脈沖爆轟發動機兩點點火實驗研究

白橋棟，翁春生，許桂陽，楊建魯，黃孝龍

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室，南京 210094)

?

脈沖爆轟發動機兩點點火實驗研究

白橋棟，翁春生，許桂陽，楊建魯，黃孝龍

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室，南京 210094)

為研究兩點點火對脈沖爆轟發動機內爆轟波起爆及傳播的影響，開展了脈沖爆轟發動機兩點點火實驗研究。實驗結果表明，兩點點火能有效促進脈沖爆轟發動機內爆轟的形成，能大幅提高爆轟波的峰值壓力及爆轟波傳播的速度。當兩點點火源距離為260 mm時，兩點點火時間間隔必須大于0.47 ms，爆轟發動機內才能形成促進爆轟發生的有利條件；適當增大兩點點火的時間間隔能縮短緩燃轉爆轟的距離，緩燃轉爆轟的距離從590 mm縮短至420 mm。

兩點點火；緩燃轉爆轟；爆轟波；脈沖爆轟發動機

0 引言

在最近10多年中，爆轟推進技術受到廣泛關注，其中研究最多的屬脈沖爆轟發動機。在脈沖爆轟發動機研究過程中，快速點火起爆及實現短距離內緩燃轉爆轟(Deflagration to Detonation Transition, DDT)過程是關鍵技術。爆轟波可通過直接起爆或緩燃轉爆轟得到，由于液態燃料直接起爆所需能量巨大(可達MJ級別)，因而實際脈沖爆轟發動機的起爆一般都采用緩燃轉爆轟方式。實現DDT過程最常用的方式主要有在爆轟管內安裝障礙物(Shchelkin螺旋裝置、擾流器、有孔擋板等)來增加火焰傳播的速率從而促進爆轟的形成[1-5]；還有采用預爆轟方式點火[6-7]以及射流點火方式[8]以達到縮短緩燃轉爆轟距離的目的。

除此之外，采用多點點火方式也是實現快速起爆及縮短緩燃轉爆轟距離的一個有效方法。Frolov[9-10]采用兩點點火對光滑爆轟管內氣相和液相混合物進行了點火起爆實驗。研究發現，在合適的點火時機觸發下，兩點點火能縮短緩燃轉爆轟的距離，兩點點火成功起爆所需的總能量顯著小于單點點火起爆的能量。Sinibaldi等[11]采用2個瞬態等離子點火器進行縮短DDT時間和距離的研究，實驗結果發現相對電容火花點火，雙等離子點火能夠縮短DDT時間6 ms，縮短DDT距離170 mm。

國內在多點點火引爆爆轟波研究方面主要集中于數值研究，王治武等[12]對不同間距、不同點火間隔時間的兩點火源點火起爆過程進行了數值模擬，數值計算結果表明兩點點火的時間間隔在一定范圍之內時，有利于爆轟起爆。董剛等[13]數值研究了多點連續點火誘導氫氣-空氣預混合氣體的爆轟過程。計算結果表明，點火時序的變化可顯著影響預混氣的爆轟引發特性，適當的加速連續點火過程可以誘導爆轟的形成，并能縮短緩燃轉爆轟的時間和距離。

綜上所述，通過控制多點點火的點火時機及調整點火源之間的間距能縮短DDT的時間和距離，這對脈沖爆轟發動機的實際工程應用具有較大的應用價值。目前國內外關于脈沖爆轟發動機多點點火的實驗研究偏少，因此本文開展了脈沖爆轟發動機兩點點火實驗研究，主要研究兩點點火對起爆過程及爆轟波參數的影響，其目的是為縮短緩燃轉爆轟的距離，研究結果可為脈沖爆轟發動機的工程研制提供有益的指導。

1 實驗系統

脈沖爆轟發動機兩點點火實驗系統包括燃料/氧化劑供給系統、點火系統、數據采集系統和脈沖爆轟發動機實驗裝置。圖1是兩點點火脈沖爆轟發動機實驗系統示意圖。

圖1 兩點點火脈沖爆轟發動機實驗系統示意圖Fig.1 Diagram of pulse detonation engine by two ignition sources

