旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)溫度變化實(shí)驗(yàn)研究

劉 傳，李 建，周勝兵，馬 元，馬 虎

(南京理工大學(xué)， 南京 210094； 上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所， 上海 201109)

旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Rotation Detonation Engine,RDE)是一種利用一個(gè)或多個(gè)爆震波在燃燒室內(nèi)連續(xù)傳播，進(jìn)而產(chǎn)生推力的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1是RDE結(jié)構(gòu)示意圖。這類發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用環(huán)形燃燒室，其基本工作原理為推進(jìn)劑從燃燒室的封閉端噴入，進(jìn)點(diǎn)火后產(chǎn)生爆震波，爆震波沿環(huán)形燃燒室周向旋轉(zhuǎn)傳播，波后高溫高壓產(chǎn)物迅速膨脹，從另一端排出，從而獲得推力[1]。

相較于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，RDE具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱循環(huán)效率高、比沖大，推重比大，工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[2-5]。可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，也可用于取代現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部分，還可用于導(dǎo)彈和宇航運(yùn)載飛行器等新型動(dòng)力裝備，使動(dòng)力裝置性能得到顯著提升[6-7]。鑒于RDE以上優(yōu)勢(shì)，RDE已成為近年來相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。世界各國如俄羅斯、法國、美國等都已展開了大量旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。目前，研究?jī)?nèi)容主要包括旋轉(zhuǎn)爆震波結(jié)構(gòu)、傳播模態(tài)和自持機(jī)理、起爆方式、噴注條件和不同燃料組合對(duì)爆震波影響以及推力等方面[8-11]。

爆震波在環(huán)形燃燒室內(nèi)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)傳播，其速度在 1 200～2 500 m/s，燃燒室內(nèi)溫度在1 500～2 500 ℃。爆震產(chǎn)物與燃燒室壁面之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈熱交換，使壁面溫度急劇上升。但由于缺少冷卻裝置的保護(hù)，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間往往較短，且在長程實(shí)驗(yàn)條件下傳感器無法經(jīng)受高溫，使得測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尤為困難。國內(nèi)外對(duì)RDE的傳熱研究相對(duì)較少，但從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，解決該問題對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義[12-16]。在此背景下，本文基于爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，開展了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)溫度變化情況的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本文所采用的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、燃料供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

本文實(shí)驗(yàn)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形燃燒室外徑為136 mm，內(nèi)徑為124 mm，燃燒室面積為2 450 mm2，長度為80 mm。RDE采用環(huán)縫-小孔垂直對(duì)撞噴注結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)采用氫氣-空氣的燃料/氧化劑組合。氫氣通過燃燒室前端120個(gè)周向均勻分布的小孔噴注，空氣經(jīng)過環(huán)縫噴入燃燒室內(nèi)，方向與氫氣噴注方向垂直。氫氣和空氣由燃料供給系統(tǒng)，其質(zhì)量流率通過調(diào)節(jié)管路壓力來實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)包含短程和長程實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分。短程實(shí)驗(yàn)時(shí)，工作時(shí)間為0.5 s。燃燒室外表面、氫氣和空氣集氣腔處各布置一個(gè)擴(kuò)硅式壓力傳感器，用于測(cè)量穩(wěn)態(tài)壓力信號(hào)變化。壓力傳感器測(cè)量精度為0.1%FS，響應(yīng)時(shí)間低于1 ms，分別用pc、pH和pAir表示。環(huán)形燃燒室外表面布置兩個(gè)PCB高頻動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量傳感器,分別用p1、p2表示。p1、p2之間軸向間距為8 mm，周向間隔呈90°分布。采用平齊安裝模式，使爆震波平滑掃過傳感器端面，減少對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震波的干擾。實(shí)驗(yàn)中還采用2路離子探針(I1、I2)，用于判斷爆震波的激波與火焰是否耦合。在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)溫度變化實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間設(shè)置為2 s。在此狀態(tài)下，PCB在高溫條件下無法長時(shí)間工作，因此實(shí)驗(yàn)過程中，僅測(cè)量氫氣集氣腔、空氣集氣腔以及燃燒室內(nèi)的穩(wěn)態(tài)壓力，以及保留離子探針(I1、I2)，用于判斷燃燒室內(nèi)爆震波是否穩(wěn)定傳播。安裝5個(gè)溫度傳感器以測(cè)量燃燒室內(nèi)溫度變化情況，分別表示為T1、T2、T3、T4和T5，本實(shí)驗(yàn)采用的熱電偶型號(hào)均為鎢錸5-26，該傳感器響應(yīng)時(shí)間在1 s左右，測(cè)量范圍在0～2 300 ℃。各傳感器安裝示意圖如圖3。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)通過NI公司X系列高頻壓力采集模塊進(jìn)行采集，采集卡可滿足8路通道同時(shí)模擬輸入，單通道最大采樣頻率為200 kHz，信號(hào)分辨率為16 bits,能夠保證爆震波壓力信號(hào)真實(shí)穩(wěn)定。而溫度傳感器所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過電荷放大器也同樣由該采集卡采集。

