NOFBx推進劑的火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽囼灱胺治?/h1>
2021-11-03 02:39:50王子模蔣榕培
火箭推進 2021年5期
施 偉，關 亮，王子模，蔣榕培，徐 森
(1.上海空間推進研究所，上海 201112； 2.上海空間發(fā)動機工程技術研究中心，上海 201112；3.北京航天試驗技術研究所，北京 100074； 4.南京理工大學 化工學院，江蘇 南京 210094)
0 引言
目前，單組元推進劑和雙組元推進劑廣泛應用于航天器姿軌控動力系統(tǒng)中，其中單組元推進劑普遍存在能量低、冰點高、毒性大等缺點；雙組元推進劑存在系統(tǒng)復雜、可靠度不高等缺點。因此，國內(nèi)外研究人員在氧化亞氮單組元推進劑[1]和氧化亞氮雙組元推進劑[2]研究的基礎上提出了氧化亞氮與烴類燃料共存、混合比可控的綠色高能單組元推進劑，即氧化亞氮基單元復合(NOFBx)推進劑[3-5]。相比于氧化亞氮單組元推進劑，NOFBx推進劑中烴類燃料的加入大幅提高了推進劑比沖[6]。推進劑采用氧燃混合的單組元供應方式，相比于以氧化亞氮為氧化劑的雙組元推進劑，NOFBx推進劑的動力系統(tǒng)得到大幅簡化[7-8]。更有研究人員致力于NOFBx推進劑供應系統(tǒng)的自增壓特性研究，為進一步簡化系統(tǒng)提供了可能[9]。
NOFBx推進劑中氧化劑和燃料共存，點燃后在孤立系統(tǒng)中也能持續(xù)燃燒。因此燃燒系統(tǒng)中存在火焰向推進劑供應端傳播的可能，即發(fā)生“回火”[10]，繼而引發(fā)嚴重事故。因此，其防回火設計已成為NOFBx推進劑研究的重要課題[11-13]。目前已經(jīng)確認的湍流回火形式可以分為主流回火、邊界層回火和燃燒導致的漩渦破碎造成的回火。依據(jù)主流回火和邊界層回火原理，采用毛細管作為防回火材料，一方面可以提高推進劑流速從而抑制主流回火，另一方面毛細管壁面的熱損失可以抑制邊界層回火從而發(fā)生淬息。淬息管徑是預混氣體燃燒和爆轟的傳播行為的重要參數(shù)[14]，火焰在小于淬息管徑的燃燒管中傳播時會發(fā)生熄滅，在大于淬息管徑的燃燒管中可以穩(wěn)定傳播。
預混的NOFBx推進劑在大于燃燒管中傳播，會從常規(guī)的爆燃波(即常規(guī)的燃燒傳播)加速轉(zhuǎn)化為爆轟波。爆轟波是一種以超音速傳播并伴隨有化學反應的沖擊波，通過其前導沖擊波壓縮可燃氣體實現(xiàn)自燃點火，并借助燃燒釋放的化學能實現(xiàn)自持傳播[15]。Chapman和Jouguet在20世紀初分別提出了關于爆轟波的平面一維流體動力學理論，簡稱爆轟波的C-J理論。C-J理論將爆轟波視為帶有化學反應的沖擊波，其波陣面上仍滿足質(zhì)量、動量和能量守恒。對于通常的氣體爆炸物爆轟波的傳播速度一般約為1 500～4 000 m/s，爆轟終了斷面所達到的壓力和溫度分別為數(shù)兆帕和2 000～4 000 K。NASA開發(fā)的chemical equilibrium applications(CEA)軟件[16-17]基于Zeleznik等[18]提出的計算方法提供了C-J爆轟速度的計算模塊，可用于計算可燃預混氣體的點火的C-J理論爆轟速度[19]。
本文搭建了NOFBx推進劑火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽囼炂脚_，研究了不同配比NOFBx推進劑的火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕噲D得出不同配比的NOFBx推進劑的安全設計準則。
1 試驗系統(tǒng)
1.1 試驗裝置
