劉道坤，周勝兵，劉鄉(xiāng)蕓，馬 虎

(1.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所， 上海 201109； 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094 )

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一種基于爆震燃燒形式的新概念發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]。這類發(fā)動(dòng)機(jī)不僅具有爆震燃燒所具有的優(yōu)勢(shì)，如熱循環(huán)效率高和能量釋放率高等，還具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作頻率高、產(chǎn)生的推力穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)推力矢量調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)[3]。相對(duì)于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，只需單次點(diǎn)火即可連續(xù)工作并產(chǎn)生穩(wěn)定的推力。因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。

如何在最短時(shí)間和距離內(nèi)形成穩(wěn)定自持傳播的爆震波，對(duì)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)有效長(zhǎng)度、延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間等方面具有重要的意義,也是目前旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域的熱門之一。應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)上的起爆方式較多[6-7]，其中預(yù)爆震管起爆以具有能量釋大、效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。在實(shí)際工程應(yīng)用中，國(guó)防科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)以及南京理工大學(xué)，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室等諸家國(guó)內(nèi)外單位在預(yù)爆震起爆旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)等應(yīng)用方面做過很多工作[8-18]。但是以上研究都沒有對(duì)預(yù)爆震管的工作特性以及影響管內(nèi)爆震波形成與發(fā)展的影響因素進(jìn)行探索。

本文將以動(dòng)態(tài)填充燃料和氧化劑的實(shí)驗(yàn)方法探索預(yù)爆震管的工作特性，并詳細(xì)分析不同阻塞比、不同管徑和不同當(dāng)量比工況下，預(yù)爆震管內(nèi)爆震波的形成以及發(fā)展過程。以期為進(jìn)一步研究旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)特性提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本文所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由預(yù)爆震管、燃料供給系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作示意圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，實(shí)驗(yàn)過程中分別通過工質(zhì)供給系統(tǒng)注入預(yù)爆震管中。為了更加接近預(yù)爆震管實(shí)際工作工況，所述實(shí)驗(yàn)均采用動(dòng)態(tài)氣體填充模式，即在實(shí)驗(yàn)開始點(diǎn)火階段前，控制系統(tǒng)預(yù)先開啟燃料與氧化劑供給系統(tǒng)閥門，使預(yù)爆震管內(nèi)預(yù)先填充燃料與氧化劑預(yù)混氣體，同時(shí)保證爆震管右端平滑開口，降低出口爆震波反射。預(yù)爆震管頭部布置一支點(diǎn)火能量為50 mJ火花塞用于點(diǎn)火起爆。預(yù)爆震管尾部出口附近布置兩支PCB高頻壓力傳感器，其靈敏度0.725 mV/kPa，諧振頻率大于550 kHz，感應(yīng)端面承受最大瞬時(shí)溫度1 650 ℃。在本實(shí)驗(yàn)中所有壓力傳感器信號(hào)均使用NI公司的USB-6366高頻數(shù)據(jù)采集模塊(DAQ)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，NI高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有領(lǐng)先的USB總線技術(shù)且同步8通道模擬信號(hào)輸入，最大單通道采樣頻率為2 M/S，具有16位ADC分辨率。本文所用預(yù)爆震管長(zhǎng)度為500 mm，兩支壓力傳感器安裝座1和2之間相距100 mm，其中傳感器2距離預(yù)爆震管出口50 mm，且壓力傳感器采用平齊安裝模式，使得爆震波能平滑的掃過傳感器感應(yīng)端面，盡量減小了傳感器對(duì)爆震波面的干擾，且合理設(shè)置兩次實(shí)驗(yàn)間隔，降低壁面溫度升高帶來的熱沖擊對(duì)傳感器工作性能的影響，充分發(fā)揮了高頻測(cè)壓系統(tǒng)的高頻特性。

2 實(shí)驗(yàn)過程與分析

2.1 阻塞比對(duì)預(yù)爆震管工作特性的影響

為了研究阻塞比對(duì)預(yù)爆震管工作特性的影響，本節(jié)采用內(nèi)徑為12 mm，管長(zhǎng)為500 mm的預(yù)爆震管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，且設(shè)置上游燃料與氧化劑質(zhì)量流率恒定。預(yù)爆震管阻塞比示意圖如圖2所示，其中阻塞比Br定義為Shchelkin螺旋截面阻塞面積與預(yù)爆震管面積的比值，其計(jì)算方式依據(jù)式(1)；

(1)

其中R3表示預(yù)爆震管外壁面半徑，R2表示預(yù)爆震管內(nèi)壁面半徑，R1為擾流彈簧螺旋內(nèi)徑。

圖2 擾流螺旋阻塞比示意圖

本文所述實(shí)驗(yàn)過程中均選擇相同材質(zhì)和節(jié)距的Shchelkin螺旋結(jié)構(gòu)作為擾流裝置，且Shchelkin螺旋均采用頂端安裝方式進(jìn)行填塞，其安裝位置示意圖如圖3。

