張留歡，馬化杰，周建平，南向誼，李光熙

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

空氣渦輪火箭發(fā)動機是一種新型組合循環(huán)發(fā)動機，其將火箭發(fā)動機和航空發(fā)動機有機融合[1-2]，采用獨立火箭發(fā)動機產(chǎn)生高溫高壓燃氣直接驅(qū)動渦輪帶動壓氣機工作，實現(xiàn)了壓氣機空氣路與渦輪燃氣路的熱力參數(shù)解耦，發(fā)動機飛行速域?qū)?，加速性能?yōu)，可作為水平起降組合動力高超聲速飛機低速段動力裝置。

美國、日本[3-7]從上世紀80年代開始進行了多種ATR發(fā)動機總體方案設計和試驗研究。其中，CFD研究公司(CFD Research Corporation)完成了ATR發(fā)動機的飛行試驗。國內(nèi)針對ATR發(fā)動機的研究多集中在理論計算和方案設計方面。李文龍[8]、屠秋野[9]等開展了ATR發(fā)動機熱力循環(huán)特性分析，獲得了渦輪落壓比等熱力參數(shù)對ATR發(fā)動機推力性能的影響規(guī)律；陳玉春[10-12]、潘宏亮[13]等進行了ATR發(fā)動機建模與仿真研究，獲得了發(fā)動機設計點與非設計點性能計算方法。

本文著重從推進劑角度切入，研究液體推進劑特性變化對ATR發(fā)動機的影響規(guī)律。根據(jù)推進劑種類數(shù)量，ATR發(fā)動機可分為單組元(無水肼N2H4[14])、雙組元(液氧/液氫、過氧化氫/煤油[15-16])發(fā)動機等。其中，單組元無水肼ATR發(fā)動機推進劑常溫，方便貯存，且發(fā)動機調(diào)節(jié)參數(shù)單一，供應系統(tǒng)簡單，具有較高的工程應用潛力。本文基于無水肼推進劑，給出了單組元ATR發(fā)動機工作方案，研究并獲得了無水肼在燃氣發(fā)生器催化分解中氨解離度變化對ATR發(fā)動機總體性能的影響規(guī)律，對ATR發(fā)動機研究具有一定參考意義。

1 無水肼ATR發(fā)動機

無水肼ATR發(fā)動機主要由進氣道、壓氣機、單組元燃氣發(fā)生器、渦輪、燃燒室、尾噴管及其附件系統(tǒng)組成。ATR發(fā)動機工作過程中，無水肼經(jīng)獨立于空氣流路的燃氣發(fā)生器催化分解產(chǎn)生高溫高壓富氫燃氣，之后驅(qū)動渦輪帶動壓氣機對來流空氣做功，增壓后的空氣與渦輪后燃氣進行摻混，在燃燒室實現(xiàn)點火燃燒，再通過噴管膨脹加速，產(chǎn)生推力。無水肼ATR發(fā)動機結(jié)構(gòu)布局示意圖如圖1所示。

圖1 無水肼ATR發(fā)動機結(jié)構(gòu)布局示意圖Fig.1 Structure sketch of hydrazine ATR

2 氨解離度的影響

無水肼在燃氣發(fā)生器中催化分解為高溫氨氣(NH3)、氫氣(H2)及氮氣(N2)混合氣體，在驅(qū)動渦輪做功后進入燃燒室與來流空氣進行摻混燃燒。由于上述混合氣體中存在NH3，高溫條件下NH3會解離為N2和H2，該解離過程為吸熱過程，解離程度不同，發(fā)生器燃氣溫度不同。用來衡量氨解離程度的參數(shù)叫氨解離度。氨解離度與氣體溫度及催化劑床長有關(guān)。氣體溫度升高，氨解離度增加；催化劑床長增加，氨解離度增加[17]。

2.1 氨解離度對渦輪前燃氣物性影響

氨解離度不同將影響無水肼分解成分比例，使得渦輪前燃氣物性存在差異，進而影響渦輪做功能力。單位摩爾無水肼催化分解化學方程式[17](忽略1%含水量[14])為：

(1)

式中x為氨解離度。式(1)和文獻[17]計算了不同x對應的無水肼分解燃氣溫度和成分占比。圖2給出了當x=0.29，0.42，0.55，0.67，0.8(對應的燃氣總溫分別為1 400 K，1 300 K，1 200 K，1 100 K，1 000 K)時無水肼分解燃氣的物性參數(shù)等數(shù)據(jù)。圖2中顯示，隨著氨解離度升高，無水肼分解燃氣溫度降低，主要是由于氨解離過程為吸熱反應。同時，隨著氨解離度增加，H2，N2在分解混合氣中的質(zhì)量百分比升高，燃氣比熱比k，氣體常數(shù)R數(shù)值升高。