本實(shí)驗(yàn)采用的點(diǎn)火裝置為小能量火花塞，點(diǎn)火能量為50 mJ。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為300 K，大氣壓力為101 325 Pa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究不同工況下燃燒室內(nèi)爆震波的傳播特點(diǎn)以及溫度變化，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了8種不同的實(shí)驗(yàn)工況，當(dāng)量比的改變通過調(diào)節(jié)氫氣減壓閥實(shí)現(xiàn)，氧化劑減壓閥壓力始終保持在2.2 MPa，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

圖4反映了氫氣、空氣集氣腔和燃燒室內(nèi)穩(wěn)態(tài)壓力變化情況。在氫氣和空氣來流穩(wěn)定后，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)開始點(diǎn)火，此時(shí)氫氣、空氣集氣腔以及燃燒室內(nèi)壓力開始上升。在旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，壓力都保持穩(wěn)定。在停車階段，燃料停止供應(yīng)，壓力開始回落。發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后，壓力均恢復(fù)至環(huán)境壓力，由此可判斷旋轉(zhuǎn)爆震波在環(huán)形燃燒室內(nèi)能夠穩(wěn)定傳播。

2.1 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)爆震波工作過程分析

以實(shí)驗(yàn)工況#4為例，當(dāng)量比為1.0。圖5是p1、p2兩個(gè)PCB傳感器采集的高頻壓力信號(hào)曲線。由圖5可知，p1、p2的安裝位置在周向相差90°，因此p1、p2的壓力曲線之間存在1/4個(gè)周期相位差。在每個(gè)爆震波壓力尖峰之后存在一個(gè)較小的壓力波峰，由此可知旋轉(zhuǎn)爆震波在傳播過程中，碰到燃燒室壁面會(huì)產(chǎn)生反射激波對(duì)燃燒室壓力造成干擾。圖6為離子探針信號(hào)與高頻壓力信號(hào)的耦合。圖6中I2為環(huán)形燃燒室內(nèi)離子濃度信號(hào)，離子濃度信號(hào)十分穩(wěn)定，表明壓力擾動(dòng)并未對(duì)燃料混合物的反應(yīng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。離子探針信號(hào)與高頻壓力信號(hào)完全耦合，表明燃燒室內(nèi)存在能夠穩(wěn)定自持傳播的旋轉(zhuǎn)爆震波。

(1)

式(1)中，Dm為環(huán)形燃燒室的中徑，n為爆震波的波頭數(shù)。在設(shè)計(jì)的8種工況下，燃燒室內(nèi)爆震波的傳播模態(tài)為單波，取n=1，燃燒室中徑Dm=130 mm，可計(jì)算得到工況#4環(huán)形燃燒室內(nèi)旋轉(zhuǎn)爆震波的平均傳播速度為1 882 m/s。

由式(1)，可計(jì)算獲得8種工況下燃燒室內(nèi)爆震波平均傳播速度，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。爆震波速度在當(dāng)量比為0.74時(shí)最低，當(dāng)量比低于0.74時(shí)，氫氣和空氣的摻混效果不佳，爆震波的傳播不穩(wěn)定。在當(dāng)量比為1.36時(shí)平均速度最高，但當(dāng)量比繼續(xù)增大時(shí)，爆震波的傳播模態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從單波向雙波、三波甚至多波模態(tài)轉(zhuǎn)變，本文不對(duì)此進(jìn)行細(xì)致討論。在當(dāng)量比在0.74～1.36時(shí)，爆震波在環(huán)形燃燒室內(nèi)的平均速度隨著當(dāng)量比的增大而增大。這也表明隨著當(dāng)量比增大，燃料混合物的摻混效果更佳，爆震效果更好。