試驗裝置由配氣系統(tǒng)、燃燒管路系統(tǒng)、點火系統(tǒng)及高速攝影系統(tǒng)等組成。
配氣系統(tǒng)用于配制試驗所需的推進器氣體組分，主要由氣瓶、流量計、氣袋、真空泵及若干導管組成，如圖1所示。流量計型號為S48300HMT，由北京堀場匯博隆精密儀器有限公司生產(chǎn)，量程為0～200 mL/min或0～500 mL/min，可精確控制流量從而決定氣袋中各組分的含量；氣袋為上海申源科學儀器有限公司生產(chǎn)的E-Switch品牌采樣袋。
燃燒管路系統(tǒng)由透明有機玻璃管和不銹鋼毛細管組成。其中，3為加速管(有機玻璃材質(zhì))，5為不銹鋼毛細管，6為驗證管(有機玻璃材質(zhì))。前端加速管內(nèi)徑為15 mm，長度為2 000 mm。后端驗證管內(nèi)徑為15 mm，長度為500 mm。中間的不銹鋼毛細管內(nèi)徑共有5種規(guī)格，分別為0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.2 mm和2.0 mm，不同內(nèi)徑的不銹鋼毛細管長度均為1 000 mm。試驗裝置如圖2所示。
1-進氣管；2-電極柱；3-加速管；4-連接變徑；5-不銹鋼毛細管；6-驗證管；7-點火電源；8-高速攝影儀；9-計算機。
點火系統(tǒng)主要由電源、電阻絲等組成。電源為電壓20 V、電流10 A的直流電源。電阻絲采用長100 mm、直徑0.6 mm的鎳鉻合金絲。試驗采用電極柱加熱電阻絲的方式進行點火，接通電源后電阻絲表面溫度可達1 200 ℃，利用電阻絲表面高溫可迅速引燃預混氣體。
高速攝影系統(tǒng)釆用日本PHOTRON公司生產(chǎn)的“FASTCAM”系列高速攝像機，如圖3所示。該高速攝像機的曝光時間為100 ns，像素為1 280×800。本試驗中將拍攝速度設置為10 000幀/s，即連續(xù)兩幀之間的時間間隔為0.1 ms。利用高速攝影儀拍攝的預混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程，可以直觀地判斷火焰是否通過不銹鋼毛細管。
圖3 高速攝影儀實物圖
1.2 試驗氣體配方
試驗氣體包含N2O/C2H4，N2O/C2H4/St和N2O/C3H8等配方，試驗工況編號及混合配比如表1所示。St代表穩(wěn)定劑，配比中數(shù)值x
表1 預混氣體配方
1.3 試驗步驟
1)配氣前用真空泵將氣袋中的空氣抽出，接著依次用氧化亞氮、燃料氣清洗配氣管路，最后將燃料氣和氧化亞氮按先后順序充入氣袋中。上述工作完成后將氣袋靜置24 h，確保氣體組分均勻混合。
2)安裝并調(diào)試試驗系統(tǒng)，確保燃燒管路、點火系統(tǒng)及高速攝影系統(tǒng)均處于良好狀態(tài)。
3)檢查管道的氣密性。用真空泵將有機玻璃管和連接管內(nèi)的空氣抽出，使管道中保持負壓，放置0.5 h觀察真空壓力表讀數(shù)變化情況，確保管道具有良好的氣密性。
4)將氣袋中的氣體充入管路，當真空壓力表讀數(shù)達大氣壓時停止充氣；隨后用真空泵將有機玻璃管中的預混氣體抽出。按照上述方法用配好的預混氣體再次沖洗管道及管路。最后再次充入預混氣體，管道內(nèi)壓力達大氣壓時關閉管道進氣閥并做好氣密，等待試驗。
5)將充好預混氣體的管道安裝在試驗架上，連接點火系統(tǒng)的線路，等待接通電源。隨后開啟數(shù)據(jù)采集儀以及高速攝像機并使其處于待機狀態(tài)。使高速攝影儀和點火器按預設的時間依次觸發(fā)，動態(tài)測量火焰?zhèn)鞑ミ^程中的火焰圖像。
6)試驗完成后，存儲高速攝影的圖像數(shù)據(jù)。更換新的燃燒管路系統(tǒng)并從步驟3)開始進行下一試驗程序。
2 試驗結(jié)果和分析
