含硼推進劑固沖發動機補燃室內凝聚相燃燒產物特性試驗研究①

王云霞，劉 宇，陳林泉，王增輝，張勝勇

(1.中國航天科技集團公司四院四十一所，西安 710025;2.西安交通大學 材料科學與工程學院，西安 710048)

0 引言

隨著沖壓發動機技術的發展，固體貧氧推進劑應運而生。為適應新一代導彈技術的要求，固體火箭沖壓發動機用貧氧推進劑將向高能化方向發展［1］。硼以其高的質量熱值和容積熱值被認為是固體貧氧推進劑的最佳燃料。由于硼粒子的燃燒效率低，固沖補燃室充斥著大量硼及其氧化物等凝聚相粒子，在補燃室的二次摻混燃燒過程中，顆粒的大小和成分對二次燃燒效率影響較大，這直接影響著發動機效率的提高，另外，兩相流損失與燃氣中凝聚相產物的濃度和顆粒的大小有直接關系［2］。因此，研究凝聚相產物的理化特性與粒度分布規律對研究硼顆粒的點火燃燒特性、提高硼的燃燒效率具有重要意義。

目前，國內外學者針對固體火箭發動機、固體燃料沖壓發動機及超燃沖壓發動機中的燃氣采集已經開展了大量的研究工作［3－9］，本文提出了一種固沖發動機補燃室內凝聚相燃燒產物的取樣方法，并設計了取樣裝置，對含硼推進劑固沖發動機中間燃燒產物的采集與分析進行深入研究，通過地面直連式試驗收集凝聚相燃燒產物，分析了發動機補燃室長度、補燃室徑向位置對燃燒產物特性的影響。

1 試驗系統及試驗方案

1.1 試驗系統

針對固沖發動機補燃室高溫環境特征和補燃室結構特點，設計了圖1所示的水冷探針取樣裝置，并用該裝置收集發動機補燃室凝聚相燃燒產物，研究高溫下補燃室燃氣凝相組分的特性。

圖1 水冷探針取樣裝置Fig.1 Water cooled probe sampling system

水冷探針取樣裝置主要包括水冷取樣探針、取樣段、冷卻水系統等。試驗時，將取樣段安裝在補燃室出口(發動機噴管入口)位置處，并將水冷探針垂直安裝在取樣段壁面上，取樣探針上的轉接頭與冷卻水管相連，安裝時注意保證取樣槽正對來流方向。圖2為水冷探針取樣直連式試驗系統。

圖2 水冷探針取樣直連式試驗系統置Fig.2 Direct-connected test system

其基本思想是取樣探針在冷卻水系統作用下，一方面使取樣探針在高溫補燃室環境中保持較低的溫度，不至于變形或損壞;另一方面，冷卻高溫凝聚相燃燒產物，中止產物間化學反應、防止失去產物的原有信息，真實重現補燃室內粒子特性。

水冷探針取樣裝置的工作原理:試驗開始前，開啟冷卻水系統，發動機工作時，高溫凝聚相燃燒產物遇到溫度較低的水冷探針迅速熄滅、凝結、熱沉冷卻。至此，補燃室高速氣流中的凝相燃燒產物在取樣槽中沉積并凝結。

1.2 試驗方案

影響固體火箭沖壓發動機補燃室凝聚相燃燒產物特性的因素很多，由于導彈的飛行包絡已經決定了發動機的主要參數，如補燃室壓強和空燃比等，所以本文僅考慮發動機結構對凝聚相燃燒產物的影響。根據固沖發動機不同補燃室長度和徑向位置，制定凝聚相燃燒產物收集實驗方案，實驗工況見表1。

表1 試驗狀態及來流條件Table 1 Experimental case and flow condition

為研究發動機補燃室徑向位置對產物特性的影響，采用圖3所示的標記，將取樣探針平均分成3段。將工況1的3個樣品分別記為1-1-1、1-1-2、1-1-3，工況2的3個樣品分別記為1-2-1、1-2-2、1-2-3。

圖3 樣本標記Fig.3 Sample mark method

2 試驗結果及分析

燃燒產物收集狀態如圖4所示。由圖4可明顯看出，補燃室內燃燒產物被成功收集在取樣探針上，收集的產物約重0.1 g。產物收集完后，取樣裝置完好無損，說明該取樣裝置用于固沖發動機高溫高壓補燃室的燃燒產物收集是完全可行的。

凝聚相燃燒產物的外觀形貌、粒度分布、成分結構是開展粒子特性研究的基本參數。推進劑燃燒后形成的凝聚相燃燒產物直徑一般在微米級，屬于微觀范疇。本文采用高精度的現代儀器分析手段，研究凝聚相燃燒產物的燃燒特性和粒度分布。分析流程如圖5所示。

