富氫燃氣與液氧爆轟及補燃特性試驗研究

王朝暉，孔維鵬，王 仙，田 原

(北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引言

燃氣發生器循環氫氧液體火箭發動機利用燃氣發生器產生一定溫度的富氫燃氣驅動渦輪泵做功，做完功后的燃氣通過渦輪排氣管排入周圍環境。氫氧發動機的氧渦輪泵會用到少量的液氧進行密封隔離，此部分氧會在渦輪排氣管附近排入周圍環境。因此渦輪排氣管附近區域具備同時存在富氫燃氣和液氧的情況，此區域共存的富氫燃氣和液氧是否能在某種特定的條件下發生爆轟或補燃等現象將會對發動機周圍的力熱環境造成影響，從而影響到發動機上其他組件的可靠性。目前對此類問題國內尚未進行過系統完整的研究。

在不同種類推進劑液體火箭發動機中，以氫氧液體火箭發動機中的氫氧爆轟威力最大，也最危險，需要特別關注和防范。一般正常情況下，液體火箭發動機穩態燃燒時，燃燒火焰鋒面在燃燒室內的位置基本上不會發生變化，燃燒反應屬于緩慢燃燒，火焰鋒面前后的壓力是一致的，并不發生壓力突變，但是如果在其他異常情況下，比如氧化劑和燃料發生串腔等，可能就會產生爆轟燃燒，爆轟燃燒是一種比緩慢燃燒反應程度劇烈上千倍的爆炸式化學反應,其火焰前鋒的波陣面是一種以超聲速傳播的強激波，未燃混合氣體通過該強激波時受到強烈壓縮而升溫升壓從而發生爆炸式化學反應[1]。由于爆轟燃燒是顯著區別與普通緩慢燃燒的一種特殊燃燒方式，吸引了許多人對其進行研究。何小民等[2]利用離子探針和高頻壓力傳感器等手段對管內火焰的傳播速度和燃燒壓力波進行了測量，對爆燃到爆轟的轉捩過程進行了分析，認為在爆轟產生初期，爆震管內將會出現三道火焰面。韓旭[3]利用實驗手段對超聲速預混氣中的高速熱射流起爆特性進行了研究，分析了來流當量比、來流溫度和來流馬赫數對起爆特性的影響，認為來流速度是影響高速熱射流起爆的關鍵因素，來流速度較高時起爆將經歷一個DDT過程，來流速度較低時則與爆震熱射流起爆類似。韓旭等[4]還利用數值模擬的手段對超聲速預混氣的熱射流起爆過程進行了數值研究，數值計算結果表明逐漸減小射流角度將會依次出現駐定、不駐定和起爆失敗三種結果。李自然等[5]通過實驗手段研究了氣流狀態參數對超聲速斜爆震熱射流起爆特性的影響，發現一般情況下預混氣來流當量比和溫度的提高將有利于DDT過程和縮短DDT時間，但是當量比的影響具有一定的隨機性。文獻[6]對預混氫氣-空氣的爆震現象進行了數值研究，主要研究了爆轟波結構以及有限速率化學反應模型對計算結果的影響，計算結果表明，高度簡化的化學反應模型(例如單步或兩步反應模型)能夠很好的模擬氫氣-空氣的自持爆轟現象。文獻[7]從理論和試驗角度研究了混合比對氫氧爆轟特性的影響，所研究的氣氫氣氧混合比范圍為2.5～40，理論計算表明爆轟波速度隨混合比升高而降低，而其他爆轟參數在化學當量比附近最大，與試驗結果吻合較好。王漢良等[8]利用煙跡技術對氫/氧/氬氣混合氣在管道內的爆轟現象進行記錄，并對爆轟波的繞射和反射特性進行了分析。程關兵等[9]在方形激波管內對氫/空氣混合氣進行了爆轟實驗研究，獲得了DDT轉捩圖像，并認為采用紋影法得到的DDT距離要比采用壓力-時間法更為準確。唐新猛[10]則重點對無內柱連續旋轉爆轟發動機進行了詳細研究。文獻[11]研究了不同點火能量、混合比和點火位置對預混氣DDT距離的影響，結果表明DDT距離主要取決于混合比，而當點火能量大于一定值后，DDT距離就與點火能量無關。2017年姜凱等[12]采用經典C-J爆轟理論對于氫氧爆轟問題進行了計算，分析了混合比、初壓和初溫三個因素對氫氧爆轟特性的影響，結果表明，初溫越低、初壓越大、混合比越接近化學當量混合比，那么氫氧爆轟的強度也就越大；姜凱的計算結果還表明如果低溫氫氧在當量混合比附近發生爆轟時，最高爆轟壓力可達220 MPa，最高爆轟溫度可達4 500 K，最高爆速可以達3 000 m/s。此外，文獻[13-16]也對爆轟進行了相關的闡述和研究。