NOFBx推進劑火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽囼灥木唧w工況及試驗結(jié)果如表2所示。
表2 試驗工況及試驗結(jié)果
注：“○”表示火焰通過；“×”表示火焰未通過；“―”表示未做。
分別從高速攝像結(jié)果、不同配比結(jié)果比較、相同配比結(jié)果比較、爆轟速度和毛細管防回火臨界直徑等方面對試驗結(jié)果進行分析。
2.1 高速攝像結(jié)果分析
火焰未通過毛細管的高速攝像結(jié)果以工況 C2為例，如圖4所示。試驗工況C2的預混氣體配方為N2O/C2H4/St=9∶1∶y，毛細管內(nèi)徑1.2 mm。火焰在加速管中從右向左傳播，在約2.6 ms時火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@增大，在約2.8 ms時發(fā)生爆轟并迅速傳至中部毛細管前，此后火焰未能傳過毛細管到達左側(cè)驗證管。說明該種配方的預混氣體不能通過內(nèi)徑為1.2 mm的不銹鋼毛細管。
圖4 典型試驗工況C2高速攝像圖片(N2O/C2H4/St=9∶1∶y，φ=1.2 mm)
火焰通過毛細管的高速攝像結(jié)果以工況 A3為例，如圖5所示。試驗工況A3的預混氣體配方為N2O/C2H4=9∶1，毛細管內(nèi)徑0.7 mm。火焰在加速管中從右向左傳播，在約2.0 ms時火焰發(fā)生爆轟并迅速傳至中部毛細管前，約0.6 ms后左側(cè)驗證管中出現(xiàn)火焰并傳播至驗證管末端。
圖5 典型試驗工況A3高速攝像圖片(N2O/C2H4=9∶1，φ=0.7 mm)
火焰鋒面在組合管道中的傳播位置與速度如圖6所示。圖中火焰鋒面位置/速度圖線均分為兩段，第一段為加速管中火焰鋒面位置/速度隨時間的變化曲線，第二段為驗證管中火焰鋒面位置/速度隨時間的變化曲線；2.0～2.6 ms為火焰通過中間毛細管的時間。火焰鋒面的速度圖線中，0～1.4 ms階段，火焰處于緩慢加速階段，速度由約100 m/s增至約800 m/s；1.4 ms后火焰速度出現(xiàn)跳躍式增長，最大速度增至2 400 m/s以上，此時預混氣體由爆燃轉(zhuǎn)為爆轟。隨后，預混火焰進入中間的不銹鋼毛細管，經(jīng)過毛細管到達驗證管后繼續(xù)向前傳播，驗證管中初始火焰速度同加速管中點火初期火焰速度相同，均約為100 m/s；經(jīng)過毛細管后火焰速度急劇下降，說明火焰在毛細管中傳播時熱損失大于熱釋放，能量損耗后火焰速度下降。2.6～3.6 ms，火焰速度由約100 m/s持續(xù)增加至約600 m/s。在此種條件下，預混氣體火焰形成的爆轟波能通過內(nèi)徑為0.7 mm的不銹鋼毛細管。
圖6 試驗工況 A3的火焰鋒面位置/速度圖線
2.2 不同配比結(jié)果分析
針對不同配比的工況 A3、B2和C1的火焰鋒面位置和速度變化趨勢進行對比，如圖7所示。
圖7 試驗工況 A3、B2和C1的火焰鋒面位置和速度圖線
3種工況的配方差異包括是否添加穩(wěn)定劑St及穩(wěn)定劑的添加比例，由表1可知，工況 A3的配方中未添加穩(wěn)定劑St，工況 B2和C1的配方中添加了穩(wěn)定劑且工況 C1中添加的比例更高。根據(jù)圖7中火焰鋒面位置圖線可知，工況 A3的火焰鋒面行進速度最快，僅耗時約2.0 ms到達加速管末端；工況 B2的火焰鋒面次之，耗時約2.3 ms；工況 C1的火焰鋒面耗時約2.7 ms。火焰鋒面速度曲線表現(xiàn)出類似的差異化：工況 A3的火焰鋒面速度曲線最早發(fā)生突變，工況 B2和工況 C1 次之。這說明穩(wěn)定劑St的加入對預混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦援a(chǎn)生了明顯的影響，且穩(wěn)定劑的添加量更多時，影響效果更為強烈。