圖3 Shchelkin擾流螺旋安裝示意圖

表1所示為本次試驗(yàn)過程中3組不同阻塞比工況下實(shí)驗(yàn)參數(shù)與計(jì)算結(jié)果。

表1 不同阻塞比條件下的實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果

圖4～圖6顯示了3組工況下所測(cè)爆震管出口壓力曲線圖?？梢钥闯觯汗r1條件下，最大壓力峰值為1.5 MPa，計(jì)算管內(nèi)爆震波傳播速度為2 083 m/s，爆震波最大壓力峰值和傳播速度較工況2和工況3條件下低。從圖4所示壓力曲線可以看出，點(diǎn)火成功后壓力傳感器1所測(cè)壓力峰值為1.0 MPa，壓力傳感器2所測(cè)的壓力峰值為1.5 MPa，說明該工況下預(yù)爆震管內(nèi)爆震波在傳播過程中存在發(fā)展階段，其強(qiáng)度不斷得到加強(qiáng)，當(dāng)繼續(xù)增大阻塞比為35.4%時(shí)，管內(nèi)爆震波最大壓力值與傳播速度也隨之增大，該工況下爆震波傳播過程與工況1傳播模態(tài)類似，爆震波也存在一個(gè)逐漸強(qiáng)化的過程，計(jì)算爆震波傳播速度與最大壓力峰值為2 272 m/s和1.8 MPa，較工況1分別提高9%與20%。當(dāng)再次增加阻塞比為44%時(shí)，在點(diǎn)火成功過后，預(yù)爆震管內(nèi)能一次快速誘導(dǎo)形成爆震波，不存在爆震波強(qiáng)化發(fā)展過程，沿程壓力不斷上升，壓力傳感器所測(cè)爆震波局部壓力峰值達(dá)到2.5 MPa，計(jì)算傳播速度為2 340 m/s。實(shí)驗(yàn)表明：在本文所述工況下，在預(yù)爆震管內(nèi)布置合適的擾流裝置可以有效提高管內(nèi)爆震波傳播速度和強(qiáng)度，且爆震波壓力和傳播速度與管內(nèi)擾流裝置阻塞比成正比，主要因?yàn)辄c(diǎn)火成功后預(yù)爆震管內(nèi)擾流裝置增加了管內(nèi)流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)和湍流燃燒強(qiáng)度，在一定程度上激發(fā)了爆震波的傳播和發(fā)展；同時(shí)本次試驗(yàn)工況下，采用動(dòng)態(tài)填充方式進(jìn)行燃料與氧化劑裝填后，流動(dòng)的工質(zhì)會(huì)在一定范圍內(nèi)強(qiáng)化燃燒火焰的湍流度，促進(jìn)了爆震波的傳播與發(fā)展。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，相比理論氫氧CJ爆震速度2 835 m/s而言，動(dòng)態(tài)填充模式下因試驗(yàn)所用預(yù)爆震管一段開口，預(yù)爆震管內(nèi)的氫氧預(yù)混工質(zhì)在沿出口方向有宏觀運(yùn)動(dòng)速度，導(dǎo)致預(yù)混工質(zhì)在一定程度上有所損失，因此本試驗(yàn)工況下爆震波傳播速度存在一定虧損。

圖4 Br=25%工況下壓力曲線

圖5 Br=35.4%工況下壓力曲線

圖6 Br=44.4%工況下壓力曲線

2.2 管徑對(duì)預(yù)爆震管實(shí)驗(yàn)特性的影響

為研究預(yù)爆震管管徑對(duì)其工作特性的影響，本節(jié)試驗(yàn)分別采用內(nèi)徑為6 mm、12 mm和22 mm的3種預(yù)爆震管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本次試驗(yàn)工況下不安裝擾流裝置，且設(shè)置上游燃料與氧化劑質(zhì)量流率恒定，其他參數(shù)均與2.1節(jié)實(shí)驗(yàn)工況保持相同，具體工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同管徑條件下實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果

圖7～圖9為3種不同工況下所測(cè)預(yù)爆震管內(nèi)壓力曲線圖，從曲線圖及表2計(jì)算結(jié)果中可以看出：不同管徑工況下預(yù)爆震管內(nèi)計(jì)算爆震波傳播速度及局部最大壓力峰值與管徑成正比，保持其他參數(shù)不變，當(dāng)預(yù)爆震管管徑達(dá)到22 mm時(shí)，爆震波的壓力峰值達(dá)到2.3 MPa，計(jì)算爆震波傳播速度為2 571 m/s，且該工況下管內(nèi)爆震波傳播過程中同樣存在逐漸強(qiáng)化的過程。同種工況下當(dāng)預(yù)爆震管管徑為12 mm時(shí)，爆震波壓力峰值為1.5 MPa，計(jì)算傳播速度為1 923 m/s，該工況下的爆震波壓力和計(jì)算傳播速度較工況3分別下降了34%和25%。