圖4 燃燒產物收集狀態實物圖Fig.4 Sample status of combustion products

圖5 凝聚相燃燒產物分析流程Fig.5 Analysis flow chart of condensed combustion products

2.1 產物形貌特性

圖6為收集到的樣品。從圖6可看出，從補燃室中收集到的凝聚相燃燒產物呈黑色，且燃燒產物殘渣結塊很嚴重。

圖6 收集的樣品Fig.6 Sample collected from test

采用FEI公司研制的Quanta-600FEG型場發射掃描電鏡(SEM)，對凝聚相燃燒產物的形貌進行分析。圖7展示了同一顆粒樣本不同區域的電鏡掃描照片。從圖7可發現，樣品呈無規則狀，表面棱角多、不光滑，大部分顆粒呈片狀，大顆粒上吸附著不規則的小顆粒，表面存在較多缺陷和位錯，且產物中含有少量形狀很規則的球狀顆粒。這些球狀顆粒是硼燃燒后的產物B2O3，其熔點較低，在燃氣中是液態，由于液體的表面張力而成球狀，因此，在產物收集的過程中被冷卻，就形成了形狀很規則的球狀顆粒。

2.2 產物成分特性

高溫下被加熱后的硼粒子易發生團聚，為研究凝聚相燃燒產物的化學成分，先研磨成粉，再采用掃描電鏡聯用X射線色散能譜儀(EDS)對樣品進行分析，獲知樣品中所含元素及其質量和原子百分含量，如圖8和表2所示。

圖7 凝聚相燃燒產物電鏡掃描照片Fig.7 SEM photograph of sample

圖8 能譜測試結果Fig.8 Testing result of EDS

由能譜分析結果可知，凝聚相燃燒產物成分非常復雜，含C量高是其突出的特點，至于除B、C和O以外的其他元素，含量很低，屬于微量雜質。

在EDS分析的基礎上，采用X射線粉末衍射儀(XRD)分析樣品的物相構成。圖9為樣品的衍射圖譜，上側為樣品衍射強度，下側為分析出來的物相的標準衍射峰，圖9中右下角為分析出來的物相的PDF編號及物相的名稱。可看出，樣品的主要成分為B2O3，此外，還檢測出了少量的 B13C2、MgO2、Fe3O4和 Ti2O3。

表2 能譜分析結果Table 2 Analysis result of EDS

圖9 樣品的衍射圖譜Fig.9 XRD spectrum of sample

2.3 粒度分布特性

由于測量的樣品顆粒在采集時發生沉積，在沉積過程中顆粒之間會發生團聚現象，導致測量的粒徑偏大。為消除這一現象對粒度分析造成的影響，對樣品顆粒采用超聲波打散后，再進行粒度測量。超聲波只能打散那些吸附和團聚在一起的粒子，不會破壞融在一起或粘接在一起的粒子。因此，超聲波打散后測量的粒徑能夠反映顆粒樣品真實的粒度分布。本文采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀，對收集到的凝相燃燒產物進行了粒徑大小和分布的測定。

2.3.1 補燃室長度對粒度分布特性的影響

針對2個試驗工況，對比發動機補燃室出口水冷探針相應位置的粒度分布情況，如圖10所示。由圖10可發現，不同補燃室長度的2發試驗的粒度測試結果具有相同的特征，即凝聚相燃燒產物的粒度均呈典型的三峰分布。顆粒分布較均勻，一致性良好，呈多尺度分布，粒度分布均在 0.03 ～100 μm，主要集中在 0.3 ～40 μm。

進一步觀察發現，隨發動機補燃室長度增加，燃燒產物的粒度分布有向主峰靠攏的趨勢，大粒度峰(約4 μm)和小粒度峰(約0.15 μm)都有增強的現象。

圖10 粒度分布對比Fig.10 Comparison curves of granularity distribution

2.3.2 補燃室徑向位置對粒度分布特性的影響

為研究補燃室徑向位置對粒度分布的影響，對比兩取樣裝置相應位置產物的累積粒度分布曲線，如圖11所示。從圖11可看出，粒度隨發動機徑向位置的變化不明顯。仔細觀察發現，粒度先明顯減小，后略微增大。

圖11 累計粒度分布對比Fig.11 Comparison curves of granularity distribution

分析認為，由于試驗發動機采用旁側進氣，兩進氣道成90°夾角，取樣探針安裝在兩進氣道中間位置。所以，從中心軸線到壁面的徑向變化過程中，補燃室氧氣含量逐漸增大，硼與空氣的摻混燃燒逐漸增強，使得粒度明顯減小。隨后，由于粒子在壁面碰撞反彈等因素的作用，導致粒度略微增大。

3 結論

(1)含硼推進劑固沖發動機補燃室內凝聚相燃燒產物呈黑色，且燃燒產物結塊很嚴重。電鏡掃描照片顯示，凝聚相產物的形態呈無規則狀，大部分顆粒呈片狀，只含有少量形狀很規則的球狀顆粒。

(2)凝聚相產物成分非常復雜，除B、O和C這些主要元素以外，還含有微量雜質。另外，XRD檢測結果顯示，產物的主要成分為B2O3。

(3)得到了產物粒徑的分布規律及其分別與發動機補燃室長度和徑向位置的關系。凝聚相產物的粒度呈多尺寸分布，主要集中在0.3～40 μm。隨發動機補燃室長度增加，粒度逐漸減小;自發動機中心軸線位置向發動機壁面位置的徑向變化過程中，粒度先明顯減小，后略微增大。

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