超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射試驗(yàn)研究

曾學(xué)軍，石安華，韓冬，李向東，胡華雨，張軍

（1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室綿陽(yáng)分部，四川綿陽(yáng)621000；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所，四川綿陽(yáng)621000）

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射試驗(yàn)研究

曾學(xué)軍1，石安華2，韓冬2，李向東1，胡華雨2，張軍2

（1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室綿陽(yáng)分部，四川綿陽(yáng)621000；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所，四川綿陽(yáng)621000）

介紹了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射特性試驗(yàn)與測(cè)量方法，在燃料為航空煤油、來(lái)流馬赫數(shù)為6、當(dāng)量油氣比為0.8的試驗(yàn)狀態(tài)下，獲得了長(zhǎng)1m量級(jí)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射強(qiáng)度和光譜。噴焰輻射強(qiáng)度在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口附近隨噴射距離緩慢下降；輻射強(qiáng)度顯現(xiàn)出的高頻震蕩、低頻穩(wěn)定特性，反映出燃料燃燒過(guò)程的微觀脈動(dòng)性和宏觀穩(wěn)定性。根據(jù)噴焰光譜，噴焰輻射能量集中在波長(zhǎng)4.364 3μm附近，主要輻射源為CO2.

航空、航天科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科；超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；噴焰；輻射強(qiáng)度；光譜

0　引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是臨近空間高超聲速飛行器的關(guān)鍵分系統(tǒng)，其工作狀態(tài)既決定了高超聲速飛行器的飛行能力，其噴焰輻射又是高超聲速飛行器光輻射的重要來(lái)源，是臨近空間高超聲速飛行器光學(xué)探測(cè)的重要信息源。

對(duì)噴焰的光學(xué)測(cè)量?jī)?nèi)容主要有光譜、圖像和強(qiáng)度。光譜測(cè)試技術(shù)已應(yīng)用于多種發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰化學(xué)成分診斷［1-9］。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰發(fā)射光譜［10］、圖像［11］和強(qiáng)度［12-14］已做了大量試驗(yàn)研究。通過(guò)光譜測(cè)試技術(shù)得到了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰溫度［6］；在紫外和中波紅外波段研究了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰中的鋁顆粒光學(xué)特性［15］；使用激光背景散射技術(shù)測(cè)量了煙塵顆粒尺寸和質(zhì)量［16］；發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射數(shù)值計(jì)算結(jié)果使用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證［17-19］；從空間站上測(cè)量了在軌火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰圖像和光譜［20-22］；工業(yè)用光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)得到了發(fā)展［23］；近期，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)［24-28］和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)［29-34］廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)工況監(jiān)測(cè)和火焰結(jié)構(gòu)研究；學(xué)位論文中也常見(jiàn)火焰光學(xué)測(cè)量?jī)?nèi)容［35-36］。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰和航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射特性開(kāi)展了大量的研究工作，對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射的光學(xué)預(yù)警探測(cè)技術(shù)發(fā)展和飛機(jī)的紅外探測(cè)、跟蹤、制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。但針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射特性開(kāi)展的研究，還鮮見(jiàn)報(bào)道。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心在高溫高超聲速風(fēng)洞上開(kāi)展了長(zhǎng)1m量級(jí)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射強(qiáng)度、輻射光譜特性試驗(yàn)研究，獲得了典型試驗(yàn)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰的輻射光譜特征及輻射強(qiáng)度，對(duì)于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰光輻射特性計(jì)算分析方法驗(yàn)證、臨近空間高超聲速飛行器光學(xué)探測(cè)技術(shù)分析具有啟發(fā)意義。

1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)使用的長(zhǎng)1m量級(jí)吸氣式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型（見(jiàn)圖1）由進(jìn)氣道、燃燒室和尾噴管等三大部件組成，模型全長(zhǎng)1 068.5mm，采用三波系進(jìn)氣道，氣流捕獲面積82.6 mm×120mm，尾噴管出口高度131.9mm，寬度為378 mm，面積擴(kuò)張比為5.03，采用支板加注燃料。

圖1　超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of scramjet model

2　測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)使用的輻射測(cè)量設(shè)備包括:

1）近紫外輻射計(jì)，光譜響應(yīng)范圍317.4～383.4 nm；

2）近紫外～可見(jiàn)光輻射計(jì)，光譜響應(yīng)范圍303.4～524.6 nm；

3）中波紅外輻射計(jì)，光譜響應(yīng)范圍2.8957～5.5167μm；

4）傅里葉光譜儀，光譜響應(yīng)范圍0.9～8.3μm；

5）高速攝影機(jī)，光譜響應(yīng)范圍400～700 nm；

6）紅外熱像儀，光譜響應(yīng)范圍7.7～9.3μm.