脈沖爆轟發動機燃燒室直徑80 mm。點火系統包括信號發生器、點火發生器及點火頭。2個點火頭位置距離發動機封閉端距離依次為300 mm和560 mm，2個點火頭之間的點火時間間隔通過信號發生器控制。氧化劑為壓縮空氣，空氣通過在爆轟管壁上的小孔噴射入發動機內，采用切向進氣方式，這樣可改善燃油霧化和摻混性能，通過調節瓶口減壓閥出口壓力控制進氣流量；燃料采用汽油，通過擠壓方式供油，燃油通過直射式噴嘴噴射。爆轟管壁上布置了7個PCB高頻響動態壓力傳感器，距離發動機封閉端距離依次為490、630、910、1 080、1 280、1 480、1 630 mm(下文中分別以PT1，PT2，…，PT7表示)，壓力數據通過NI數據采集系統采集。脈沖爆轟發動機內安裝了環形擾流片來強化燃燒，擾流片之間的間距為80 mm。

2 實驗結果及分析

為研究兩點點火對起爆過程及爆轟參數的影響，本文分別對單點點火及不同時間間隔兩點點火的脈沖爆轟發動機進行了實驗研究，兩者的實驗系統相同，脈沖爆轟發動機內氧化劑/燃料填充條件也相同；點火器單點點火或兩點點火通過信號發生器控制，單點點火時點火位置距發動機封閉端為300 mm，兩點點火時靠近發動機封閉端的點火位置先點火，第二個點火位置在設定的時間間隔Δt后開始點火。

2.1 單點點火實驗結果及分析

首先進行了脈沖爆轟發動機單點點火實驗，發動機工作頻率為10 Hz。圖2為單點點火時不同位置處單個脈沖周期內壓力曲線圖。

(a)PT1～PT3

(b)PT4～PT7

由圖2可知，在發動機點火之后，靠近點火區域的油氣混合物迅速點燃，反應物燃燒釋放熱量形成向右傳播的激波，在此區域內釋放能量較大，因而靠近此區域的壓力較高，PT1和PT2處的壓力峰值分別為1.1 MPa和1.2 MPa，PT3處的壓力峰值達到5.3 MPa。隨著激波向管口傳播，激波強度不斷減弱，其壓力逐漸降低，PT5、PT6和PT7上的壓力峰值均降至1 MPa以下，PT7上的壓力只有0.6 MPa左右。激波通過各傳感器位置的速度可由下面的公式求得

(1)

式中xPTN為第N(N=4，5，6，7)個傳感器距發動機封閉端的距離；tPTN為激波到達第N個傳感器的時間。

通過式(1)計算得到不同位置上的速度依次為1 067.1、944.0、866.1、830.7 m/s，可知激波傳播速度也是逐漸減慢。本次實驗中當量比為0.9，根據CEA計算的結果，此時爆轟波的速度為1 759.7 m/s，因而可判斷在本次實驗條件下，單點點火在發動機內只是形成了爆燃，未能形成爆轟波。

在本文試驗中，爆轟是通過緩燃向爆轟轉變的間接方式得到。根據Lee的理論[14]，在轉變為爆轟波之前，火焰面的傳播速度要經過一段持續增大的過程，當達到適當的局部條件時就會觸發爆轟的發生。但在本文單點點火條件下，發動機內火焰面傳播速度持續降低(本文中實際測出的是激波傳播速度，由于在未形成爆轟之前，火焰面是落后于激波陣面的，即火焰傳播速度小于激波速度)，因而導致未能形成爆轟。

此種情況不能產生爆轟的原因主要是在單點點火時，燃燒釋放的熱量不能為點火產生的激波傳播提供充分的能量，導致激波與燃燒波陣面的距離逐漸增大，激波的強度逐漸衰減，其傳播的速度也是逐漸降低，因而不能產生爆轟。

2.2 兩點點火實驗結果及分析

兩點點火的脈沖爆轟發動機實驗系統及實驗條件與單點點火時相同，2個點火源之間的間距為260 mm，點火時間間隔Δt分別為0.14、0.28、0.42、0.56、0.70、0.84、0.98、1.12、1.68、2.24 ms。表1給出了不同時間間隔下兩點點火時爆轟管不同位置處的壓力及速度參數。

表1 不同點火條件下的壓力峰值及速度值Table 1 Pressure peak value and velocity value at different ignition conditions

