PMMA激光點火特性研究①

朱國強，鞠玉濤，周長省，成紅剛

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

PMMA激光點火特性研究①

朱國強，鞠玉濤，周長省，成紅剛

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

采用CO2激光點火實驗系統，研究了常壓下PMMA的點火過程以及點火延遲時間與點火熱流密度的關系。研究結果表明，隨點火熱流密度的增加，PMMA的點火延遲時間減少;當點火熱流密度大于286 W/cm2時，熱流密度對點火延遲時間的影響變小;當點火熱流密度較低時，點火延遲時間隨著熱流密度的減小而急劇增加，且存在點火的最低能量閾值。最后，給出了常壓下熱流密度范圍為70～881 W/cm2內的PMMA點火延遲時間與點火熱流密度的數學關系式。

PMMA點火;激光點火;點火延遲;點火熱流密度

0 引言

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)由于其價格便宜、易加工和燃燒燃氣清潔，近年來被作為碳氫類富燃固體推進劑，廣泛應用于固體燃料亞燃和超燃沖壓發動機。在這一領域，以色列［1-2］對以PMMA為燃料的亞燃沖壓發動機進行了實驗研究，揭示了燃燒室內的燃燒特性和燃料退移規律。Angus等［3］則對以PMMA為燃料的超燃沖壓發動機進行了實驗研究。研究表明，燃氣與超聲速空氣氣流的混合條件對超聲速燃燒效率有顯著影響。Tahsini A M［4］以流固耦合方法，對突擴臺階后PMMA平板的點火過程進行了數值模擬研究。研究表明，強熱流而時間短的點火器不利于燃料點火向穩定燃燒過渡。夏強等［5］對以PMMA為燃料的固體燃料沖壓發動機燃燒室進行了數值模擬，得到了燃燒室內的流場結構、溫度及組分分布。這些研究大多側重于PMMA的燃燒性能，而沖壓發動機工作過程中，PMMA的點燃及向穩態燃燒的過渡是沖壓發動機設計中需要考慮的重要環節。目前，國內未見關于PMMA點火過程特性的研究報道。

激光作為研究推進劑點火特性的點火源，已在國內外廣泛應用。Ulas A等［6］采用CO2激光點火系統，研究了氣體發生器用6種不同推進劑的點火性能，建立了點火延遲時間與激光熱流密度關系的數學表達式。徐浩星等［7］應用 CO2激光點火器，研究了丁羥推進劑中氧含量、燃速等因素及激光點火熱通量與點火延遲時間之間的關系。

本文在這一背景下，采用CO2激光點火系統，開展了PMMA點火過程的實驗研究，揭示PMMA整個點火過程中的物理化學現象，研究熱流密度與點火延遲時間之間的關系，為PMMA點火機理分析提供實驗依據，也為沖壓發動機的點火系統設計提供必要基礎。

1 實驗設備及方法

1.1 試件制備

PMMA由甲基丙烯酸甲酯單體聚合而成，高度透明且易加工。本實驗原材料取至同一5 mm厚的高純度PMMA平板，保證其點火表面為統一拋光面，采用激光切割方法，加工成圓柱形樣品，其尺寸為φ10 mm×5 mm，如圖1所示。去除表面有瑕疵的殘次品，共取55個實驗樣品，分為11組。

圖1 PMMA實驗樣品Fig.1 PMMA experimental samples

1.2 實驗系統

實驗系統如圖2所示。采用可調功率的CO2激光器作為點火源，激光光斑直徑為3 mm。點火實驗裝置為帶觀察窗的圓柱形燃燒室，其內腔結構尺寸為φ200 mm×500 mm。由于體積足夠大，而PMMA樣品質量較小，點火過程中燃燒室內的壓強變化可忽略不計。

圖2 實驗系統簡圖Fig.2 The experiment system diagram

采用光電管及瞬態采集系統記錄火焰產生過程，同時用高速錄像系統記錄點火全過程。激光器出光和加載總時間由激光控制器控制，出光信號由瞬態采集系統1路記錄作為激光加載初始時間，同時出光信號經放大點亮發光二極管，作為高速錄像記錄的激光加載初始時間。光電管將樣品出現的初始火焰光轉化為電信號，由瞬態采集系統2路記錄作為點火判據，同時由高速錄像系統記錄PMMA樣品氣化、起火和燃燒過程。

