等離子體增強含硼燃?xì)舛稳紵龑嶒灧治?/h1>
2016-12-06 07:07:22張鵬洪延姬丁小雨紀(jì)海龍
航空學(xué)報 2016年9期
張鵬，洪延姬，＊，丁小雨，紀(jì)海龍
1．裝備學(xué)院 激光推進及其應(yīng)用國家重點實驗室，北京 101416 2．西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072
等離子體增強含硼燃?xì)舛稳紵龑嶒灧治?/p>
張鵬1，洪延姬1，＊，丁小雨1，紀(jì)海龍2
1．裝備學(xué)院 激光推進及其應(yīng)用國家重點實驗室，北京 101416 2．西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072
為研究等離子體助燃條件下含硼燃?xì)庠谘a燃室的二次燃燒特性，建立了排除來流空氣摻混效應(yīng)的擴散燃燒實驗?zāi)Ｐ?。利用高速攝影儀拍攝了含硼燃?xì)庠谘a燃室的火焰照片，得到了有無等離子體條件下的燃燒火焰形貌；測量了補燃室不同截面的靜壓和總壓，分析了有無等離子體條件下含硼推進劑在固沖發(fā)動機中的燃燒效率。實驗結(jié)果表明：在含硼燃?xì)舛稳紵^程中加入等離子體炬，等離子體炬后方區(qū)域火焰更加明亮，硼燃燒更加充分；斷開等離子體炬后，補燃室靜壓和總壓出現(xiàn)壓力突降臺階，說明加入等離子體后可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高含硼燃?xì)庠诠虥_發(fā)動機中的燃燒效率，從而提高了補燃室的壓強；且放電功率越高，含硼燃?xì)庠诠虥_發(fā)動機中燃燒效率的增長率越高。
等離子體炬；固沖發(fā)動機；硼；補燃室；擴散火焰
硼具有較高的質(zhì)量熱值（58．28kJ／g）和體積熱值（136．38kJ／cm3），分別是金屬鎂、鋁的2．3、1．9倍和3．1、1．7倍，是一種理想的固體燃料添加劑，有望應(yīng)用于提高固沖發(fā)動機（固體火箭沖壓發(fā)動機）的性能和比沖上，成為近年來的研究熱點［1－2］。但由于硼顆粒熔沸點高、表面覆蓋的氧化硼（B2O3）容易造成顆粒結(jié)團以及在補燃室的滯留時間短等原因，導(dǎo)致硼熱值的實際釋放非常困難，從而影響到固沖發(fā)動機的整體工作性能［3－4］。
含硼推進劑燃燒效率低是制約固沖發(fā)動機發(fā)展的主要因素之一，通常提高燃燒效率的方法是改變發(fā)動機構(gòu)型。2003年Helmut等研究了補燃室的臺階對含硼燃?xì)舛稳紵匦缘挠绊懀?］。國內(nèi)主要是西北工業(yè)大學(xué)［6］和國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)［7］的團隊研究進氣道結(jié)構(gòu)和位置。這些方法通過延長硼顆粒的滯留時間和提高摻混效率增強含硼燃?xì)獾娜紵匦裕厝粫哟罂諝庾枇?，增加系統(tǒng)總能損失［8－9］，因此需要探索新的增強含硼燃?xì)馊紵匦缘姆椒?。近年來研究者發(fā)現(xiàn)等離子體具有強化點火和助燃的特性［10］。Inomata等于1983年發(fā)現(xiàn)等離子體可以增加火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵剩?1］。2004年Starikovskaya等指出等離子體為點火過程提供必須的活性粒子從而加速化學(xué)反應(yīng)進程，并建立了基于烷烴放電的反應(yīng)機理［12］。Sun等實驗證明等離子體在低壓條件下也可以激發(fā)多級燃燒［13－14］。2013年 Andrey和 Nickolay總 結(jié) 了 近十余年等離子體對氣體、液體點火助燃方面的理論與實驗進展，指出等離子體同時具有熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，在提高燃燒效率和擴寬燃燒極限等方面應(yīng)用前景廣闊［15］。2013年 Matsubara等將等離子體炬與介質(zhì)阻擋放電等離子體同時應(yīng)用于超聲速氣流中，實驗表明高聲速氣流需要等離子體熱效應(yīng)穩(wěn)定火焰，在熄火極限附近則需要化學(xué)效應(yīng)增強穩(wěn)定性［16］。2014年Aleksandrov等發(fā)展了等離子體增強包含 H2、CH4－C5H12燃燒的動力學(xué)模型［17］。