2.3 相同配比結(jié)果分析
針對工況 C1和C2、工況 E2和E3這兩組相同配比的試驗結(jié)果進行分析，得到兩組火焰鋒面位置和速度曲線，如圖8和圖9所示。
圖8 試驗工況 C1和C2的火焰鋒面位置和速度圖線
圖9 試驗工況 E2和E3的火焰鋒面位置和速度圖線
可以明顯看到，相同配比的試驗，其火焰鋒面位置和速度曲線高度重合，認為相同配比試驗的火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸恢滦暂^好。工況 C1、E2中火焰通過毛細管傳至驗證管中而工況C2、E3中火焰未能傳播至驗證管的現(xiàn)象，可以歸因于毛細管直徑的差異。
2.4 爆轟速度分析
對部分工況的爆轟速度進行整理，并利用CEA軟件分別計算了對應配比預混氣體的C-J理論爆轟速度，計算時環(huán)境參數(shù)選取與實際試驗環(huán)境一致，即298 K、1 atm。試驗實測結(jié)果和計算結(jié)果如表3所示。
表3 典型試驗工況的C-J理論爆轟速度和實測速度
通過表3可以發(fā)現(xiàn)預混氣體配方變化引起的實測爆轟速度的變化趨勢與C-J理論爆轟速度的變化趨勢相一致，即穩(wěn)定劑的加入會降低預混氣體的C-J理論爆轟速度，且在本文的研究范圍內(nèi)，隨著穩(wěn)定劑占比的增加，預混氣體爆轟速度逐漸下降。
此外，實測爆轟速度均比相應的C-J理論爆轟速度要大，這是由于加速管出口處毛細管管徑較小，加速管幾乎處于密封狀態(tài)，光滑管道中預混氣體形成了過驅(qū)爆轟[20]。過驅(qū)爆轟速度超過氣體的C-J理論爆轟速度，如果管道足夠長，爆轟速度會下降并穩(wěn)定至C-J爆轟速度。
2.5 毛細管防回火臨界直徑
根據(jù)上述試驗結(jié)果，對于長度1 000 mm的不銹鋼毛細管，得到各配方預混氣體的毛細管防回火臨界直徑和加速管最短耗時如表4所示。
因此，按照9∶1配比的N2O/C2H4的預混氣體防回火臨界直徑在0.5～0.7 mm之間，即預混氣體火焰無法通過小于該臨界直徑、長度1 000 mm的不銹鋼毛細管。
配方中添加穩(wěn)定劑St后，預混氣體臨界直徑增加。而且隨著穩(wěn)定劑所占比例的增加，預混氣體臨界直徑和加速段最短耗時均呈增加趨勢，這也進一步說明穩(wěn)定劑的加入能夠有效抑制預混氣體的火焰?zhèn)鞑ツ芰Α?/p>
3 結(jié)論
本文對NOFBx推進劑的火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了常溫常壓下的燃燒試驗研究，通過開展不同推進劑配方、不同毛細管直徑的系列對比試驗，得到結(jié)論如下：
1)穩(wěn)定劑St的加入對預混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦援a(chǎn)生顯著影響。在本文的研究范圍內(nèi)，穩(wěn)定劑的添加量越大，其對預混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸种菩Ч綇姡憩F(xiàn)為不銹鋼毛細管防回火臨界直徑的增大。
2)預混氣體配方變化引起的試驗實測爆轟速度的變化趨勢與C-J理論爆轟速度相一致，即穩(wěn)定劑的加入會降低預混氣體的爆轟速度，且在本文的研究范圍內(nèi)，穩(wěn)定劑占比增加，預混氣體爆轟速度下降。
3)通過對比試驗，得到幾種不同配比NOFBx推進劑的毛細管臨界直徑范圍。例如，9∶1配比的N2O-C2H4預混氣體在長度1 000 mm的毛細管中的防回火的臨界直徑在0.5～0.7 mm之間，而9∶1∶x配比的N2O-C2H4預混氣體在長度1 000 mm的毛細管中的防回火的臨界直徑在0.7～1.2 mm之間。針對實際發(fā)動機所采用的較短毛細管，需要開展進一步的試驗確定其防回火臨界直徑。