本文首先介紹了氫氧等相關爆轟的研究現狀，然后針對本文要研究的氫氧液體火箭發動機中的爆轟問題搭建了爆轟試驗研究系統，利用試驗手段對富氫燃氣與液氧之間的爆轟特性及補燃特性進行了探索研究。

1 試驗系統

爆轟研究的試驗系統原理示意圖如圖1所示，主要包括富氫燃氣發生系統、常溫氣氫系統、液氧導管部分、排氣管試驗件以及相關的測量控制系統。

圖1 試驗系統原理示意圖Fig.1 Test system schematic

富氫燃氣發生系統通過一個氫氧火炬點火器來產生一定溫度的富氫燃氣模擬氫氧發動機的渦輪廢氣；常溫氣氫用來對燃氣進行降溫，根據液氧導管是否插入排氣管試驗件內部將試驗狀態分為預混和非預混。排氣管試驗件上的壓力、溫度以及振動等相關測點位置如圖2所示。

圖2 試驗件相關測點位置圖Fig.2 Measuring point position

2 試驗內容及結果分析

2.1 非預混狀態下的爆轟

非預混狀態爆轟模擬試驗主要模擬研究液氧與氧渦輪排氣管排出的富氫燃氣在排氣管外摻混后遇到外點火源后能否產生爆轟及其對排氣管試驗件的影響。非預混狀態爆轟模式示意圖如圖3所示。

圖3 非預混狀態爆轟模式示意圖Fig.3 Non-premixed detonation mode schematic

非預混狀態下的爆轟試驗共進行了6次，試驗參數及狀態如表1所示。前五次均出現了富氫燃氣與空氣發生補燃的情況，而富氫燃氣一旦與空氣發生補燃，就破壞了產生爆轟的條件，因此也就無法產生外場爆轟，富氫燃氣與空氣補燃可能和點火時序、燃氣出流狀態等因素有關。試驗結果還表明，常溫氫氣的加入會降低富氫燃氣溫度，但不會導致已經與空氣補燃的富氫燃氣熄火；液氧的加入會加劇補燃效果，液氧導管出口端如果插入補燃后的燃氣中，其背風面局部會發生燒蝕，火光明亮，并伴有金屬燒蝕物呈噴射狀隨燃氣流向下游。

第6次非預混爆轟試驗時，富氫燃氣完全無色透明，未與空氣補燃，如圖4所示，當采用火藥點火器將富氫燃氣與空氣混合氣點燃時，火焰變得可見，顏色為淡橙色，如圖5所示，同時伴隨較大的聲響，附近的攝像頭也發生了大幅抖動，試驗件上的振動及沖擊傳感器上無明顯響應，說明燃氣沖擊波并未傳播至試驗件內部，試驗件無任何損壞。約2 s后，導管將液氧斜向噴入燃氣，液氧與燃氣進一步補燃，補燃區域的光焰亮度增加，如圖6所示。

