含硼推進(jìn)劑固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室內(nèi)凝聚相燃燒產(chǎn)物特性試驗(yàn)研究①

王云霞，劉 宇，陳林泉，王增輝，張勝勇

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025;2.西安交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

0 引言

隨著沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，固體貧氧推進(jìn)劑應(yīng)運(yùn)而生。為適應(yīng)新一代導(dǎo)彈技術(shù)的要求，固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用貧氧推進(jìn)劑將向高能化方向發(fā)展［1］。硼以其高的質(zhì)量熱值和容積熱值被認(rèn)為是固體貧氧推進(jìn)劑的最佳燃料。由于硼粒子的燃燒效率低，固沖補(bǔ)燃室充斥著大量硼及其氧化物等凝聚相粒子，在補(bǔ)燃室的二次摻混燃燒過(guò)程中，顆粒的大小和成分對(duì)二次燃燒效率影響較大，這直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高，另外，兩相流損失與燃?xì)庵心巯喈a(chǎn)物的濃度和顆粒的大小有直接關(guān)系［2］。因此，研究凝聚相產(chǎn)物的理化特性與粒度分布規(guī)律對(duì)研究硼顆粒的點(diǎn)火燃燒特性、提高硼的燃燒效率具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃?xì)獠杉呀?jīng)開(kāi)展了大量的研究工作［3－9］，本文提出了一種固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室內(nèi)凝聚相燃燒產(chǎn)物的取樣方法，并設(shè)計(jì)了取樣裝置，對(duì)含硼推進(jìn)劑固沖發(fā)動(dòng)機(jī)中間燃燒產(chǎn)物的采集與分析進(jìn)行深入研究，通過(guò)地面直連式試驗(yàn)收集凝聚相燃燒產(chǎn)物，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室長(zhǎng)度、補(bǔ)燃室徑向位置對(duì)燃燒產(chǎn)物特性的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室高溫環(huán)境特征和補(bǔ)燃室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了圖1所示的水冷探針取樣裝置，并用該裝置收集發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室凝聚相燃燒產(chǎn)物，研究高溫下補(bǔ)燃室燃?xì)饽嘟M分的特性。

圖1 水冷探針取樣裝置Fig.1 Water cooled probe sampling system

水冷探針取樣裝置主要包括水冷取樣探針、取樣段、冷卻水系統(tǒng)等。試驗(yàn)時(shí)，將取樣段安裝在補(bǔ)燃室出口(發(fā)動(dòng)機(jī)噴管入口)位置處，并將水冷探針垂直安裝在取樣段壁面上，取樣探針上的轉(zhuǎn)接頭與冷卻水管相連，安裝時(shí)注意保證取樣槽正對(duì)來(lái)流方向。圖2為水冷探針取樣直連式試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖2 水冷探針取樣直連式試驗(yàn)系統(tǒng)置Fig.2 Direct-connected test system

其基本思想是取樣探針在冷卻水系統(tǒng)作用下，一方面使取樣探針在高溫補(bǔ)燃室環(huán)境中保持較低的溫度，不至于變形或損壞;另一方面，冷卻高溫凝聚相燃燒產(chǎn)物，中止產(chǎn)物間化學(xué)反應(yīng)、防止失去產(chǎn)物的原有信息，真實(shí)重現(xiàn)補(bǔ)燃室內(nèi)粒子特性。

水冷探針取樣裝置的工作原理:試驗(yàn)開(kāi)始前，開(kāi)啟冷卻水系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高溫凝聚相燃燒產(chǎn)物遇到溫度較低的水冷探針迅速熄滅、凝結(jié)、熱沉冷卻。至此，補(bǔ)燃室高速氣流中的凝相燃燒產(chǎn)物在取樣槽中沉積并凝結(jié)。

1.2 試驗(yàn)方案

影響固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室凝聚相燃燒產(chǎn)物特性的因素很多，由于導(dǎo)彈的飛行包絡(luò)已經(jīng)決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)，如補(bǔ)燃室壓強(qiáng)和空燃比等，所以本文僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)凝聚相燃燒產(chǎn)物的影響。根據(jù)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)不同補(bǔ)燃室長(zhǎng)度和徑向位置，制定凝聚相燃燒產(chǎn)物收集實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)及來(lái)流條件Table 1 Experimental case and flow condition

為研究發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室徑向位置對(duì)產(chǎn)物特性的影響，采用圖3所示的標(biāo)記，將取樣探針平均分成3段。將工況1的3個(gè)樣品分別記為1-1-1、1-1-2、1-1-3，工況2的3個(gè)樣品分別記為1-2-1、1-2-2、1-2-3。

