粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)試驗(yàn)研究

張勝敏，楊玉新，胡春波

(1.中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025；2.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072)

?

粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)試驗(yàn)研究

張勝敏1，楊玉新1，胡春波2

(1.中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025；2.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072)

為了驗(yàn)證粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的多次點(diǎn)火啟動(dòng)及推力調(diào)節(jié)等技術(shù)，利用設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)開展了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，在高能火花塞作用下，粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火啟動(dòng)及關(guān)機(jī)，且啟動(dòng)及關(guān)機(jī)的次數(shù)、時(shí)間間隔等可隨意調(diào)節(jié)；通過調(diào)節(jié)粉末燃料和氧化劑的流量，可實(shí)現(xiàn)粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)技術(shù)，推力調(diào)節(jié)比達(dá)到6.5。

粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；試驗(yàn)研究；推力調(diào)節(jié)；點(diǎn)火；關(guān)機(jī)

0 引言

隨著深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，近年來越來越多的國家開始探測(cè)火星或制定火星探測(cè)計(jì)劃。由于火星大氣中含有95.3%的CO2氣體，人們提出了直接從地球攜帶粉末燃料，利用火星大氣中的CO2作為氧化劑的一種新型動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)想[1-3]。科研人員針對(duì)不同種類的粉末燃料與CO2的燃燒反應(yīng)開展了研究[4-7]，在綜合考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)比沖、凝相損失以及點(diǎn)火性能和燃燒特性等多方面的影響因素后，最終確定出鎂粉是以CO2氣體作為氧化劑的粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳燃料[8-11]。

粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種新型推進(jìn)系統(tǒng)，它采用高能量密度的金屬或非金屬粉末為燃料，CO2或其他粉末為氧化劑，具有能量高、密度比沖大、推力可調(diào)、可多次啟動(dòng)、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，是火星探測(cè)和下一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的理想動(dòng)力裝置。國外在開展粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)方面大多以CO2為氧化劑，以鎂粉為燃料，主要以點(diǎn)火燃燒性能為研究目標(biāo)，目前可做到最大壓強(qiáng)2.4 MPa，工作時(shí)間42.5 s，推力53 N[10]。粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)技術(shù)雖在原理上可行，但尚無相關(guān)研究報(bào)道，利用這一特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的靈活控制，有利于飛行器彈道優(yōu)化和能量管理。

本文針對(duì)粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)、多次啟動(dòng)、穩(wěn)定燃燒以及推力調(diào)節(jié)等關(guān)鍵技術(shù)，開展了可行性試驗(yàn)研究。

1 粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)、試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量和控制系統(tǒng)以及試車臺(tái)等組件組成。氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)由2路獨(dú)立的管路組成，分別由各自的電磁閥進(jìn)行控制。

考慮到需多次啟動(dòng)，確定采用高能電火花塞作為點(diǎn)火源。為了防止燃燒過程中高溫燃?xì)饣亓鞯窖趸瘎┕苈分校谘趸瘎┕苈分邪惭b單向閥。圖2為粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)照片。

圖1 粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖2 粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)照片

1.2 粉末燃料供應(yīng)裝置

迄今為止，粉末燃料供應(yīng)有多種形式，其中活塞驅(qū)動(dòng)流化氣夾帶輸送的方式，由于粉末燃料流量主要依靠活塞運(yùn)動(dòng)速度控制，而流化氣的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)粉末燃料流量的影響較小，因此可利用氧化劑氣體作為流化氣，而無需額外攜帶流化氣瓶。本文基于此原理設(shè)計(jì)加工了粉末燃料供應(yīng)裝置開展試驗(yàn)研究。燃料供應(yīng)裝置主要包括粉末燃料及其儲(chǔ)箱、活塞、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、摻混段以及粉末離散器等部件，在粉末儲(chǔ)箱收斂段處有環(huán)形進(jìn)氣口，可使粉末燃料在流化氣的夾帶作用下經(jīng)過粉末離散器輸送到燃燒室中。圖3為粉末燃料供應(yīng)裝置示意圖。

1.3 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)

考慮到鎂粉在CO2氣體中良好的點(diǎn)火和燃燒特性[12]，在試驗(yàn)研究中，均采用平均粒徑為25 μm的鎂粉作為燃料。

圖3 燃料供應(yīng)裝置示意圖

試驗(yàn)系統(tǒng)的工作過程如下：首先，接通高能火花塞電源，然后啟動(dòng)供粉系統(tǒng)及氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)，鎂粉由流化氣流化進(jìn)入燃燒室，與氧化劑氣體在燃燒室內(nèi)摻混燃燒并釋放熱量，高溫燃?xì)馔ㄟ^噴管高速排出產(chǎn)生推力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要調(diào)節(jié)推力時(shí)，可向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，通過調(diào)節(jié)粉末燃料和氧化劑氣體的質(zhì)量流量來實(shí)現(xiàn)推力調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要關(guān)機(jī)時(shí)，向控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)機(jī)信號(hào)，切斷粉末燃料和氧化劑的供應(yīng)通道，燃燒室中止燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)即熄火關(guān)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉末供應(yīng)系統(tǒng)試驗(yàn)