施 偉，關 亮，王子模，蔣榕培，徐 森
(1.上海空間推進研究所，上海 201112； 2.上海空間發(fā)動機工程技術研究中心，上海 201112；3.北京航天試驗技術研究所，北京 100074； 4.南京理工大學 化工學院，江蘇 南京 210094)
0 引言
目前，單組元推進劑和雙組元推進劑廣泛應用于航天器姿軌控動力系統(tǒng)中，其中單組元推進劑普遍存在能量低、冰點高、毒性大等缺點；雙組元推進劑存在系統(tǒng)復雜、可靠度不高等缺點。因此，國內(nèi)外研究人員在氧化亞氮單組元推進劑[1]和氧化亞氮雙組元推進劑[2]研究的基礎上提出了氧化亞氮與烴類燃料共存、混合比可控的綠色高能單組元推進劑，即氧化亞氮基單元復合(NOFBx)推進劑[3-5]。相比于氧化亞氮單組元推進劑，NOFBx推進劑中烴類燃料的加入大幅提高了推進劑比沖[6]。推進劑采用氧燃混合的單組元供應方式，相比于以氧化亞氮為氧化劑的雙組元推進劑，NOFBx推進劑的動力系統(tǒng)得到大幅簡化[7-8]。更有研究人員致力于NOFBx推進劑供應系統(tǒng)的自增壓特性研究，為進一步簡化系統(tǒng)提供了可能[9]。
NOFBx推進劑中氧化劑和燃料共存，點燃后在孤立系統(tǒng)中也能持續(xù)燃燒。因此燃燒系統(tǒng)中存在火焰向推進劑供應端傳播的可能，即發(fā)生“回火”[10]，繼而引發(fā)嚴重事故。因此，其防回火設計已成為NOFBx推進劑研究的重要課題[11-13]。目前已經(jīng)確認的湍流回火形式可以分為主流回火、邊界層回火和燃燒導致的漩渦破碎造成的回火。依據(jù)主流回火和邊界層回火原理，采用毛細管作為防回火材料，一方面可以提高推進劑流速從而抑制主流回火，另一方面毛細管壁面的熱損失可以抑制邊界層回火從而發(fā)生淬息。淬息管徑是預混氣體燃燒和爆轟的傳播行為的重要參數(shù)[14]，火焰在小于淬息管徑的燃燒管中傳播時會發(fā)生熄滅，在大于淬息管徑的燃燒管中可以穩(wěn)定傳播。
預混的NOFBx推進劑在大于燃燒管中傳播，會從常規(guī)的爆燃波(即常規(guī)的燃燒傳播)加速轉(zhuǎn)化為爆轟波。爆轟波是一種以超音速傳播并伴隨有化學反應的沖擊波，通過其前導沖擊波壓縮可燃氣體實現(xiàn)自燃點火，并借助燃燒釋放的化學能實現(xiàn)自持傳播[15]。Chapman和Jouguet在20世紀初分別提出了關于爆轟波的平面一維流體動力學理論，簡稱爆轟波的C-J理論。C-J理論將爆轟波視為帶有化學反應的沖擊波，其波陣面上仍滿足質(zhì)量、動量和能量守恒。對于通常的氣體爆炸物爆轟波的傳播速度一般約為1 500～4 000 m/s，爆轟終了斷面所達到的壓力和溫度分別為數(shù)兆帕和2 000～4 000 K。NASA開發(fā)的chemical equilibrium applications(CEA)軟件[16-17]基于Zeleznik等[18]提出的計算方法提供了C-J爆轟速度的計算模塊，可用于計算可燃預混氣體的點火的C-J理論爆轟速度[19]。
本文搭建了NOFBx推進劑火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽囼炂脚_，研究了不同配比NOFBx推進劑的火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕噲D得出不同配比的NOFBx推進劑的安全設計準則。
1 試驗系統(tǒng)
1.1 試驗裝置
試驗裝置由配氣系統(tǒng)、燃燒管路系統(tǒng)、點火系統(tǒng)及高速攝影系統(tǒng)等組成。