3　噴焰輻射測(cè)量試驗(yàn)方案

3.1試驗(yàn)狀態(tài)

吸氣式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射測(cè)量試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的φ600 mm高溫高超聲速風(fēng)洞上開(kāi)展（噴管出口直徑600mm）。發(fā)動(dòng)機(jī)模型安裝在流場(chǎng)均勻區(qū)內(nèi)，由支架支撐（見(jiàn)圖2），噴焰輻射通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)段側(cè)壁上的光學(xué)窗口進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)圖3）。風(fēng)洞噴管出口參數(shù)見(jiàn)表1，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料為航空煤油，試驗(yàn)當(dāng)量油氣比0.8，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間5 s.

圖2　安裝在風(fēng)洞內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型Fig.2 Scramjet model installed in measurement section

圖3　輻射測(cè)量設(shè)備布置Fig.3 Radiation measurement equipment and optical windows

3.2噴焰輻射測(cè)量方法

風(fēng)洞運(yùn)行系統(tǒng)在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)向輻射測(cè)量系統(tǒng)輸出觸發(fā)信號(hào)，輻射測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始記錄空氣進(jìn)入試驗(yàn)段、風(fēng)洞工作、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油、發(fā)動(dòng)機(jī)工作、發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)直至風(fēng)洞停車(chē)過(guò)程中被測(cè)區(qū)域內(nèi)的輻射信號(hào)。

表1　風(fēng)洞噴管出口參數(shù)Tab.1 Parameters of incoming flow

3.2.1輻射強(qiáng)度測(cè)量方法

輻射強(qiáng)度使用雙狹縫輻射計(jì)測(cè)量，測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)的輻射通過(guò)視場(chǎng)狹縫和接收狹縫照射到探測(cè)器上，經(jīng)過(guò)放大和濾波轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄和顯示。探測(cè)器感光面積由接收狹縫限制，測(cè)量視場(chǎng)由視場(chǎng)狹縫和測(cè)量距離限制，測(cè)量波段由濾光片透射波段確定，輻射計(jì)輸出電壓與接收到的輻射功率呈確定的函數(shù)關(guān)系。

輻射計(jì)使用光學(xué)斬波器對(duì)噴焰輻射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制頻率400Hz，輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)采樣率150 kHz，使一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)能采集100個(gè)點(diǎn)以上的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)便于分析。

輻射強(qiáng)度測(cè)量方案見(jiàn)圖4，在垂直發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向上測(cè)量距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口170 mm和330 mm兩個(gè)位置的噴焰輻射強(qiáng)度，近紫外、近紫外至可見(jiàn)光波段輻射強(qiáng)度測(cè)量視場(chǎng)在發(fā)動(dòng)機(jī)軸線處的截面為39.0mm（長(zhǎng)）×272.7mm（高）矩形，中波紅外波段輻射強(qiáng)度測(cè)量視場(chǎng)在發(fā)動(dòng)機(jī)軸線處的截面為41.8mm（長(zhǎng)）× 292.4mm（高）矩形。

圖4　輻射強(qiáng)度測(cè)量方案Fig.4 Schematic diagram of radiation intensity measurement scheme

3.2.2輻射光譜測(cè)量方法

輻射光譜使用光譜儀配合反射光路測(cè)量，測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)的輻射經(jīng)平面鏡反射到凹面鏡上，再經(jīng)凹面鏡成像在光譜儀的光闌平面，進(jìn)入光闌的輻射由光譜儀處理成光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄和顯示。測(cè)量視場(chǎng)由光闌尺寸、物距、凹面鏡焦距共同控制。光譜儀通過(guò)氟化鈣窗口進(jìn)行測(cè)量。

光譜儀使用4 cm-1的光譜分辨率，一個(gè)掃描周期約0.1 s，為提高信噪比，以8個(gè)掃描周期光譜數(shù)據(jù)的平均值作為光譜測(cè)量結(jié)果。

輻射光譜測(cè)量方案見(jiàn)圖5，在垂直發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向上測(cè)量距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口160mm處的噴焰輻射光譜，測(cè)量視場(chǎng)在發(fā)動(dòng)機(jī)軸線處的截面為直徑35 mm的圓形。

圖5　輻射光譜測(cè)量方案Fig.5 Schematic diagram of radiation spectrum measurement scheme

3.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)工作有效性光輻射監(jiān)測(cè)方法

采用可見(jiàn)光高速攝影機(jī)和紅外熱像儀記錄發(fā)動(dòng)機(jī)從點(diǎn)火到關(guān)機(jī)全過(guò)程的發(fā)動(dòng)機(jī)噴流輻射圖像，以監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作是否穩(wěn)定和燃燒是否充分。