粉末供應(yīng)系統(tǒng)的工作原理：電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞以一定速度推動(dòng)儲(chǔ)箱中的粉末燃料向前運(yùn)動(dòng)；在摻混段從斜切孔引入流化氣體，粉末燃料被流化，以氣固兩相流的方式經(jīng)由粉末離散器噴入燃燒室中，完成粉末燃料的流化供應(yīng)任務(wù)。

粉末供應(yīng)系統(tǒng)的標(biāo)定可利用粉體質(zhì)量流量計(jì)算公式：

式中k為裝填系數(shù);ρ為粉末密度;v為活塞運(yùn)動(dòng)速度;A為粉末儲(chǔ)箱的橫截面積。

由于鋁粉的性質(zhì)相比鎂粉較穩(wěn)定，因此選擇使用微米級(jí)的鋁粉進(jìn)行粉末供應(yīng)的可行性試驗(yàn)研究。通過對(duì)鋁粉噴射過程錄像進(jìn)行分析，得到粉末供應(yīng)系統(tǒng)出口粉末流動(dòng)情況。利用設(shè)計(jì)的粉末供應(yīng)系統(tǒng)共開展了70余次的粉末流化試驗(yàn)，幾次典型的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖4為試驗(yàn)3中的供粉過程錄像截圖。通過分析視頻圖像可得到，在粉末供應(yīng)系統(tǒng)工作過程中，粉末的供應(yīng)相對(duì)較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大量粉末集中噴射的現(xiàn)象，尤其是在供粉開始和結(jié)束的時(shí)刻，粉末管路控制開關(guān)快速開啟和阻斷流化氣體及粉末的供給，較好地實(shí)現(xiàn)了粉末供應(yīng)系統(tǒng)快速啟動(dòng)和關(guān)閉的目標(biāo)。

表1 典型工況試驗(yàn)結(jié)果(25 μm)

(a) 0.3 s (b)1.0 s

(c) 9.0 s (d) 10.6 s

2.2 推力調(diào)節(jié)試驗(yàn)

采用高能火花塞作為點(diǎn)火源，通過調(diào)節(jié)粉末燃料和氧化劑的質(zhì)量流量，來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)功能。

選取較為典型的2次試驗(yàn)進(jìn)行分析。試驗(yàn)1為發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的推力調(diào)節(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)2為多次點(diǎn)火啟動(dòng)的推力調(diào)節(jié)試驗(yàn)。在試驗(yàn)1中，發(fā)動(dòng)機(jī)在小推力工況下工作9 s后，加大鎂粉流量，同時(shí)啟動(dòng)第二路氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作19 s后，結(jié)束試驗(yàn)。在試驗(yàn)2中，發(fā)動(dòng)機(jī)在I脈沖工況下工作20 s后，關(guān)閉供粉系統(tǒng)及第一路氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)；關(guān)機(jī)9 s后，啟動(dòng)供粉系統(tǒng)以及兩路氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)，進(jìn)行II脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作20 s后，結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)工況如表2所示，燃燒室壓強(qiáng)曲線如圖5所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5(a)為試驗(yàn)1的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線。從中可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火燃燒的初期，燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)出現(xiàn)了點(diǎn)火峰，峰值壓強(qiáng)達(dá)到2.1 MPa，隨后降到1.2 MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作了7 s之后，增加粉末燃料的流量，同時(shí)加大氧化劑流量，發(fā)動(dòng)機(jī)在2.2 MPa下穩(wěn)定工作了19 s。

圖5(b)為試驗(yàn)2的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線。從中可看出，在I脈沖點(diǎn)火燃燒的初期，燃燒室內(nèi)出現(xiàn)了壓強(qiáng)峰，峰值達(dá)到1.65 MPa，隨后降到1.2 MPa，并在該壓強(qiáng)下穩(wěn)定工作了20 s；發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)9 s后，II脈沖點(diǎn)火啟動(dòng)，燃燒室再次出現(xiàn)壓強(qiáng)峰，峰值達(dá)到2.6 MPa，隨后降到2.2 MPa，并在該壓強(qiáng)下穩(wěn)定工作了20 s。

表2 試驗(yàn)時(shí)序設(shè)置及工況

(a)試驗(yàn)1

(b)試驗(yàn)2

在發(fā)動(dòng)機(jī)的2次推力調(diào)節(jié)試驗(yàn)中，燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)均出現(xiàn)了不同程度的壓強(qiáng)峰。究其原因，是由于高能火花塞的功率有限，而鎂粉在CO2氣體中的點(diǎn)火溫度相對(duì)較高，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作初期，燃燒室內(nèi)滯留了一些鎂粉，發(fā)動(dòng)機(jī)開始點(diǎn)火燃燒時(shí)，滯留在燃燒室內(nèi)的鎂粉瞬間燃燒釋放出大量熱量，導(dǎo)致燃燒室壓強(qiáng)快速升高，出現(xiàn)壓強(qiáng)峰。