配氣系統(tǒng)用于配制試驗所需的推進器氣體組分，主要由氣瓶、流量計、氣袋、真空泵及若干導管組成，如圖1所示。流量計型號為S48300HMT，由北京堀場匯博隆精密儀器有限公司生產(chǎn)，量程為0～200 mL/min或0～500 mL/min，可精確控制流量從而決定氣袋中各組分的含量；氣袋為上海申源科學儀器有限公司生產(chǎn)的E-Switch品牌采樣袋。
燃燒管路系統(tǒng)由透明有機玻璃管和不銹鋼毛細管組成。其中，3為加速管(有機玻璃材質(zhì))，5為不銹鋼毛細管，6為驗證管(有機玻璃材質(zhì))。前端加速管內(nèi)徑為15 mm，長度為2 000 mm。后端驗證管內(nèi)徑為15 mm，長度為500 mm。中間的不銹鋼毛細管內(nèi)徑共有5種規(guī)格，分別為0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.2 mm和2.0 mm，不同內(nèi)徑的不銹鋼毛細管長度均為1 000 mm。試驗裝置如圖2所示。
1-進氣管；2-電極柱；3-加速管；4-連接變徑；5-不銹鋼毛細管；6-驗證管；7-點火電源；8-高速攝影儀；9-計算機。
點火系統(tǒng)主要由電源、電阻絲等組成。電源為電壓20 V、電流10 A的直流電源。電阻絲采用長100 mm、直徑0.6 mm的鎳鉻合金絲。試驗采用電極柱加熱電阻絲的方式進行點火，接通電源后電阻絲表面溫度可達1 200 ℃，利用電阻絲表面高溫可迅速引燃預混氣體。
高速攝影系統(tǒng)釆用日本PHOTRON公司生產(chǎn)的“FASTCAM”系列高速攝像機，如圖3所示。該高速攝像機的曝光時間為100 ns，像素為1 280×800。本試驗中將拍攝速度設置為10 000幀/s，即連續(xù)兩幀之間的時間間隔為0.1 ms。利用高速攝影儀拍攝的預混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程，可以直觀地判斷火焰是否通過不銹鋼毛細管。
圖3 高速攝影儀實物圖
1.2 試驗氣體配方
試驗氣體包含N2O/C2H4，N2O/C2H4/St和N2O/C3H8等配方，試驗工況編號及混合配比如表1所示。St代表穩(wěn)定劑，配比中數(shù)值x 表1 預混氣體配方 1)配氣前用真空泵將氣袋中的空氣抽出，接著依次用氧化亞氮、燃料氣清洗配氣管路，最后將燃料氣和氧化亞氮按先后順序充入氣袋中。上述工作完成后將氣袋靜置24 h，確保氣體組分均勻混合。 2)安裝并調(diào)試試驗系統(tǒng)，確保燃燒管路、點火系統(tǒng)及高速攝影系統(tǒng)均處于良好狀態(tài)。 3)檢查管道的氣密性。用真空泵將有機玻璃管和連接管內(nèi)的空氣抽出，使管道中保持負壓，放置0.5 h觀察真空壓力表讀數(shù)變化情況，確保管道具有良好的氣密性。 4)將氣袋中的氣體充入管路，當真空壓力表讀數(shù)達大氣壓時停止充氣；隨后用真空泵將有機玻璃管中的預混氣體抽出。按照上述方法用配好的預混氣體再次沖洗管道及管路。最后再次充入預混氣體，管道內(nèi)壓力達大氣壓時關閉管道進氣閥并做好氣密，等待試驗。 5)將充好預混氣體的管道安裝在試驗架上，連接點火系統(tǒng)的線路，等待接通電源。隨后開啟數(shù)據(jù)采集儀以及高速攝像機并使其處于待機狀態(tài)。使高速攝影儀和點火器按預設的時間依次觸發(fā)，動態(tài)測量火焰?zhèn)鞑ミ^程中的火焰圖像。 6)試驗完成后，存儲高速攝影的圖像數(shù)據(jù)。更換新的燃燒管路系統(tǒng)并從步驟3)開始進行下一試驗程序。 NOFBx推進劑火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽囼灥木唧w工況及試驗結(jié)果如表2所示。 