固沖發動機補燃室內凝聚相粒子取樣試驗研究①

王增輝，王云霞，康劍飛，陳林泉，張勝勇

(中國航天科技集團公司四院四十一所燃燒、流動和熱結構國家級重點實驗室，西安 710025)

0 引言

固體火箭沖壓發動機工作時會產生大量凝聚相顆粒，而凝聚相顆粒的大小及分布是衡量凝聚程度、燃燒效率、兩相流場計算中一項重要的參數。掌握其分布規律，并以此作為固沖發動機熱力學計算以及兩相流設計研究的前提和基礎，將會大大提高發動機熱力計算和兩相流分析研究的水平，獲得更為準確的發動機理論預示效果［1－2］。因此，可為發動機設計、性能預測和推進劑性能改善提供重要參考數據。

國內外對固體火箭發動機凝相顆粒尺寸分布開展了大量研究工作［3－8］，得到了一些有價值的研究結果。文獻［9］提出了一種固體火箭發動機燃燒室內等動力粒子取樣的方法，該方法克服了粒子在取樣過程中發生聚合、分裂，最后導致失去原有信息的難題，真實重現了燃燒室內粒子形態和粒度分布。

目前，國內還沒有開展固沖補燃室內粒子取樣和分析研究，本文在固體火箭發動機燃燒室內等動力取樣的基礎上發展了一種固沖發動機補燃室內凝目相粒子取樣設備，通過地面直連試驗分析了進氣角度、頭部長度、進氣方式對凝聚相粒子粒度分布影響。

1 實驗系統

等動力凝相粒子取樣裝置是運用等動力學原理工作的裝置，即補燃室與旋流器和攪拌室在工作過程中始終保持等壓強狀態，如圖1所示。

圖1 等動力凝相粒子樣裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of test system

該裝置的工作原理如下:試驗前，預先將旋流器和攪拌室增壓到pc。發動機點火后，當補燃室的壓強接近恒定壓強pc時，打開節流孔圈電磁閥2，燃燒產物開始進入取樣器通道。取樣器通道采用能熱解的物質作成，如聚甲基丙烯酸甲酯。通道長度選擇的依據是保障進入其中的燃燒產物的溫度能降低到1 000 K，并形成冷凝粒子。燃燒產物通過取樣器通道時，壁面開始熱解吸熱，降低燃燒產物的溫度。節流孔圈的作用是保持旋流分離器、攪拌室和發動機燃燒室一直處在同一壓強下，進入取樣通道的燃氣和補燃室壓力相等，粒子保持原有速度并不斷冷卻。因此，在這個過程中減少了粒子間碰撞、粒子與取樣器壁面碰撞造成粒子原始信息失真的幾率。在旋流分離器中，兩相流是切向流入的，通過旋流離心力使大粒子與小粒子分離，實現初步過濾，同時氣流速度減小。氣流流進攪拌室時通過溶液過濾，燃氣中的小粒子就收集于此。

2 試驗方案及結果分析

2.1 試驗方案

開展了固沖發動機補燃室粒子取樣的試驗研究工作。表1為各次實驗的基本參數。

表1 各次實驗基本參數Table 1 The parameters of the examination

2.2 粒子的后處理方法

實驗中收集到的粒子主要存在于旋流分離器和攪拌室中的收集介質(水和酒精的混合液)中，必須將其進行分離得到較純凈的粒子樣品進行分析。為了保證粒子收集的全面性，不遺漏小粒子，每次實驗后，先用蒸餾水沖洗旋流分離器和攪拌室;然后，再用無塵濾紙反復擦拭旋流分離器和攪拌室，防止小粒子附著在這些收集容器的內表面。具體操作方法如下:

(1)點火完畢后，首先倒出攪拌室中的酒精-水混合物;然后，用蒸餾水沖洗旋流分離器和攪拌室的內表面;最后，再用無塵濾紙擦凈其工作表面，防止粒子在收集容器的內表面沉積，影響分析的精確性。收集好酒精-水混和物、沖洗液和無塵濾紙。

(2)用無塵濾紙過濾酒精-水混合物和沖洗液，使粒子附著在無塵濾紙上，收集好濾紙。

(3)將無塵濾紙用坩堝裝好，置于高溫爐中煅燒，保持溫度900℃煅燒8～10 h。煅燒過程中，為防止小粒子的流失，采用2個坩堝對扣的方法，坩堝的材料(陶瓷)相對于粒子來說是化學中性。

