補燃室結構對固沖發動機二次燃燒影響試驗研究①

程吉明，李進賢，錢程遠，馮喜平，朱國強，楊玉新

(1．西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072;2．中國航天科技集團公司四院四十一所，西安 710025)

0 引言

隨著固沖發動機推進劑向著含硼高能化的發展，補燃室中含硼富燃燃氣與空氣的燃燒組織技術已成為固體火箭沖壓發動機研究的關鍵技術之一［1］。

補燃室結構參數是影響固沖發動機摻混燃燒的重要因素之一，最佳的補燃室結構可改進摻混，保證補燃室較高的燃燒效率。為了考察補燃室結構對固沖發動機摻混燃燒的影響，國內外科研人員開展了大量的研究工作。Stowe等［2］采用流場顯示方法，研究了固沖發動機補燃室內流動結構，并研究了頭部距離、進氣角度、一次燃氣噴孔位置等結構參數對補燃室摻混的影響。國防科大胡建新等［3－5］研究了前后二次進氣道的固沖發動機補燃室工作過程及硼顆粒在補燃室中的點火。西工大高嶺松［6］和李綱［7］等分別通過數值模擬和實驗方法，研究了結構參數對固沖發動機補燃室二次燃燒效率的影響。許超等研究了補燃室長度對二次燃燒的影響［8］。

為了解固沖發動機補燃室結構參數對二次燃燒效率的影響程度，并選出結構參數的優化匹配方案，韓迎龍、李進賢［9］選取多個補燃室結構參數，采用數值模擬方法結合正交理論，探索了二次燃燒影響因素間的優化匹配方案及其對二次燃燒影響的顯著性。在此基礎上，本文選取空氣入射角度、補燃室長度和頭部距離等結構參數，設計地面試驗固沖發動機，基于正交設計理論安排試驗，通過地面試驗研究所選結構參數對含硼推進劑固沖發動機二次燃燒性能的影響，從補燃室二次燃燒效率和點火延遲時間綜合考察補燃室結構參數的匹配性及其對二次燃燒性能影響的顯著性，研究結果對固沖發動機設計有一定參考價值。

1 試驗方案

1．1 補燃室模塊化設計

為考察補燃室結構對二次燃燒性能的影響，本文研究選取頭部距離、空氣入射角度和補燃室長度作為結構設計參數。其中，頭部距離(LD)定義為進氣口前緣到補燃室內部前端面的軸向距離，空氣入射角度(進氣角度α)定義為進氣道中心線與補燃室中心軸線的夾角，如圖1所示。

圖1 模塊化補燃室結構簡圖Fig．1 Configuration of modular secondary combustor

為了開展不同補燃室結構的地面試驗，補燃室采用模塊化分段設計，這樣即可通過不同的組合方案，實現要求的頭部距離、空氣入射角度和補燃室長度。圖1給出了模塊化補燃室結構示意圖。空氣入射角度α選取45°和60°，頭部距離 LD選擇5、45、80 mm，補燃室長度選擇400、600、800 mm。補燃室殼體內徑80 mm，采用石墨絕熱層進行熱防護。采用圓形管道模擬來流進氣道，內徑為38 mm，沖壓噴管喉徑為52 mm。

補燃室前封頭設有燃氣入口，一次燃氣采用中心孔進氣方式。模擬來流采用二元雙側向進氣道結構，兩進氣道間徑向夾角為90°。2種進氣角度構型的補燃室前段殼體長度均為400 mm。為了實現變補燃室長度要求，設計了2種具有相同構型但長度不同的補燃室中段，補燃室中段長度LM選取200 mm和400 mm。補燃室中段與段配合使用，可滿足400、600、800 mm補燃室長度需求。

為滿足變頭部距離的要求，每種補燃室構型頭部均留有一定的自由空間，通過與不同構型的石墨墊塊配合使用，實現5、45、80 mm 3種頭部距離的補燃室布局，石墨墊塊如圖2所示。

圖2 石墨墊塊構型Fig．2 Graphite block configuration

1．2 試驗模擬工況

試驗模擬10 km高度、Ma=2．8飛行工況，模擬空氣來流總溫573 K，總流量為1．2 kg/s。其中，每個進氣道空氣流量為0．6 kg/s;一次燃氣采用中心孔噴射方式進氣，噴射流量為0．083 kg/s。

1．3 固沖發動機試驗和測控系統

采用西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室固體火箭沖壓發動機地面試驗系統開展地面直連式試驗。該系統主要由氣源系統、空氣加熱系統、供應管路、氣流穩定段、固沖發動機試驗器、柔性試車架和測控系統等部分組成。試驗中，測量了補燃室不同截面的靜壓、總壓和總溫等參數。