圖4 燃氣未與空氣補燃時的形態Fig.4 None afterburning between burned gas with air

圖5 燃氣與空氣被點燃瞬間形態Fig.5 The picture of burned gas ignited

通過對上述試驗現象及結果分析，可以初步得出以下結論：

表1 非預混爆轟試驗參數及狀態

圖6 通入液氧后的火焰形態Fig.6 The picture of gas after the inflow of liquid oxygen

1) 富氫燃氣一旦與空氣發生補燃，就破壞了產生爆轟的條件，也就無法產生外場爆轟；

2) 富氫燃氣在不與空氣補燃的情況下，待其積存一定量后再通過外能源點燃能夠產生較為強烈的沖擊波，對周圍環境造成沖擊，但在試驗件的振動測量上基本無響應；

3) 富氫燃氣與空氣不補燃時，白天狀態下，火焰顏色呈無色透明狀，與空氣補燃后火焰顏色呈淡橙色或淡黃色，富氫燃氣與氧補燃會使補燃區域的火焰亮度增加。

2.2 預混狀態下的爆轟

預混狀態爆轟模擬試驗主要模擬研究液氧導管插入排氣管試驗件內部與富氫燃氣摻混后遇到外點火源被點燃后能否產生爆轟及其對排氣管試驗件的影響。預混狀態爆轟模式示意圖如圖7所示。

圖7 預混狀態爆轟模式示意圖Fig.7 Premixed detonation mode schematic

共有兩次預混狀態爆轟試驗觀察到了氫氧爆轟現象。第一次試驗富氫燃氣總流量約148 g/s、混合比約0.69、燃氣溫度約728 K，排氣管內的壓力為0.11 MPa，燃氣噴出排氣管后火焰無色、透明，未與空氣發生補燃。第20.85 s時180 g/s液氧從垂直方向噴入燃氣，使得排氣管內的溫度下降約23 K，壓力升高至0.13 MPa，火焰仍然無色透明，表明液氧在排氣管內未與燃氣產生補燃。第26.85 s時安裝在排氣管壁上的火藥點火器點燃管內的液氧與富氫燃氣的混氣(液氧與富氫燃氣中殘留氫的混合比約2.1)，發生了爆轟，在管內距液氧進口下游120 mm的高頻脈動壓力測點P4處產生了約2.6 MPa的壓力峰(未點燃前的預混燃氣壓力為0.13 MPa，二者比值20)，約1 ms后壓力降為1 MPa左右，又經過3.5 ms左右降為0.1 MPa，如圖8所示，爆轟發生時，液氧進口上游約500 mm處的P1高頻速變壓力測點監測到了0.36 MPa的壓力峰，與測點P4相比壓力衰減明顯。爆轟瞬間，排氣管出口處火焰突然變得明亮，可見界面清晰的波峰面，同時排氣管內燃氣溫度急劇上升，并在約3 s后燒穿排氣管壁。圖9是爆轟瞬間的火焰形態，圖10和圖11是試驗件發生燒蝕瞬間及試后檢查情況。

圖8 高頻壓力曲線Fig.8 High frequency pressure pulsation curve

圖9 爆轟瞬間火焰形態Fig.9 The picture of the flame at the moment of detonation

圖10 爆轟后試驗件燒蝕火焰形態Fig.10 The picture of the ablative flame after detonation

圖11 爆轟后試驗件外觀Fig.11 The test product appearance after detonation

第二次試驗時，產生富氫燃氣的火炬點火器在啟動過程中，常溫氣氫與液氧間形成了爆轟現象。試驗時常溫氣氫先進入火炬點火器下游的燃氣管路，之后火炬點火器電火花塞開始點火，約3.5 s后間隔約1 s依次打開火炬點火器的液氧閥和液氫閥。由于液氧比液氫先進入，其與常溫氣氫在燃氣管路中摻混后形成了預混好的可燃混合氣，在火炬點火器點火后被引燃形成管內爆轟，在管內P1測點處測到多個壓力峰，持續時間約37 ms，其中最大的壓力峰約4.1 MPa，約為爆轟前當地壓力的34倍，P1和P4壓力曲線如圖12所示。