表2 試驗工況及試驗結(jié)果 注：“○”表示火焰通過；“×”表示火焰未通過；“―”表示未做。 分別從高速攝像結(jié)果、不同配比結(jié)果比較、相同配比結(jié)果比較、爆轟速度和毛細管防回火臨界直徑等方面對試驗結(jié)果進行分析。 火焰未通過毛細管的高速攝像結(jié)果以工況 C2為例，如圖4所示。試驗工況C2的預混氣體配方為N2O/C2H4/St=9∶1∶y，毛細管內(nèi)徑1.2 mm。火焰在加速管中從右向左傳播，在約2.6 ms時火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@增大，在約2.8 ms時發(fā)生爆轟并迅速傳至中部毛細管前，此后火焰未能傳過毛細管到達左側(cè)驗證管。說明該種配方的預混氣體不能通過內(nèi)徑為1.2 mm的不銹鋼毛細管。 圖4 典型試驗工況C2高速攝像圖片(N2O/C2H4/St=9∶1∶y，φ=1.2 mm) 火焰通過毛細管的高速攝像結(jié)果以工況 A3為例，如圖5所示。試驗工況A3的預混氣體配方為N2O/C2H4=9∶1，毛細管內(nèi)徑0.7 mm。火焰在加速管中從右向左傳播，在約2.0 ms時火焰發(fā)生爆轟并迅速傳至中部毛細管前，約0.6 ms后左側(cè)驗證管中出現(xiàn)火焰并傳播至驗證管末端。 圖5 典型試驗工況A3高速攝像圖片(N2O/C2H4=9∶1，φ=0.7 mm) 火焰鋒面在組合管道中的傳播位置與速度如圖6所示。圖中火焰鋒面位置/速度圖線均分為兩段，第一段為加速管中火焰鋒面位置/速度隨時間的變化曲線，第二段為驗證管中火焰鋒面位置/速度隨時間的變化曲線；2.0～2.6 ms為火焰通過中間毛細管的時間。火焰鋒面的速度圖線中，0～1.4 ms階段，火焰處于緩慢加速階段，速度由約100 m/s增至約800 m/s；1.4 ms后火焰速度出現(xiàn)跳躍式增長，最大速度增至2 400 m/s以上，此時預混氣體由爆燃轉(zhuǎn)為爆轟。隨后，預混火焰進入中間的不銹鋼毛細管，經(jīng)過毛細管到達驗證管后繼續(xù)向前傳播，驗證管中初始火焰速度同加速管中點火初期火焰速度相同，均約為100 m/s；經(jīng)過毛細管后火焰速度急劇下降，說明火焰在毛細管中傳播時熱損失大于熱釋放，能量損耗后火焰速度下降。2.6～3.6 ms，火焰速度由約100 m/s持續(xù)增加至約600 m/s。在此種條件下，預混氣體火焰形成的爆轟波能通過內(nèi)徑為0.7 mm的不銹鋼毛細管。 圖6 試驗工況 A3的火焰鋒面位置/速度圖線 針對不同配比的工況 A3、B2和C1的火焰鋒面位置和速度變化趨勢進行對比，如圖7所示。 圖7 試驗工況 A3、B2和C1的火焰鋒面位置和速度圖線 3種工況的配方差異包括是否添加穩(wěn)定劑St及穩(wěn)定劑的添加比例，由表1可知，工況 A3的配方中未添加穩(wěn)定劑St，工況 B2和C1的配方中添加了穩(wěn)定劑且工況 C1中添加的比例更高。根據(jù)圖7中火焰鋒面位置圖線可知，工況 A3的火焰鋒面行進速度最快，僅耗時約2.0 ms到達加速管末端；工況 B2的火焰鋒面次之，耗時約2.3 ms；工況 C1的火焰鋒面耗時約2.7 ms。火焰鋒面速度曲線表現(xiàn)出類似的差異化：工況 A3的火焰鋒面速度曲線最早發(fā)生突變，工況 B2和工況 C1 次之。這說明穩(wěn)定劑St的加入對預混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦援a(chǎn)生了明顯的影響，且穩(wěn)定劑的添加量更多時，影響效果更為強烈。 針對工況 C1和C2、工況 E2和E3這兩組相同配比的試驗結(jié)果進行分析，得到兩組火焰鋒面位置和速度曲線，如圖8和圖9所示。 