圖3 樣本標(biāo)記Fig.3 Sample mark method

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

燃燒產(chǎn)物收集狀態(tài)如圖4所示。由圖4可明顯看出，補(bǔ)燃室內(nèi)燃燒產(chǎn)物被成功收集在取樣探針上，收集的產(chǎn)物約重0.1 g。產(chǎn)物收集完后，取樣裝置完好無(wú)損，說(shuō)明該取樣裝置用于固沖發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓補(bǔ)燃室的燃燒產(chǎn)物收集是完全可行的。

凝聚相燃燒產(chǎn)物的外觀形貌、粒度分布、成分結(jié)構(gòu)是開(kāi)展粒子特性研究的基本參數(shù)。推進(jìn)劑燃燒后形成的凝聚相燃燒產(chǎn)物直徑一般在微米級(jí)，屬于微觀范疇。本文采用高精度的現(xiàn)代儀器分析手段，研究凝聚相燃燒產(chǎn)物的燃燒特性和粒度分布。分析流程如圖5所示。

圖4 燃燒產(chǎn)物收集狀態(tài)實(shí)物圖Fig.4 Sample status of combustion products

圖5 凝聚相燃燒產(chǎn)物分析流程Fig.5 Analysis flow chart of condensed combustion products

2.1 產(chǎn)物形貌特性

圖6為收集到的樣品。從圖6可看出，從補(bǔ)燃室中收集到的凝聚相燃燒產(chǎn)物呈黑色，且燃燒產(chǎn)物殘?jiān)Y(jié)塊很?chē)?yán)重。

圖6 收集的樣品Fig.6 Sample collected from test

采用FEI公司研制的Quanta-600FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)，對(duì)凝聚相燃燒產(chǎn)物的形貌進(jìn)行分析。圖7展示了同一顆粒樣本不同區(qū)域的電鏡掃描照片。從圖7可發(fā)現(xiàn)，樣品呈無(wú)規(guī)則狀，表面棱角多、不光滑，大部分顆粒呈片狀，大顆粒上吸附著不規(guī)則的小顆粒，表面存在較多缺陷和位錯(cuò)，且產(chǎn)物中含有少量形狀很規(guī)則的球狀顆粒。這些球狀顆粒是硼燃燒后的產(chǎn)物B2O3，其熔點(diǎn)較低，在燃?xì)庵惺且簯B(tài)，由于液體的表面張力而成球狀，因此，在產(chǎn)物收集的過(guò)程中被冷卻，就形成了形狀很規(guī)則的球狀顆粒。

2.2 產(chǎn)物成分特性

高溫下被加熱后的硼粒子易發(fā)生團(tuán)聚，為研究凝聚相燃燒產(chǎn)物的化學(xué)成分，先研磨成粉，再采用掃描電鏡聯(lián)用X射線色散能譜儀(EDS)對(duì)樣品進(jìn)行分析，獲知樣品中所含元素及其質(zhì)量和原子百分含量，如圖8和表2所示。

圖7 凝聚相燃燒產(chǎn)物電鏡掃描照片F(xiàn)ig.7 SEM photograph of sample

圖8 能譜測(cè)試結(jié)果Fig.8 Testing result of EDS

由能譜分析結(jié)果可知，凝聚相燃燒產(chǎn)物成分非常復(fù)雜，含C量高是其突出的特點(diǎn)，至于除B、C和O以外的其他元素，含量很低，屬于微量雜質(zhì)。

在EDS分析的基礎(chǔ)上，采用X射線粉末衍射儀(XRD)分析樣品的物相構(gòu)成。圖9為樣品的衍射圖譜，上側(cè)為樣品衍射強(qiáng)度，下側(cè)為分析出來(lái)的物相的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰，圖9中右下角為分析出來(lái)的物相的PDF編號(hào)及物相的名稱(chēng)?？煽闯?，樣品的主要成分為B2O3，此外，還檢測(cè)出了少量的 B13C2、MgO2、Fe3O4和 Ti2O3。

表2 能譜分析結(jié)果Table 2 Analysis result of EDS

圖9 樣品的衍射圖譜Fig.9 XRD spectrum of sample

2.3 粒度分布特性

由于測(cè)量的樣品顆粒在采集時(shí)發(fā)生沉積，在沉積過(guò)程中顆粒之間會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量的粒徑偏大。為消除這一現(xiàn)象對(duì)粒度分析造成的影響，對(duì)樣品顆粒采用超聲波打散后，再進(jìn)行粒度測(cè)量。超聲波只能打散那些吸附和團(tuán)聚在一起的粒子，不會(huì)破壞融在一起或粘接在一起的粒子。因此，超聲波打散后測(cè)量的粒徑能夠反映顆粒樣品真實(shí)的粒度分布。本文采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀，對(duì)收集到的凝相燃燒產(chǎn)物進(jìn)行了粒徑大小和分布的測(cè)定。

