的放电功率，研究放电功率对含硼固冲发动机燃烧效率的影响。

表1 实验结果数据分析Table 1 Data analysis of experimental results

定义燃烧效率的增长率φ为

式中：ηplasma为加入等离子体后得到的固冲发动机燃烧效率；η0为不加等离子体时得到的固冲发动机燃烧效率。等离子体放电功率对燃烧效率增长率的影响如图11所示。

图11 放电功率对含硼固冲发动机燃烧效率的影响Fig．11 Effect of plasma discharge power on combustion efficiency of boron－based solid ducted rocket

可见，当增加等离子体的放电功率时，活性粒子浓度增多，活性粒子参与含硼燃气的二次燃烧过程，有利于硼颗粒能量的进一步释放，从而提高了含硼固冲发动机的燃烧效率。但当功率过高时，发动机燃烧效率增加率增加不明显，因此等离子体炬助燃需要根据固冲发动机的参数进行优化。

3 结 论

提出并验证了等离子体应用于固冲发动机的方法，建立了相应的实验和测量系统，利用高速摄影仪和燃气发生器、补燃室的压强测量采集系统，分析了等离子体条件下含硼燃气二次燃烧的火焰图像和燃烧效率。

1）模拟来流空气参数稳定，各参数值浮动不超过1%，温度、总压和流量分别为581．5K、0．529 8MPa和0．292 9kg／s，满足固冲发动机工作环境对来流空气的参数要求。

2）利用高速摄影仪拍摄补燃室含硼燃气的二次燃烧过程，可以看出加入等离子体后火焰面更宽且稳定。在设定的光圈和曝光时间下，图像显示等离子体炬没有明显的亮光，而当含硼燃气进入补燃室时，等离子体作用于含硼燃气使含硼燃气发生更剧烈地燃烧，图像显示火焰更加明亮和稳定，并且出现硼完全燃烧时特有的绿色火焰，说明等离子体可以促进硼的点火燃烧。

3）断开等离子体补燃室总压和静压出现突降台阶，总压由0．315 4MPa降为0．295 1MPa，压强突降0．022 3MPa，降低约7．07%；通过特征速度计算燃烧效率，可知等离子体可以使含硼燃气的燃烧效率由57．30%增加为61．24%，燃烧效率提高3．94%。放电功率越高，固冲发动机燃烧效率的增长率越高，达到了提高发动机工作性能的目的；但当放电功率过高时，发动机燃烧效率增加率增加不再明显，因此等离子体炬助燃需要根据固冲发动机的参数进行优化。

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Experimental analysis on plasma assisted secondary combustion of boronbased gas

ZHANG Peng1，HONG Yanji1，＊，DING Xiaoyu1，JI Hailong2
1．State Key Laboratory of Laser Propulsion ＆Application，Equipment Academy，Beijing 101416，China
2．Science and Technology on Combustion，Internal Flow and Thermal－Structure Laboratory，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

In order to research the influence of plasma on the secondary combustion characteristic of boron－based gas in the afterburning chamber，a diffusion combustion experimental model which can exclude the mixing effect of intake air on the boron－based gas is designed and built．The flame image of boron－based gas secondary combustion is measured by the highspeed photographic apparatus to analyze the degree of brightness of the flame and the flame shape；the total pressure and static pressure of different cross－sections in the combustion chamber are measured to analyze the combustion efficiency of boron－based propellant under the influence of plasma．The results show that when adding plasma torch at the secondary combustion of boron－based gas，the combustion efficiency of boron－based gas increases and the boron－based flame is brighter；the abrupt decrease in the total pressure and static pressure appears when turning the plasma torch off．These show that the chemical reaction rate of boron－based gas increases with plasma，and the combustion efficiency of boron－based propellant in the solid rocket ramjet increases with plasma，which leads to the increase of the total pressure and static pressure with plasma；the combustion efficiency increases with the growth of discharge plasma power．

plasma torches；ducted rocket engines；boron；afterburning chamber；diffusion flames

2015－09－13；Revised：2015－10－25；Accepted：2015－11－17；Published online：2016－01－31 12：57

URL：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160131．1257．010．html

National Natural Science Foundation of China（11372356）

V435

A

1000－6893（2016）09－2721－08

10．7527／S1000－6893．2015．0350

2015－09－13；退修日期：2015－10－25；录用日期：2015－11－17；网络出版时间：2016－01－31 12：57

www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160131．1257．010．html

国家自然科学基金 （11372356）

＊通讯作者．Tel．：010－66364438 E－mail：hongyaniji＠vip．sina．com

张鹏，洪延姬，丁小雨，等．等离子体增强含硼燃气二次燃烧实验分析［J］．航空学报，2016，37（9）：27212－728．ZHANG P，HONG Y J，DING X Y，et al．Experimental analysis on plasma assisted secondary combustion of boronb－ased gas［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2016，37（9）：27212－728．

张鹏 男，博士研究生。主要研究方向：等离子体点火助燃技术。

E－mail：zhangpengtf＠126．com

洪延姬 女，博士，研究员，博士生导师。主要研究方向：先进推进技术。

Tel．：010－66364438

E－mail：hongyanji＠vip．sina．com

＊Corresponding author．Tel．：010－66364438 E－mail：hongyanji＠vip．sina．com