2.2 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度變化分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)在長程工作過程中，集氣腔壓力和燃燒室壓力均保持穩(wěn)定，離子探針信號(hào)也保持穩(wěn)定，燃燒室內(nèi)爆震波能夠保持穩(wěn)定傳播，由于篇幅有限，本文不做過多贅述。圖9為工況#6實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)量曲線。傳感器的輸出值為電壓信號(hào)，經(jīng)查閱相關(guān)WRe5-26熱電偶分度表得到相應(yīng)溫度。由此可得在該工況#6下，T1、T2、T3、T4和T5的值分別為1 757 ℃，1 567 ℃、1 479 ℃、1 458 ℃、1 195 ℃。由圖9可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火之后燃燒室內(nèi)溫度開始急劇升高，T1、T2、T3、T4和T5溫度曲線均在1 s之內(nèi)依次達(dá)到穩(wěn)定，T1達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間最短，T5實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定時(shí)間最長，由此表明燃燒室前段最先產(chǎn)生爆震，且燃燒更劇烈，溫度更高。而在發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后，溫度曲線立即呈下降趨勢(shì)，燃燒室內(nèi)溫度也逐漸恢復(fù)至環(huán)境溫度。

在該工況下，環(huán)形燃燒室內(nèi)溫度沿軸向逐漸降低，且燃燒室前段溫度要遠(yuǎn)高于燃燒室末段，兩者溫差高達(dá) 600 ℃。這是由旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理和爆震波結(jié)構(gòu)決定的。在燃燒室前段不斷噴入新鮮反應(yīng)物，發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)釋放大量熱量，溫度較高。而在爆震波高度以外，其反應(yīng)物離子濃度信號(hào)較弱，前段產(chǎn)生的爆震產(chǎn)物向下游排出，在這個(gè)過程中爆震產(chǎn)物與燃燒室壁面會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換，所以溫度逐漸降低。

圖10為上述8個(gè)工況的環(huán)形燃燒室內(nèi)溫度度變化情況。由圖10可知，在同一個(gè)工況下，環(huán)形燃燒室內(nèi)溫度沿軸向逐漸降低，燃燒室前段與末段溫差通常在300 ℃以上，這也意味著爆震波在傳播過程中產(chǎn)生大量熱損失，其中大部分是由于與燃燒室壁面、殼體的熱交換造成；除測(cè)量點(diǎn)T5外，在同一位置，溫度隨著當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)總體上升的趨勢(shì)。爆震歸根到底仍屬于一種燃燒，當(dāng)量比增大，代表噴入燃燒室內(nèi)的燃料越多，燃燒越劇烈，從而導(dǎo)致燃燒室溫度隨著當(dāng)量比增加而升高。而在測(cè)量點(diǎn)T5，由于靠近燃燒室出口位于爆震波末端，存在激波膨脹等復(fù)雜情況，進(jìn)一步的深入研究工作將在以后展開，本文不做過多討論。

3 結(jié)論

本文以氫氣/空氣的燃料組合進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)爆震實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1) 在該發(fā)動(dòng)機(jī)模型下，旋轉(zhuǎn)爆震波能夠起爆并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自持傳播。當(dāng)量比在0.74～1.36時(shí)，旋轉(zhuǎn)爆震波傳播速度隨著當(dāng)量比的變化，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

2) 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，在所有工況條件下環(huán)形燃燒室內(nèi)工作溫度不超過2 200 ℃。

3) 在同一工況條件下，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)溫度沿軸向呈逐漸降低的趨勢(shì)，且燃燒室前段溫度與末段溫度相差300 ℃以上。在不同工況下，燃燒室內(nèi)溫度隨著當(dāng)量比的變化，呈現(xiàn)總體升高的趨勢(shì)。

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