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1噴焰輻射強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果與分析

噴焰輻射特性測(cè)量試驗(yàn)共進(jìn)行了14次，其中前6次為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)調(diào)試，以使發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和噴油系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足試驗(yàn)狀態(tài)要求，后8次為噴焰輻射測(cè)量試驗(yàn)。

噴焰輻射強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果如圖6所示，獲得了距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口170 mm和330 mm兩處，近紫外、近紫外至可見(jiàn)光、中波紅外3個(gè)波段，沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向單位長(zhǎng)度噴焰的輻射強(qiáng)度。

輻射強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果顯示，同一測(cè)量位置同一測(cè)量波段的不同車(chē)次測(cè)量結(jié)果基本一致，說(shuō)明風(fēng)洞運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)穩(wěn)定，也表明測(cè)試結(jié)果具有比較高的可信度。

發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰輻射強(qiáng)度在3個(gè)測(cè)量波段上都有高頻震蕩、2 ms以上時(shí)間平均值穩(wěn)定的特征。近紫外、近紫外至可見(jiàn)光波段輻射強(qiáng)度震蕩幅度在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)超過(guò)最大值的50％，其中330 mm處試驗(yàn)7數(shù)據(jù)中1個(gè)約1.7μW/（sr·mm）的輻射強(qiáng)度峰值在試驗(yàn)中偶然出現(xiàn)，原因不明，不計(jì)入輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)。中波紅外波段輻射強(qiáng)度穩(wěn)定性比前述兩個(gè)波段略好，震蕩幅度在1個(gè)調(diào)制周期內(nèi)小于最大值的50％.輻射強(qiáng)度在3個(gè)波段和2個(gè)位置的測(cè)量值列于表2.

圖6　噴焰輻射強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果Fig.6 The measured exhaust plume radiation intensity

表2　噴焰平均輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of the max and average radiation intensities

在3個(gè)測(cè)量波段上，170mm處的輻射強(qiáng)度都略大于330mm.圖7為試驗(yàn)測(cè)量到的可見(jiàn)光輻射圖像，亮度越高的部位輻射強(qiáng)度越大。從圖7中也可以看出，在噴射方向上輻射強(qiáng)度緩慢下降。圖8所示的長(zhǎng)波紅外輻射圖像也具有相似的特性。

圖7　噴焰可見(jiàn)光輻射圖像Fig.7 Visible radiation of exhaust plume

圖8　噴焰長(zhǎng)波紅外輻射圖像Fig.8 Long wave infrared radiation of exhaust plume

從試驗(yàn)記錄的可見(jiàn)光輻射圖像和紅外輻射圖像看，發(fā)動(dòng)機(jī)均正常點(diǎn)火燃燒并能維持工作狀態(tài)，在工作狀態(tài)下，噴焰圖像亮度會(huì)出現(xiàn)小波動(dòng)，與強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果相似，噴焰中沒(méi)有出現(xiàn)二次燃燒現(xiàn)象，說(shuō)明燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)得到了充分燃燒。

在兩個(gè)測(cè)量位置處，噴焰平均輻射強(qiáng)度在近紫外波段和可見(jiàn)光波段都不大于1μW/（sr·mm），中波紅外波段是10mW/（sr·mm）量級(jí)，噴焰輻射的近紫外和可見(jiàn)光輻射對(duì)總輻射強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小。

噴焰輻射強(qiáng)度在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的震蕩性說(shuō)明了燃料燃燒在0.1ms以下時(shí)間尺度上是不穩(wěn)定的，燃料霧化程度、燃料純凈度、來(lái)流穩(wěn)定性等因素都會(huì)影響燃料的燃燒速度。根據(jù)噴焰流場(chǎng)溫度模擬結(jié)果（見(jiàn)圖9），噴焰大部分區(qū)域溫度低于1 100 K，是中波紅外輻射主要來(lái)源，在x=170 mm和x=330 mm兩處噴焰中心溫度分別為920 K和850 K；只有燃料濃度過(guò)大的區(qū)域和大尺寸液滴在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)沒(méi)完全燃燒，噴出后還繼續(xù)燃燒的少部分噴焰的溫度可以達(dá)到1 100 K以上高溫，是近紫外輻射和可見(jiàn)光輻射的主要來(lái)源，燃料燃燒速度和燃燒程度的微小變化對(duì)這部分高溫氣體的溫度和濃度影響很大，是紫外和可見(jiàn)光輻射強(qiáng)度劇烈震蕩的主要原因，也影響了中波紅外輻射強(qiáng)度的穩(wěn)定性。