圖8 試驗工況 C1和C2的火焰鋒面位置和速度圖線 圖9 試驗工況 E2和E3的火焰鋒面位置和速度圖線 可以明顯看到，相同配比的試驗，其火焰鋒面位置和速度曲線高度重合，認為相同配比試驗的火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸恢滦暂^好。工況 C1、E2中火焰通過毛細管傳至驗證管中而工況C2、E3中火焰未能傳播至驗證管的現(xiàn)象，可以歸因于毛細管直徑的差異。 對部分工況的爆轟速度進行整理，并利用CEA軟件分別計算了對應配比預混氣體的C-J理論爆轟速度，計算時環(huán)境參數(shù)選取與實際試驗環(huán)境一致，即298 K、1 atm。試驗實測結(jié)果和計算結(jié)果如表3所示。 表3 典型試驗工況的C-J理論爆轟速度和實測速度 通過表3可以發(fā)現(xiàn)預混氣體配方變化引起的實測爆轟速度的變化趨勢與C-J理論爆轟速度的變化趨勢相一致，即穩(wěn)定劑的加入會降低預混氣體的C-J理論爆轟速度，且在本文的研究范圍內(nèi)，隨著穩(wěn)定劑占比的增加，預混氣體爆轟速度逐漸下降。 此外，實測爆轟速度均比相應的C-J理論爆轟速度要大，這是由于加速管出口處毛細管管徑較小，加速管幾乎處于密封狀態(tài)，光滑管道中預混氣體形成了過驅(qū)爆轟[20]。過驅(qū)爆轟速度超過氣體的C-J理論爆轟速度，如果管道足夠長，爆轟速度會下降并穩(wěn)定至C-J爆轟速度。 根據(jù)上述試驗結(jié)果，對于長度1 000 mm的不銹鋼毛細管，得到各配方預混氣體的毛細管防回火臨界直徑和加速管最短耗時如表4所示。 因此，按照9∶1配比的N2O/C2H4的預混氣體防回火臨界直徑在0.5～0.7 mm之間，即預混氣體火焰無法通過小于該臨界直徑、長度1 000 mm的不銹鋼毛細管。 配方中添加穩(wěn)定劑St后，預混氣體臨界直徑增加。而且隨著穩(wěn)定劑所占比例的增加，預混氣體臨界直徑和加速段最短耗時均呈增加趨勢，這也進一步說明穩(wěn)定劑的加入能夠有效抑制預混氣體的火焰?zhèn)鞑ツ芰Α?/p> 本文對NOFBx推進劑的火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了常溫常壓下的燃燒試驗研究，通過開展不同推進劑配方、不同毛細管直徑的系列對比試驗，得到結(jié)論如下： 1)穩(wěn)定劑St的加入對預混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦援a(chǎn)生顯著影響。在本文的研究范圍內(nèi)，穩(wěn)定劑的添加量越大，其對預混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸种菩Ч綇姡憩F(xiàn)為不銹鋼毛細管防回火臨界直徑的增大。 2)預混氣體配方變化引起的試驗實測爆轟速度的變化趨勢與C-J理論爆轟速度相一致，即穩(wěn)定劑的加入會降低預混氣體的爆轟速度，且在本文的研究范圍內(nèi)，穩(wěn)定劑占比增加，預混氣體爆轟速度下降。 3)通過對比試驗，得到幾種不同配比NOFBx推進劑的毛細管臨界直徑范圍。例如，9∶1配比的N2O-C2H4預混氣體在長度1 000 mm的毛細管中的防回火的臨界直徑在0.5～0.7 mm之間，而9∶1∶x配比的N2O-C2H4預混氣體在長度1 000 mm的毛細管中的防回火的臨界直徑在0.7～1.2 mm之間。針對實際發(fā)動機所采用的較短毛細管，需要開展進一步的試驗確定其防回火臨界直徑。1.3 試驗步驟
2 試驗結(jié)果和分析
2.1 高速攝像結(jié)果分析
2.2 不同配比結(jié)果分析
2.3 相同配比結(jié)果分析
2.4 爆轟速度分析
2.5 毛細管防回火臨界直徑
3 結(jié)論