圖3和圖4(a)分別為點火間隔為0.14 ms時不同位置上的壓力曲線及單個爆轟周期內的壓力曲線。從中可看出，各個傳感器位置上的壓力峰值較單點點火有較大幅度提高，但其速度提高較小，發動機尾部激波傳播速度在1 000 m/s左右。可以判定在這種情況下，發動機內還未形成充分發展的爆轟波。同樣，點火間隔為0.28 ms(圖4(b))和0.42 ms時，發動機內的壓力及波速都與間隔為0.14 ms時類似，說明在上述情況下，發動機內未形成充分發展的爆轟波。

在單點點火時，通過分析可得到點火產生的壓縮波到達PT1和PT2之間的時間間隔約為0.3 ms(定義壓力升至該壓力傳感器測得的壓力最高值的10%時的時間為壓縮波陣面到達該處的時間)，由式(1)可知壓縮波在2個點火源之間的傳播速度約為550 m/s，據此可大致計算出壓縮波在2個點火源之間傳播的時間為0.47 ms。當兩點點火時間間隔小于此時間時，由于點火時機與壓縮波陣面到達時間不匹配，此時2個點火源之間點火間隔時間太短，第一個點火源點火后產生的壓縮波還未到達第二個點火源所在的區域，第二個點火源點火后外加的點火能量未能與第一個點火源產生的燃燒過程相互耦合，發動機內未能出現利于爆轟形成的條件。即當點火間隔時間小于0.47 ms時，在本次實驗條件下采用兩點點火也不能在發動機內形成穩定的爆轟。

圖3 兩點點火不同位置壓力曲線(Δt=0.14 ms)Fig.3 Pressure profile at different positions by two ignition sources (Δt=0.14 ms)

(a)Δt=0.14 ms

(b)Δt=0.28 ms

當點火間隔增大至0.56 ms時，爆轟管內壓力變化不大(見圖5(a))，但是爆轟波的傳度速度較之前面幾種情況增大了近1倍，在爆轟管的尾部，爆轟波速度已超過1 700 m/s。當繼續增大兩點點火之間的時間間隔時(圖5(b)、(c))，實驗測得脈沖爆轟發動機內各傳感器位置處的平均壓力峰值均大致相同，PT3之后的傳感器上的峰值壓力都超過3 MPa(見圖6(b))，可以判定此種情況下，發動機內產生了穩定的爆轟波。

由前面的分析可知，當兩點點火源之間距離一定且點火時間間隔超過某一臨界值后(本次實驗中為0.47 ms)，第一個點火源產生的壓縮波已傳過第二個點火源的點火區域，在此壓縮波作用下，第二個點火區域內反應混合物的溫度、壓力和密度升高，由于燃燒火焰陣面傳播的速度小于壓縮波的傳播速度，此時該區域內的混合物并未被點燃；在第二個點火源點火后，將形成一道更強的壓縮波向發動機管口傳播，此壓縮波的強度超過第一個點火源所產生的壓縮波，這些強壓縮波在發動機內會疊加成火焰前方的前導激波，從而能誘導爆轟的產生。

圖7為不同點火間隔時不同位置上爆轟波的傳播速度。點火后，火焰加速過程有一個緩慢的加速過程，在PT1和PT2之前，由于點火后產生的壓縮波傳播速度一般小于500 m/s，在點火源附近區域火焰鋒面的傳播落后于壓縮波，可知火焰鋒面的傳播速度也是小于500 m/s；之后火焰傳播速度逐漸增加，在未形成爆轟的情況下，其火焰陣面的傳播速度也是小于1 000 m/s(見圖7(a))；在爆轟發生前，火焰波的傳播速度往往有一個急劇的加速過程(見圖7(b))，爆轟形成之后，火焰陣面與前導激波耦合，可認為此時火焰陣面速度和激波速度相等，速度趨于穩定，其速度在1 700～2 000 m/s。從圖7(b)還可知，在點火時間間隔大于0.56 ms且小于1.68 ms時，爆轟波速度在PT3和PT4之間發生急劇增大，即在PT3和PT4之間完成緩燃轉爆轟過程，此時緩燃轉爆轟的距離小于590 mm；當點火時間間隔大于1.68 ms時，在PT2和PT3之間已完成緩燃轉爆轟過程，即緩燃轉爆轟的距離小于420 mm，說明當點火時間間隔適當增大之后，能縮短緩燃轉爆轟的距離。