圖7 管徑22 mm工況下壓力曲線

圖8 管徑12 mm工況下壓力曲線

圖9所示為工況1條件下管內(nèi)爆震波壓力曲線圖，該工況下爆震波計(jì)算傳播速度為1 760 m/s，爆震波壓力峰值為1.4 MPa，且該工況下爆震波壓力和計(jì)算傳播速度較工況3分別下降了39%和31%。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出：預(yù)爆震管的管徑越大，爆震波傳播過程中，其壓力越高，計(jì)算傳播速度越大，同時(shí)小管徑預(yù)爆震管也能一次性誘導(dǎo)形成爆震波，主要是該工況下使用氫-氧預(yù)混氣體，其工質(zhì)活性較高，能在短時(shí)間內(nèi)快速形成爆震波，但是，較小管徑工況下，壁面反射激波聚焦以及邊界層的相互作用對(duì)爆震管內(nèi)爆震波的傳播與發(fā)展有一定的阻滯作用，加上工質(zhì)動(dòng)態(tài)填充模式使得該工況下計(jì)算爆震波傳播速度以及強(qiáng)度較小且衰減較快，爆震波在該工況下難以自持傳播。

圖9 管徑6 mm工況下壓力曲線

2.3 當(dāng)量比對(duì)預(yù)爆震管工作特性的影響

為驗(yàn)證推進(jìn)劑工質(zhì)當(dāng)量比(當(dāng)量比∶工質(zhì)完全燃燒的所需燃料量與氧化劑量之比)對(duì)預(yù)爆震管工作特性的影響，本節(jié)實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為12 mm爆震管進(jìn)行研究，其他參數(shù)保持不變，且不安裝擾流裝置，實(shí)驗(yàn)過程中保持預(yù)爆震管右段開口以及上游氫氣與氧氣供氣源壓力恒定，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的時(shí)序控制單元以及氫氣與氧氣兩支輸氣管路中控制閥門而獲得不同工況下工質(zhì)流量，表3給出本次實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果。

表3 不同當(dāng)量比條件下的實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)與計(jì)算結(jié)果

圖10～圖12顯示了3組工況下傳感器所測(cè)到管內(nèi)爆震波瞬時(shí)壓力曲線圖，可以看出，當(dāng)量比為0.8時(shí)，兩支壓力傳感器所測(cè)爆震波壓力相當(dāng)，即管內(nèi)爆震波在傳播過程中沿程不存在明顯的壓力躍升階段，且爆震波壓力衰減較快，其主要是因?yàn)樵谳^低當(dāng)量比工況下，預(yù)混工質(zhì)的活性較低，從而延長(zhǎng)了爆燃轉(zhuǎn)捩為爆震的時(shí)間，此外，當(dāng)工質(zhì)采用動(dòng)態(tài)填充時(shí)，由于燃料與氧化劑工質(zhì)爆震管內(nèi)預(yù)混氣體的宏觀流速也會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)劑活性降低，管內(nèi)存在一定的能量和總壓損失，因此對(duì)爆震波的傳播和發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。

圖10 當(dāng)量比0.8工況下壓力曲線

圖11 當(dāng)量比1.0工況下壓力曲線

圖12 當(dāng)量比1.4工況下壓力曲線

將當(dāng)量比提高為1.0時(shí)，從圖11中可以看出：第一支壓力傳感器所測(cè)爆震波壓力為1.0 MPa，第二支壓力傳感器所測(cè)爆震波傳播壓力峰值達(dá)到1.7 MPa，計(jì)算傳播速度為1 923 m/s，說明在管內(nèi)爆震波傳播過程中存在一個(gè)快速發(fā)展的階段。繼續(xù)提高燃料與氧化劑的當(dāng)量比，其壓力曲線圖如圖12所示，即在工況3條件下，計(jì)算管內(nèi)爆震波波速達(dá)到2 380 m/s，壓力達(dá)到2.06 MPa，且該工況下，管內(nèi)能一次誘導(dǎo)形成爆震波，實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)量比為1.4時(shí)，在相同條件下氫氣的質(zhì)量流率變大，工質(zhì)的活性較高，富燃條件下在一定程度上提高了混合物的反應(yīng)強(qiáng)度和能量釋放率，使得管內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)更加充分，因此，在一定程度上促進(jìn)了爆震波形成與發(fā)展。

3 結(jié)論

1) 本文所述實(shí)驗(yàn)工況下，一定的阻塞比范圍內(nèi)，計(jì)算爆震波速和壓力與阻塞比成正比，即恰當(dāng)阻塞比有利于誘導(dǎo)爆震波的形成與發(fā)展。

2) 本文所述實(shí)驗(yàn)工況下，一定的管徑范圍內(nèi)，計(jì)算爆震波速和壓力與管徑成正比，當(dāng)預(yù)爆震管管徑為22 mm時(shí)，預(yù)爆震管出口壓力達(dá)到2.3 MPa，傳播速度為2 571 m/s。

3) 本文所述實(shí)驗(yàn)工況下，增加混合物當(dāng)量比，有利于提高反應(yīng)工質(zhì)的活性而快速誘導(dǎo)爆震波的形成，在當(dāng)量比為1.4時(shí)，爆震波的傳播速度為2 380 m/s，壓力達(dá)到2.06 MPa。