圖6為試驗(yàn)2熱試車視頻錄像截圖，由視頻錄像結(jié)合壓強(qiáng)曲線進(jìn)行分析，在粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)過程中，除在點(diǎn)火初期出現(xiàn)了點(diǎn)火延遲以及爆燃現(xiàn)象之外，發(fā)動(dòng)機(jī)在其他工作階段狀態(tài)良好，壓強(qiáng)曲線基本平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)振蕩燃燒或間歇燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到43 s，脈沖間隔時(shí)間達(dá)到9 s。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車錄像截圖

對(duì)試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表3。從表3可看出，試驗(yàn)1中粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率達(dá)到80.5%，試驗(yàn)2中的燃燒效率達(dá)到81.4%。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

迄今為止，單發(fā)粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火試驗(yàn)的啟動(dòng)次數(shù)最多已達(dá)到4次，2次點(diǎn)火之間的時(shí)間間隔最長達(dá)到72 s，單發(fā)試驗(yàn)的最長工作時(shí)間達(dá)到240 s，推力調(diào)節(jié)比達(dá)到6.5。從工作原理上來看，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)及關(guān)機(jī)次數(shù)不受限制，時(shí)間間隔也可任意加長，推力調(diào)節(jié)比可達(dá)到15以上。

3 結(jié)論

(1)采用高能火花塞作為點(diǎn)火源，成功實(shí)現(xiàn)了粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的多次點(diǎn)火啟動(dòng)以及粉末燃料的自維持穩(wěn)定燃燒，燃燒效率達(dá)到80%以上。

(2)通過合理調(diào)節(jié)粉末燃料與氧化劑的質(zhì)量流量，成功實(shí)現(xiàn)了粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)功能，推力調(diào)節(jié)比達(dá)到6.5。

[1] French J R.Some unconventional approaches to the exploration of Mars[J].Spaceflight,1991,33(2):62-66.

[2] Linne D L,Meyer M L.A compilation of Lunar and Mars exploration strategies utilizing indigenous propellants[R].NASA TM 105262,Jan.1992.

[3] French J R.Concepts for in-situ resource utilization on Mars:a personal historical perspective[J].Journal of the British Interplanetary Society,1995,48(7):311-313.

[4] Foote J P,Litchford R J.Powdered magnesium-carbon dioxide combustion for Mars propulsion[R].AIAA 2005-4469.

[5] Shafirovich E Y,Varma A.Metal-CO2propulsion for Mars missions:current status and opportunities[R].AIAA 2007-5126.

[6] Zhang Sheng-min,Hu Chun-bo,et al.Ignition and combustion of magnesium particles in carbon dioxide[J].Applied Mechanics and Materials,2012,152-154:220-225.

[7] Zhang Sheng-min,Hu Chun-bo,et al.Preliminary experimental investigation of powdered magnesium-carbon dioxide rocket engine[C]//2011 International Conference on Aerospace Engineering and Information Technology,Beijing.

[8] Shafirovich E Y,Shiryaev A A,Goldshleger U I.Magnesium and carbon dioxide:a rocket propellant for Mars missions[J].Journal of Propulsion and Power,1993,9(2):197-203.

[9] Abbud-Madrid A,Stroud C,Omaly P,et al.Combustion of bulk magnesium in carbon dioxide under reduced-gravity conditions[R].AIAA 99-0695.

[10] Szabo J,Miller T,Herr J,et al.Metal bipropellant rockets for martian ascent vehicles[R].AIAA 2011-5834.

[11] 李芳，胡春波，何國強(qiáng).Mg粉/CO2粉末火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析[J].固體火箭技術(shù)，2010，33(4)：414-418.

[12] 彭小波，張勝敏，魏祥庚.高壓環(huán)境中Mg /CO2點(diǎn)火燃燒性能分析[J].固體火箭技術(shù)，2013，36(6)：342-345.

(編輯：呂耀輝)

Experimental investigation on thrust regulation of powdered rocket motor

ZHANG Sheng-min1, YANG Yu-xin1, HU Chun-bo2

(1.The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC, Xi'an 710025,China；2.Northwestern Polytechnical Univ. , Xi'an 710072,China)

An experiment system of powdered rocket motor was established to investigate some key technologies, such as multiple start-ups and thrust regulation and so on, large numbers of experiments were conducted. The results indicat that under the effect of high energy spark plug,powered rocket motor can realize multiple start-ups and shutdown.Moreover startup and shutdown times, the time intervals can be regulated randomly. By adjusting the flow rate of the powder fuel and oxidant, powered rocket motor can achieve thrust control technology,and thrust regulation ratio reaches 6.5.

powdered rocket motor;experimental investigation;thrust regulation;ignition;shutoff

2014-12-11；

2015-01-27。

張勝敏(1983—)，男，博士，研究領(lǐng)域?yàn)楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與研究。E-mail:zsm_nwpu@126.com

V430

A

1006-2793(2015)03-0347-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.009