圖2 無水肼分解燃氣物性隨氨解離度變化結(jié)果Fig.2 Parameters of dissociated gas with different dissociated ratios of NH3

2.2 氨解離度對發(fā)動機性能影響

氨解離度直接影響渦輪入口燃氣物性，進而對ATR發(fā)動機工作性能產(chǎn)生影響。根據(jù)文獻[13]建立了無水肼ATR發(fā)動機性能計算模型，給定發(fā)動機設計點(高度H=0 km，馬赫數(shù)Ma=0)參數(shù)如表1所示，計算了不同氨解離度下ATR發(fā)動機比沖性能。

表1 無水肼ATR發(fā)動機設計點參數(shù)(部分)

圖3給出了地面狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速(70%，80%，90%，100%)條件下氨解離度變化對ATR發(fā)動機無水肼分解燃氣流量及比沖影響結(jié)果。圖3中顯示，發(fā)動機比沖隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升而增大。在同一轉(zhuǎn)速下，氨解離度x越小，燃氣流量越小，發(fā)動機比沖越高。在100%物理轉(zhuǎn)速時x=0.29對應的發(fā)動機比沖最高且為808 s，無水肼流量為0.999 kg/s，較x=0.8發(fā)動機無水肼流量減小約7.33%，比沖提高最大約7.3%。

圖3 地面狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速時氨解離度變化影響Fig.3 Performance of ATR on ground state with different revs and dissociated ratios of NH3

圖4給出了100%轉(zhuǎn)速時不同高空狀態(tài)下(7 km/0.8Ma，10 km/1.5Ma，12 km/2Ma，20 km/3Ma，22 km/3.5Ma)氨解離度變化對ATR發(fā)動機比沖影響結(jié)果。圖4中顯示，不同高空條件下發(fā)動機比沖范圍約為550～761 s。同一高空條件下，氨解離度x越小，燃氣流量越小，發(fā)動機比沖越高。其中：在12 km/2Ma條件下,x=0.29時，ATR發(fā)動機比沖達到最高，約為761 s；在22 km/3.5Ma條件下，x=0.29較x=0.8發(fā)動機比沖提高最大約14.6%，無水肼流量減小約8.2%。

圖4 不同高空狀態(tài)下氨解離度變化影響Fig.4 Performance of ATR at high altitude with different revs and dissociated ratios of NH3

式(2)、(3)分別給出了渦輪等熵膨脹功LT和渦輪輸出功率NT的計算式[18]。在渦輪落壓比πt，渦輪效率ηt不變的條件下，LT，NT大小與無水肼分解燃氣定壓比熱容Cp，總溫T*，比熱比k直接相關(guān)，且LT越大，實現(xiàn)相同功率時需要的渦輪燃氣流量(無水肼分解燃氣流量)mf越?。?/p>

(2)

(3)

根據(jù)前文無水肼分解燃氣物性參數(shù)，計算了不同氨解離度對應的渦輪等熵膨脹功，如圖5所示。由圖5可知，隨著氨解離度逐漸減小，渦輪等熵膨脹功逐漸增大，則實現(xiàn)相同渦輪輸出功率時需要的無水肼流量越小。又根據(jù)圖3所示，無水肼流量越小，對應的發(fā)動機比沖越高。因此，在同一ATR發(fā)動機、同一轉(zhuǎn)速下，氨解離度越低，無水肼流量越小，發(fā)動機比沖越高。

圖5 不同氨解離度時渦輪參數(shù)變化結(jié)果Fig.5 Parameters of turbine with different dissociated ratios of NH3

3 結(jié)論

基于空氣渦輪火箭發(fā)動機，開展了氨解離度對渦輪前燃氣及發(fā)動機總體性能的影響研究，對不同氨解離度時無水肼ATR發(fā)動機性能進行計算對比，獲得以下結(jié)論：

1)氨解離度越低，無水肼分解燃氣溫度越高，在同一ATR發(fā)動機、同一轉(zhuǎn)速下，渦輪等熵功越大，無水肼流量越小，發(fā)動機比沖越高。

2)在地面狀態(tài)同一轉(zhuǎn)速下，氨解離度x越小，發(fā)動機比沖越高。在100%物理轉(zhuǎn)速時，x=0.29對應的發(fā)動機比沖最高且為808 s，無水肼流量為0.999 kg/s，較x=0.8發(fā)動機比沖提高最大約7.3%，無水肼流量減小約7.33%。

3)同一高空條件100%轉(zhuǎn)速下，氨解離度x越小，發(fā)動機比沖越高。