圖12 爆轟時壓力曲線Fig.12 The pressure curve at the moment of detonation

預混狀態的爆轟試驗表明：

1) 當富氫燃氣與液氧未補燃同時混氣的中液氧與燃氣中殘余氫氣的混合比為2.1且被外能源點燃時，可以發生爆轟，爆轟后局部壓力峰可達2.6 MPa，約為未爆轟前混氣壓力的20倍，壓力峰持續時間約1 ms；

2) 爆轟波從氫氧混合區向上游富氫燃氣區傳播時會發生顯著衰減；

3) 氣氫與液氧混合氣在管內被點燃時會形成爆轟，產生多個瞬時壓力峰，爆轟壓比最大可達34。

2.3 液氧與燃氣補燃特性

2.3.1 大流量液氧泄漏狀態

大流量液氧泄漏狀態試驗只進行了一次，試驗系統與預混狀態爆轟試驗系統相同，但排氣管中未設置點火源。試驗時，富氫燃氣流量為128 g/s，混合比0.88，排氣管內燃氣溫度721 K，壓力0.46 MPa，35 s后，177 g/s液氧垂直噴入排氣管內燃氣中(此時試管內液氧/燃氣比例1.38，液氧/當地殘余氫氣比例2.93)，噴入點下游的T4測點溫度降至約630 K，表明液氧并未與燃氣發生燃燒，溫度變化曲線如圖13所示。當液氧噴入點上游富氫燃氣溫度逐漸升高至733 K時，排氣管內緩變壓力測點數值急劇升高至最高0.94 MPa，如圖14所示，液氧與燃氣補燃瞬間錄像截圖如15所示；同時T4測點溫度也快速升高并被燒壞，隨后排氣管試驗件也燒穿。試驗結果表明，富氫燃氣在溫度較高時是能夠與液氧發生自動補燃的。

圖13 燃氣溫度變化曲線Fig.13 The temperature curve of the gas

圖14 燃氣壓力變化曲線Fig.14 The pressure curve of the gas

2.3.2 小流量液氧泄漏狀態

小流量液氧滲漏補燃特性試驗共進行了6次，液氧通過1個直徑0.5 mm小孔滲漏進燃氣中，其中液氧滲漏方向與燃氣來流方向分別呈順流、垂直和逆流，如圖16所示，試驗參數如表2所示。試驗結果表明，此流量比例下滲漏的液氧不會與溫度960 K以下的富氫燃氣自動補燃。

圖15 液氧與燃氣補燃瞬間Fig.15 The time of spontaneous combustion of liquid oxygen and gas

圖16 液氧出口小孔與燃氣流相對位置示意圖Fig.16 The schematic diagram of the relative position of a liquid oxygen outflow small hole and gas

從液氧與燃氣的補燃試驗結果來看，液氧與富氫燃氣相遇后是否自燃與二者流量比例有一定的關系，當液氧流量與富氫燃氣流量比例為1.38時，燃氣溫度達到733 K就可自動發生補燃；當液氧流量與富氫燃氣流量比例小于0.038時，燃氣溫度在960 K以下時，液氧與富氫燃氣無法自動發生補燃。

表2 小流量液氧與燃氣補燃特性試驗參數

3 結論

本文采用試驗研究的方法對不同狀態下的富氫燃氣與液氧間爆轟及補燃特性進行了研究分析，得到以下結論：

1)富氫燃氣和液氧可以在管內預混狀態下發生爆轟，試驗得到的最大爆轟壓比約34，且持續時間為毫秒級，但由于上游并不存在預混物，因此爆轟波向上游傳播時會在很短距離內發生迅速衰減。

2)富氫燃氣與空氣不補燃時，白天狀態下，火焰顏色呈無色透明狀，與空氣補燃后火焰顏色呈淡橙色或淡黃色，富氫燃氣與氧補燃會使補燃區域的火焰亮度增加。

3)液氧與富氫燃氣之間是否能自動發生補燃主要因素是與二者混合比例及溫度有關，當混合比例和溫度同時滿足一定條件時才能發生補燃，當混合比例不合適時，即使燃氣溫度很高也不會發生自動補燃。