(a)Δt=0.56 ms (b)Δt=1.12 ms (c)Δt=1.68 ms

圖5 兩點點火時不同位置單個周期內壓力曲線

Fig.5 Pressure profile at different positions in a single cycle by two ignition sources

(a)未形成爆轟

(b)形成爆轟

(a)未形成爆轟

(b)形成爆轟

3 結論

(1)兩點點火能強化脈沖爆轟發動機的起爆過程，促進發動機內爆轟波的形成；能有效縮短脈沖爆轟發動機內緩燃轉爆轟的距離。

(2)兩點點火的時間間隔對爆轟的形成有重要影響，當兩點點火源距離一定，點火間隔時間需大于某一臨界值，亦即只有當第二個點火源點火時刻在第一個點火源點火產生的壓力波陣面到達之后時，才能形成有利于爆轟形成的條件。

[1] 孫健,韓啟祥,王家驊,等.助爆裝置影響兩相混氣中爆震波觸發特性實驗[J].推進技術,2013,34(7):997-1001.

[2] 彭振,翁春生,白橋棟,等.供氣方式對脈沖爆轟火箭發動機工作頻率影響的試驗研究[J].兵工學報,2011,32(5):584-588.

[3] 王育虔,范瑋,李建玲,等.高頻脈沖爆震火箭發動機的試驗研究[J].西北工業大學學報,2010,28(1):118-122.

[4] Brophy C M,Dvorak W T,Dausen D F,et al..Detonation initiation improvements using swept-ramp obstacles[R].AIAA 2010-1336.

[5] 胡洪波,翁春生,白橋棟,等.凝膠汽油在脈沖爆轟發動機中的爆轟特性實驗[J].固體火箭技術,2014,37(4):505-509.

[6] 張義寧,唐豪,王家驊,等.預爆管式脈沖爆震原型機試驗研究[J].航空學報,2009,30(3):391-396.

[7] 王曉棟.預爆管設置方式對主爆轟點火的影響[J].空氣動力學學報,2009,27(3):340-345.

[8] 曾昊,何立明,章雄偉,等.橫向爆震射流起爆爆震過程的數值模擬[J].應用力學學報,2010,24(3):543-548.

[9] Frolov S M.Initiation of strong reactive shocks and detonation by traveling ignition pulses[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2006,19:238-244.

[10] Frolov S M,Basevich V Y,Aksenov V S,et al.Detonation initiation by controlled triggering of electric discharges[J].Journal of Propulsion and Power,2003,19(4):573-580.

[11] Sinibaldi Jose O,Rodriguez Joel,Channel Brent,et al.Investigation of transient plasma ignition for pulse detonation engines[R].AIAA 2005-3774.

[12] 王治武,陳星谷,鄭龍席,等.兩點火源順序點火起爆爆震波的數值研究[J].推進技術,2014,35(10):1434-1440.

[13] 董剛,范寶春,蔣勇,等.連續點火誘導爆轟的數值研究[J].中國科學技術大學學報,2007,37(11):1439-1444.

[14] Lee H S.The detonation phenomenon[M].Cambridge University Press,2008.

(編輯：呂耀輝)

Experimental study of ignition in pulse detonation engine by two ignition sources

BAI Qiao-dong,WENG Chun-sheng,XU Gui-yang,YANG Jian-lu,HUANG Xiao-long

(Key Laboratory of Transit Physics, Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094)

To investigate the effects of two ignition sources in pulse detonation engine on the propagation of detonation wave,the ignition and propagation of detonation waves in pulse detonation engine were studied experimentally.The experimental results show that two ignition sources in pulse detonation engine can induce the formation of detonation wave.When the distance between the two ignition sources was 260 mm,the ignition time interval between the two ignition sources must be larger than a critical value (0.47 ms),the detonation wave can be formed in the pulse detonation engine.The distance of deflagration to detonation transition (DDT) can be shortened by increasing the time interval between the two ignition sources,the DDT run-up distance was shortened from 590 mm to 420 mm.

two ignition sources;deflagration to detonation transition;detonation wave;pulse detonation engine

2015-01-21；

：2015-03-07。

國家自然科學基金(11472138)。

白橋棟(1979—)，男，博士，研究方向為爆轟推進技術。E-mail:qd_bai@126.com

V439

A

1006-2793(2015)06-0821-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.013