圖9　噴焰流場(chǎng)溫度模擬結(jié)果Fig.9 Exhaust plume temperature distribution simulated by CFD

4.2噴焰輻射光譜測(cè)量結(jié)果與分析

獲得了距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口160mm處直徑35mm圓形視場(chǎng)內(nèi)噴焰在0.9～8.3μm波段紅外輻射光譜，如圖10所示。

圖10　噴焰輻射光譜測(cè)量結(jié)果Fig.10 Measured results of exhaust plume spectrum

噴焰紅外光譜存在中心波長(zhǎng)4.364 3μm、半高全寬0.101 6μm的輻射帶，具有明顯的氣體帶狀譜特征，通過(guò)對(duì)比光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試結(jié)果與燃燒產(chǎn)物之一的CO2光譜相符。

噴焰紅外光譜還呈現(xiàn)出強(qiáng)度很弱的連續(xù)譜，來(lái)源于噴焰中的氣體熱輻射，強(qiáng)度峰值位置在3.3μm附近，根據(jù)維恩位移定律計(jì)算出測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)噴焰氣體平均輻射溫度約880 K，與圖9的噴焰流場(chǎng)溫度模擬結(jié)果相符。

考慮煤油分子式可近似寫(xiě)為CnH2n，根據(jù)簡(jiǎn)化的化學(xué)反應(yīng)方程式CnH2n+1.5n O2=n CO2+n H2O，另一種燃燒產(chǎn)物H2O具有與CO2相同的分子數(shù)，將相同分子數(shù)密度條件下的H2O與CO2相對(duì)輻射強(qiáng)度示于圖11，可以看到H2O的最大光譜輻射強(qiáng)度只有CO2的6％，所以在測(cè)試結(jié)果中不會(huì)出現(xiàn)明顯的H2O光譜。

圖11　H2O和CO2的相對(duì)輻射強(qiáng)度Fig.11 Relative radiation intensities of H2O and CO2

5　結(jié)論

在燃料為航空煤油、來(lái)流馬赫數(shù)6、當(dāng)量油氣比0.8的試驗(yàn)狀態(tài)下，長(zhǎng)1 m量級(jí)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作后的噴焰輻射具有如下特征:

1）輻射強(qiáng)度在0.1ms以下時(shí)間尺度上震蕩劇烈，在2ms以上時(shí)間尺度上平均值穩(wěn)定，反映出燃料燃燒過(guò)程的微觀脈動(dòng)性和宏觀穩(wěn)定性。

2）輻射強(qiáng)度在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口附近隨噴射距離緩慢下降，噴焰平均輻射強(qiáng)度在近紫外波段和可見(jiàn)光波段都不大于1μW/（sr·mm），在中波紅外波段為10mW/（sr·mm）量級(jí)，噴焰輻射的近紫外和可見(jiàn)光輻射對(duì)總輻射強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小。

3）輻射光譜具有明顯的特征譜帶，距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口160mm處在0.9～8.3μm紅外波段內(nèi)存在中心波長(zhǎng)4.364 3μm、半高全寬0.101 6μm的特征輻射帶，主要輻射源為CO2.

4）距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口160mm處的噴焰平均溫度約880 K.

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Experimental Research on Exhaust Plume Radiation of Scram jet

ZENG Xue-jun1，SHI An-hua2，HAN Dong2，LI Xiang-dong1，HU Hua-yu2，ZHANG Jun2
（1.Mianyang Division，Science and Technology on Scramjet Laboratory，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，Sichuan，China；2.Hypervelocity Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，Sichuan，China）

The radiation measurement methods and test of scramjet exhaust plume are introduced.The exhaust plume radiation intensity and spectrum from 1m scale level scramjet are obtained for the aerial kerosene fuel under the test state of Mach number6 with equivalent fuel-to-air ratio of0.8.The radiation intensities of near ultraviolet band，near ultraviolet to visible light band，and mid-infrared band are reduced slowly along the exhaust direction near the exit of the scramjet.The high frequency instability and low frequency stability of radiation intensity reflect the micro instability and macro stability of combustion. According to the spectrum of plume，the radiation energy concentrates around the band of 4.364 3μm. The main radiation component is identified to be CO2.

basic disciplines of aerospace science and technology；scramjet；exhaust plume；radiation intensity；spectrum

O432.1

A

1000-1093（2016）09-1655-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.015

2016-01-19

裝備預(yù)先研究基金項(xiàng)目（9140A03030111KG903）

曾學(xué)軍（1962—），男，研究員，博士生導(dǎo)師。E-mail:ahtrc@cardc.cn；石安華（1968—），男，研究員。E-mail:shianhua@cardc.cn