1.3 實驗方法

激光能獨立于壓強、初溫、氛圍氣體及推進劑組分等因素改變熱流密度，使得測試結果具有很高的可比性。由于在PMMA點火過程中，影響PMMA傳熱、分解和燃燒的主要因素是加載的熱流密度，因而文中著重研究熱流密度對PMMA點火過程的影響。

實驗在常溫20℃大氣環境下進行。實驗前，采用激光功率計對CO2激光功率進行標定;實驗中，激光持續加載時間遠大于點火延遲時間。定義點火延遲時間為激光開始加載到PMMA樣品表面出現第一束火焰的時間。高速錄像采用240幀/s進行拍攝。

實驗中，分別選取 60、70、120、158、204、232、286、460、603、746、881 W/cm211 種激光熱流密度;為考察點火延遲時間的重復性，每種熱流密度下做5次實驗。

2 實驗結果及分析

2.1 測量方法分析

圖3為激光熱流密度為204 W/cm2時測得PMMA點火過程的光電曲線。其中，縱坐標為光電傳感器測得的電壓值。由圖3可見，采用光電測量方法輸出是典型的階躍信號，可準確判讀激光加載和起火的時間點，測得的點火延遲時間為213 ms。

圖3 點火過程的光電信號(激光熱流密度為204 W/cm2)Fig.3 The photoelectric signal of ignition process(laser heat flux is 204 W/cm2)

2.2 點火過程機理分析

由文獻［8］可知，在空氣環境中，PMMA在高溫分解時的產物主要為可燃性氣體MMA，即單體甲基丙烯酸甲酯(化學式為C5H8O2)。

圖4所示為高速錄像記錄的在熱流密度為204 W/cm2激光輻射下，PMMA點火過程中幾個關鍵時刻。其中，圖4(a)所示為LED燈剛點亮，記錄為激光加載初始時刻0 ms;圖4(b)所示為75 ms時PMMA試樣表面開始析出高溫可燃性MMA氣體;圖4(c)所示為持續分解出的產物MMA氣體在空氣中自然對流上升擴散;圖4(d)所示為212.5 ms時MMA氣體被點燃，并產生第一束火焰;圖4(e)所示為火焰向下傳播;圖4(f)所示為PMMA在激光持續作用下穩定燃燒。

圖4 PMMA點火過程圖像(激光熱流密度為204 W/cm2)Fig.4 PMMA ignition process images(laser heat flux is 204 W/cm2)

可見，當PMMA受熱后，表面熱量快速積累，溫度迅速升高，并分解出MMA氣體。隨后，MMA氣體在空氣中自然對流上升逐漸形成橢球狀氣團。在這過程中，激光能量一部分被MMA氣體吸收，從而使MMA氣體溫度持續升高，另一部分被PMMA吸收，從而使其維持分解反應，當MMA氣體濃度和溫度到達閾值時，MMA氣體被點燃。激光持續加載，PMMA可穩定燃燒，但當激光關閉后，火焰很快熄滅，說明外界熱流的持續作用對PMMA建立穩定燃燒起著主導作用。

2.3 熱流密度對點火延遲時間影響分析

不同激光熱流密度下的PMMA點火延遲時間實驗結果如表1所示。低熱流密度下，5次點火延遲時間的相對標準差在9%以下，而高熱流密度下，則達到4%以下，說明實驗結果的重復性較好。