2.3 試驗結果

表1中4次實驗過程正常。試驗的p-t曲線如圖2所示。圖2中，曲線1表示取樣器內壓強的變化，曲線2表示燃燒室內壓強的變化。

2.4 試驗結果分析

(1)進氣角度對粒度的影響

頭部長度82 mm，一次進氣，進氣角度分別為30°和60°。粒度分布圖見圖3，曲線1代表30°試驗，曲線2代表60°試驗。電鏡掃描結果見圖4。

結果分析:進氣角度為60°時，其凝相粒子粒徑小于30°時的粒徑，說明B粒子能充分燃燒。30°時，粒度分布曲線有一個小峰值和一個大峰值，而60°時為單峰值。從掃描結果可看出，凝相粒子多為球形。

(2)頭部長度對粒度的影響

進氣角度保持60°不變，采用一次進氣，將頭部長度延長到182 mm。粒度分布見圖5，曲線1代表頭部長度82 mm試驗，曲線2代表頭部長度182 mm試驗。電鏡掃描結果見圖6，圖中2個1 000倍的放大照片中，可明顯看出粒子大小不同。

結果分析:將頭部長度增加到182 mm時，粒度分布出現了多峰分布，在小粒徑處增加了一個峰值，說明頭部增長有利于摻混燃燒。從掃描結果可看出，凝相粒子為球形。

(3)進氣方式對粒度的影響

進氣角度保持60°不變，頭部長度采用182 mm，采用二次進氣方式。粒度分布圖見圖7，曲線1代表一次進氣試驗，曲線2代表二次進氣試驗。電鏡掃描結果見圖8。

結果分析:采用二次進氣方式時的粒徑相對較小，粒徑分布仍是多峰值分布。小粒徑占的比例有所增加，說明二次進氣非常有利于提高燃燒效率。電鏡掃描結果顯示，凝相粒子多為球形。

圖2 實驗壓強曲線Fig.2 The curves of the pressure vs time

圖3 粒度分布曲線Fig.3 The curves of granularity distributing

圖4 實驗掃描電鏡照片Fig.4 SEM image of the sample

圖5 粒度分布曲線Fig.5 The curves of granularity distributing

圖6 實驗掃描電鏡照片Fig.6 SEM image of the sample

圖7 粒度分布曲線Fig.7 The curves of granularity distributing

圖8 實驗掃描電鏡照片Fig.8 SEM image of the sample

3 結論

(1)發展了一種基于等動力原理的固沖補燃室粒子取樣方法。經試驗驗證，該方法能有效開展補燃室內粒子取樣。

(2)進氣角度為60°時，其凝相粒子粒徑小于30°時的粒徑。30°時，粒度分布曲線有一個小峰值和一個大峰值，而60°時為單峰值。

(3)將頭部長度增加到182 mm時，粒度分布出現了多峰分布，在小粒徑處增加了一個峰值，說明頭部增長有利于摻混燃燒，凝相粒子為球形。

(4)采用二次進氣方式時，粒徑相對較小，粒徑分布仍是多峰值分布。小粒徑占的比例有所增加，凝相粒子多為球形。

［1］霍東興.固沖發動機補燃室摻混燃燒影響因素研究［D］.中國航天科技集團公司四院，2005.

［2］霍東興，何國強，等.固沖發動機補燃室冷流摻混效果與燃燒效率對比研究［J］.固體火箭技術，2006，29(5).

［3］Najjar F M.Effects of aluminum propellant loading and size distribution in BEATS motor:a multiphysics computational analysis［R］.AIAA 2005-3997.

［4］John C Melcher.Burning aluminum particles inside a laboratory-scale solid mcket motor［R］.AIAA 2001-3947.

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［6］張宏安，等.固體火箭發動機凝聚相微粒分布研究現狀［J］.固體火箭技術，2000，23(3).

［7］張宏安，等.含鋁復合推進劑燃燒場凝相微粒分布實驗研究［J］.固體火箭技術，2001，24(1).

［8］王寧飛，陳龍，趙崇信，等.固體火箭燃燒室內微粒分布的實驗研究［J］.推進技術，1995，16(4).

［9］許宏濤.固體火箭燃燒室內粒子取樣方法研究［D］.中國航天科技集團公司四院，2007.