2.3.1 補(bǔ)燃室長(zhǎng)度對(duì)粒度分布特性的影響

針對(duì)2個(gè)試驗(yàn)工況，對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室出口水冷探針相應(yīng)位置的粒度分布情況，如圖10所示。由圖10可發(fā)現(xiàn)，不同補(bǔ)燃室長(zhǎng)度的2發(fā)試驗(yàn)的粒度測(cè)試結(jié)果具有相同的特征，即凝聚相燃燒產(chǎn)物的粒度均呈典型的三峰分布。顆粒分布較均勻，一致性良好，呈多尺度分布，粒度分布均在 0.03 ～100 μm，主要集中在 0.3 ～40 μm。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，隨發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室長(zhǎng)度增加，燃燒產(chǎn)物的粒度分布有向主峰靠攏的趨勢(shì)，大粒度峰(約4 μm)和小粒度峰(約0.15 μm)都有增強(qiáng)的現(xiàn)象。

圖10 粒度分布對(duì)比Fig.10 Comparison curves of granularity distribution

2.3.2 補(bǔ)燃室徑向位置對(duì)粒度分布特性的影響

為研究補(bǔ)燃室徑向位置對(duì)粒度分布的影響，對(duì)比兩取樣裝置相應(yīng)位置產(chǎn)物的累積粒度分布曲線，如圖11所示。從圖11可看出，粒度隨發(fā)動(dòng)機(jī)徑向位置的變化不明顯。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，粒度先明顯減小，后略微增大。

圖11 累計(jì)粒度分布對(duì)比Fig.11 Comparison curves of granularity distribution

分析認(rèn)為，由于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用旁側(cè)進(jìn)氣，兩進(jìn)氣道成90°夾角，取樣探針安裝在兩進(jìn)氣道中間位置。所以，從中心軸線到壁面的徑向變化過(guò)程中，補(bǔ)燃室氧氣含量逐漸增大，硼與空氣的摻混燃燒逐漸增強(qiáng)，使得粒度明顯減小。隨后，由于粒子在壁面碰撞反彈等因素的作用，導(dǎo)致粒度略微增大。

3 結(jié)論

(1)含硼推進(jìn)劑固沖發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室內(nèi)凝聚相燃燒產(chǎn)物呈黑色，且燃燒產(chǎn)物結(jié)塊很?chē)?yán)重。電鏡掃描照片顯示，凝聚相產(chǎn)物的形態(tài)呈無(wú)規(guī)則狀，大部分顆粒呈片狀，只含有少量形狀很規(guī)則的球狀顆粒。

(2)凝聚相產(chǎn)物成分非常復(fù)雜，除B、O和C這些主要元素以外，還含有微量雜質(zhì)。另外，XRD檢測(cè)結(jié)果顯示，產(chǎn)物的主要成分為B2O3。

(3)得到了產(chǎn)物粒徑的分布規(guī)律及其分別與發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室長(zhǎng)度和徑向位置的關(guān)系。凝聚相產(chǎn)物的粒度呈多尺寸分布，主要集中在0.3～40 μm。隨發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)燃室長(zhǎng)度增加，粒度逐漸減小;自發(fā)動(dòng)機(jī)中心軸線位置向發(fā)動(dòng)機(jī)壁面位置的徑向變化過(guò)程中，粒度先明顯減小，后略微增大。

［1］張家驊，胡順楠.整體式固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制［J］.推進(jìn)技術(shù)，1998，19(2):9-13.

［2］張宏安，葉定友，侯曉.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)凝聚相微粒分布研究現(xiàn)狀［J］.固體火箭技術(shù)，2000，23(3):25-28.

［3］Hespel L，et al.Influence of alumina particles heterogeneity on particle sizing and radiative properties evaluation in solid rocket plumes［R］.AIAA 2003-3650.

［4］Fabignon Y，et al.Combustion of aluminum particles in solid rocket motors［R］.AIAA 2003-4807.

［5］Gosse S，Sarou-Kanian V，Veron E，et al.Characterization and morphology of particles in solid propellant subscale rocket motors［R］.AIAA-2003-3649.

［6］Gosse S，Hespel L，Gossart P，et al.Morphological characterization and particle sizing of alumina particles in solid rocket motor［J］.Journal of Propulsion and Power，2006，22(1):127-135.

［7］張勝敏，胡春波，徐義華，等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室凝相顆粒燃燒特性分析［J］.固體火箭技術(shù)，2010，33(3):256-259.

［8］Ciezki H K，Schwein B.Investigation of gaseous and solid reaction products in a step combustor using a water-cooled sampling probe［R］.AIAA 96-2768.

［9］Ciezki H K，F(xiàn)rithjof Scheel，Wiehan Kwan.Investigation of the combustion process in a scramjet model combustor with a sampling probe system［R］.AIAA 2004-4166.