1．4 正交試驗方案

正交試驗設計(正交設計)是一種借助數理統計理論，通過建立正交表，研究與處理多因素優化試驗卓有成效的試驗設計方法。本文將正交試驗理論引入到固沖發動機補燃室結構對二次燃燒影響研究中，基于正交理論合理安排試驗，采用正交設計方法，對試驗結果進行處理和分析。

補燃室結構參數選取空氣入射角度、補燃室長度和頭部距離3個因素，空氣入射角度因素選取2個水平，補燃室長度和頭部距離選取3個水平，建立因素水平表，如表1所示。

表1 因素水平Table 1 Orthogonal factors

根據所選因素水平的特點，按照正交設計理論，可選取3水平4因素(34)正交表安排試驗，如表2所示。表2中，D列用來估計正交試驗結果方差分析中的誤差。各表中帶，“*”的為擬水平，即該因素只設計了2個水平。試驗時，用第1水平代替第2水平，擬水平正交表仍具有普通正交表的主要性質。

表2 正交試驗方案Table 2 Orthogonal test scheme

2 試驗結果

二次燃燒效率是衡量固沖發動機補燃室燃燒性能的重要參數，現多采用二次燃燒效率來評價固沖發動機的性能。本文引入點火延遲時間作為二次燃燒性能評價指標之一，綜合評價固沖發動機性能。

補燃燒室點火延遲時間td定義為一次燃氣從噴口進入補燃室到建立穩定燃燒所需的時間，如圖3所示。

固沖發動機補燃室二次燃燒效率采用特征速度定義為

按照正交試驗方案，在固沖發動機試驗系統共開展9次地面直連試驗，綜合采用二次燃燒效率和點火延遲時間作為補燃燒室二次燃燒性能評價指標，對試驗數據進行處理，得到結果如表3所示。

圖3 點火延遲時間Fig．3 Ignition delay time

表3 試驗結果Table 3 Test result

2．1 燃燒效率

對補燃室二次燃燒效率進行極差分析，結果如表4所示。通過對補燃室各結構因素的極差比較可知，對固沖發動機二次燃燒效率影響最大的補燃室結構參數是頭部距離，其次是補燃室長度，最后是空氣入射角度。從表4中kij的大小即可判斷第j列因素的優水平，進而獲得各因素間最優匹配方案，使燃燒效率較高。對二次燃燒效率來說，其值越大，燃燒性能越好。由此得到空氣入射角度、補燃室長度以及頭部距離的優水平分別為45°、600 mm和5 mm，即采用上述補燃室結構匹配方案，可使補燃室二次燃燒效率達到最大。

表4 燃燒效率極差分析Table 4 Range analy of conrbustion efficiency

以各因素的不同水平為橫坐標，以試驗結果的均值kij為縱坐標，繪制因素極差趨勢圖，如圖4所示。由極差趨勢圖可直觀地看出，二次燃燒效率隨補燃室頭部距離變化最大，隨空氣入射角度變化最為緩慢。由于極差分析不能將試驗中因試驗條件改變引起的數據波動與試驗誤差引起的數據波動區分開來，因此需對試驗結果進行方差分析，衡量各因素對試驗結果的影響作用是否顯著。對試驗結果進行方差分析，顯著性結果列于表5。由顯著性檢驗結果可知，試驗工況下頭部距離對二次燃燒效率影響較顯著，空氣入射角度和補燃室長度對二次燃燒效率的影響作用有限。

圖4 二次燃燒效率極差曲線Fig．4 Range curves of secondary combustion efficiency

表5 燃燒效率方差分析Table 5 ANOVA of combustion efficiency

2．2 點火延遲時間

保證固沖發動機一次燃氣在補燃室正常點火建壓，縮短補燃室點火延遲時間，同樣是發動機設計應考慮的因素之一。表6和表7給出了補燃室點火延遲時間的極差分析和方差分析結果。

表6 點火延遲時間極差分析Table 6 Range analysis of ignition delay time s

表7 點火延遲時間方差分析Table 7 ANOVA of ignition delay time

含硼富燃燃氣能否快速點火建壓主要取決于補燃室中能否營造一個較好的硼點火燃燒氛圍。點火延遲時間極差分析表明，對固沖發動機補燃室點火延遲影響最大的結構參數是補燃室長度，其次是空氣入射角度，最后是頭部距離。對點火延遲時間來說，其值越小，補燃室點火性能越好。由此得出，空氣入射角度、補燃室長度以及頭部距離的優水平分別為45°、600 mm和80 mm。方差分析結果表明，在試驗工況下，3種補燃室結構參數對補燃室點火延遲時間的影響作用均不顯著。