由表1和圖5可知，隨激光熱流密度的增加，PMMA的激光點火延遲時間顯著減小。這是由于增加激光熱流密度，加快了PMMA樣品表面溫度的升高，PMMA的熱分解速率加快，可燃性MMA氣體產生流率加大，最終使得點火延遲時間減小。但熱流密度較高時，這種效應不明顯，當熱流密度大于286 W/cm2時，由熱流密度引起的點火延遲時間的差別很小，這說明PMMA的惰性加熱和分解吸熱達到平衡狀態，這一值可作為沖壓發動機點火器設計的閾值。當熱流密度較低時，點火延遲時間隨著熱流密度的減小而急劇增加。PMMA樣品在60 W/cm2激光熱流密度作用下，不論輻射多長時間都不能點火，樣品只是不斷分解出少量的氣體，無火焰產生，說明PMMA在點火過程中存在最低點火能量閾值。

表1 不同激光熱流密度下PMMA樣品的點火延遲時間Table 1 Ignition delay times at various laser heat flux density

圖5 點火延遲時間隨熱流密度的變化Fig.5 Variation curve of ignition delay time with heat flux density

3 點火延遲時間-熱流密度關系

點火延遲時間是表征推進劑點火特性的主要參數，也是沖壓發動機點火系統設計的重要依據。本文實驗中，由于PMMA熱分解的同時，MMA氣體在空氣中自然對流擴散，可將PMMA開始分解到起始火焰前的這段時間定義為分解擴散時間。可知，PMMA的點火延遲時間由惰性加熱時間、分解擴散時間和化學反應時間3部分組成。由實驗高速錄像發現，起始火焰出現在橢球狀 MMA氣團頂面，出現時間在1幀(4.2 ms)以內，說明化學反應時間較短可忽略，點火延遲時間主要由惰性加熱時間和分解擴散時間組成，而固體燃料沖壓發動機在點火過程中與此相近似。因此，本實驗結果獲得的點火延遲時間與點火熱流密度的數學關系式，可在確定沖壓發動機點火系統能量及作用時間等設計參數方面提供計算模型。

目前，國內外未有統一的數學式來表示推進劑點火延遲時間與加載熱流密度之間的關系。本文分別參考文獻［6］和文獻［9］，并依據上述實驗測得的數據，通過最小二乘法來擬合PMMA點火延遲時間計算數學公式，擬合結果如表2所示。表2中，tig為點火延遲時間，ms;a、n、A和B為常數;q為激光熱流密度，W/cm2。

表2 點火延遲時間計算數學公式擬合結果Table 2 Fitting results of ignition delay time mathematical formula

本文采用擬合精度更高的第2個數學式來計算點火延遲時間與點火熱流密度的關系，與實驗結果比較如圖5所示。為驗證經驗公式的合理性與可靠性，補做2組共10次實驗，其點火延遲時間實驗平均值與經驗式計算值對比如表3所示。

由表3可見，擬合得的經驗式具有一定的可靠性，且此數學式適用于點火熱流密度范圍為70～881 W/cm2的PMMA點火延遲時間計算。

表3 點火延遲時間實驗平均值與計算值對比Table 3 Comparison between the experimental average values and calculation values of the ignition delay time

4 結論

(1)PMMA點火延遲時間主要由惰性加熱時間和分解擴散時間組成，而點火熱流密度在整個點火過程中都起著主導作用。

(2)點火延遲時間隨點火熱流密度增大而減小，且存在最低點火能量閾值。當熱流密度較大時，熱流密度對點火延遲時間的影響變小。

(3)在70～881 W/cm2的點火熱流密度范圍內，可采用本文所擬合的經驗式來計算PMMA的點火延遲時間。

(4)對于采用PMMA的沖壓發動機，為保證得到可靠滿意的點火性能，在點火熱流較高的基礎上，應加長其持續作用時間，以完成點火到高壓穩定燃燒的過渡。

［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］夏強，武曉松，陳志剛，等.PMMA在固體燃料沖壓發動機中燃燒特性的數值模擬［J］.固體火箭技術，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，王桂蘭，賈淑霞，等.丁羥推進劑激光點火延遲時間研究［J］.固體火箭技術，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，翁金輝.激光點火過程的簡化解析解［J］.莆田學院學報，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”預先研究項目(404040301)。

朱國強(1983—)，男，博士生，研究固體燃料沖壓發動機技術。E-mail:juyutao@mail.njust.edu.cn

(編輯:崔賢彬)