3 結果分析

一般來說，增加補燃室長度，會相應增加顆粒相在補燃室的滯留時間，有利于提高二次燃燒效率。但當補燃室長徑比超過一定值時，增加補燃室長度，對二次燃燒效率提升作用有限［8］，且過長的補燃室長度會相應地增加散熱損失。試驗結果表明，補燃室長度過長或過短，都會造成二次燃燒效率的降低，存在一個合適的補燃室長度，使二次燃燒效率達到最高。從點火延遲時間看，600 mm和800 mm長度的補燃室結構點火延遲時間接近，短于400 mm長度的補燃室結構的點火延遲時間。這是由于一次燃氣與來流空氣摻混進行熱量交換，降低了來流硼顆粒環境溫度，而一次燃氣中的氣相組分燃燒積聚熱量，提高硼顆粒環境溫度，為其創造點火條件。在固沖發動機補燃室中，由于燃氣流動速度較大，燃燒產物在補燃室中滯留時間很短，不利于熱量積聚為硼顆粒迅速點火和補燃室建壓創造條件。較短長度的補燃室與較長長度的補燃室相比，氣相燃燒產物在其中積聚的熱量更少，達到硼顆粒點火溫度需要的時間更長，增加了點火過程中硼顆粒點火時間和補燃室點火延遲時間。

空氣入射角度增大時，來流徑向分量增大，有利于增強一次燃氣與空氣的摻混，但同時也加劇了一次燃氣與來流的熱量交換，增加了摻混損失及補燃室總壓損失，不利于硼顆粒快速點火及發動機性能提升。試驗結果表明，無論是二次燃燒效率，還是補燃室點火延遲時間，45°構型的發動機性能均優于60°構型。

補燃室頭部距離是影響固沖發動機一次燃氣與空氣摻混、點火和燃燒的重要因素之一。頭部距離較大時，頭部存在明顯的回流區，回流區內氣相組分與空氣劇烈摻混燃燒，提高一次燃氣與來流交匯區溫度，為一次燃氣中硼顆粒點火燃燒創造條件，縮短補燃室點火延遲時間，這與實驗結果一致。頭部距離對二次燃燒效率的影響較復雜，影響趨勢不明，需要進一步的研究分析。

方差分析結果表明，試驗工況下，補燃室結構參數的改變，對補燃室點火延遲時間和二次燃燒效率的影響作用較小，總體呈現為固沖發動機二次燃燒性能對補燃室結構不敏感。這是因為實驗所用的含硼推進劑配方采用較小粒度的硼顆粒，削弱了結構參數對補燃室二次燃燒性能影響的顯著性。試驗所用推進劑配方中硼顆粒粒度較小，在2～5 μm之間，一次燃氣噴射效率較高，均在97．5%以上。同時，推進劑熱力計算結果表明，一次燃氣出口溫度為1 840 K，基本上達到硼顆粒點火溫度。綜合這些原因，使得一次燃氣即使在不同補燃室結構狀態下，仍能和來流空氣進行有效摻混，快速點火建壓，并穩定燃燒，降低了二次燃燒性能對結構變化的敏感性。

補燃室結構參數只是影響二次燃燒性能的因素之一，若能與其他因素綜合研究優化，對固沖發動機性能的提升效果會更加明顯。比如，改進推進劑配方、優化配方中硼顆粒粒徑級配，適當提高推進劑一次燃燒溫度等措施，降低含硼富燃燃氣在補燃室點火燃燒的閾值，縮短硼顆粒點火時間和補燃室點火延遲時間，提高燃燒效率。從總體設計出發，可適度降低二次燃燒性能對補燃室結構的敏感性，在保證穩定摻混燃燒的情況下，優化補燃室結構。比如，削弱補燃室長度變化對二次燃燒性能的影響，設計較短的補燃室長度，以減輕固沖發動機結構質量。

4 結論

(1)將補燃室點火延遲時間加入補燃室二次燃燒性能評價指標體系，與燃燒效率綜合評價二次燃燒性能，豐富了固沖發動機二次燃燒性能評價手段。

(2)試驗結果的極差分析表明，補燃室結構參數對二次燃燒點火延遲時間影響由強到弱依次為補燃室長度＞空氣入射角度＞頭部距離，對二次燃燒效率影響由強到弱依次為頭部距離＞補燃室長度＞空氣入射角度。

(3)適度降低補燃室二次燃燒性能對結構參數的敏感性，更有利于固沖發動機總體設計。

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