目前等離子體點火助燃的研究主要集中在氣相、液相和固體凝聚相燃料上［17－20］，尚未發(fā)現(xiàn)等離子體增強含硼燃?xì)猓ň哂辛鲃有裕┰谘a燃室的二次燃燒的實驗研究成果。本文主要在有／無等離子體激勵的條件下，開展研究含硼燃?xì)庠谘a燃室的二次燃燒特性實驗，通過含硼燃?xì)饣鹧嬲掌脱a燃室壓強數(shù)據(jù)等分析等離子體對含硼燃?xì)馊紵实脑鰪娮饔茫η蠼鉀Q硼顆粒點火燃燒困難、火焰穩(wěn)定性差以及燃燒效率低等問題，達(dá)到提高發(fā)動機工作性能的目的。
1 實 驗
1．1 實驗系統(tǒng)
固沖發(fā)動機主要由燃?xì)獍l(fā)生器、進氣道、補燃室和沖壓噴管等組成，含硼推進劑在燃?xì)獍l(fā)生器中產(chǎn)生一次燃?xì)猓ㄘ氀酰┡c進氣道的來流空氣（補氧）在補燃室進行摻混并二次燃燒，最后經(jīng)噴管排出。為減小摻混效應(yīng)重點研究等離子體點火助燃特性，建立了含硼燃?xì)獾臄U散燃燒物理模型，其中來流空氣在煤油加熱后經(jīng)平行進氣裝置得到整流，使來流空氣與燃?xì)馄叫?，得到弱化摻混的作用。補燃室采用橫截面100mm×100mm、長635mm的長方體結(jié)構(gòu)以便觀測火焰圖像，其中觀察窗內(nèi)層采用12mm厚的石英玻璃用作耐高溫層，外層采用5mm厚的有機玻璃用作保護層，從而提高玻璃窗整體的耐溫性和耐沖擊性，燃?xì)獍l(fā)生器喉徑為3．5mm，沖壓噴管喉徑為30mm。圖1所示為實驗裝置總體示意圖。
圖1 擴散燃燒實驗?zāi)Ｐ虵ig．1 Experimental model of diffusion combustion
一次燃?xì)饨?jīng)長尾管噴出后沿補燃室中心軸線向外擴散，來流空氣向內(nèi)擴散，當(dāng)硼顆粒（一次燃?xì)庵写嬖诖罅课慈嫉呐痤w粒）到達(dá)燃?xì)馀c來流空氣的交界處時，滿足了其高溫富氧的點火條件，從而發(fā)生二次點火燃燒。等離子體炬與補燃室前段底部成角度60°，將等離子體（工質(zhì)氣體為空氣）以旋轉(zhuǎn)方式噴射到補燃室，高能電子經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量活性粒子，增強含硼固沖發(fā)動機的燃燒過程。實驗系統(tǒng)如圖2所示，等離子體系統(tǒng)包括等離子體發(fā)生器、等離子體電源、工質(zhì)氣體供給裝置和冷卻水系統(tǒng)等。
圖2 實驗系統(tǒng)圖（加等離子體炬）Fig．2 Experimental system diagram （adding plasma torches）
1．2 測量系統(tǒng)
實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括德維創(chuàng)DEWE－2010、基于LABVIEW平臺開發(fā)的采集和控制來流空氣參數(shù)的采集系統(tǒng)以及若干種傳感器。采樣頻率為1 000次／秒，主要采集燃?xì)獍l(fā)生器靜壓、補燃室4個不同截面的總壓和靜壓以及來流空氣的靜壓和溫度等參數(shù)。并利用高速攝影儀和光譜儀測量補燃室的含硼燃?xì)鈹U散燃燒過程，高速攝像儀采用Vision Research公司生產(chǎn)的型號Phantom v711，尼康50mm f／1．8DAF Nikkor鏡頭，分辨率為1 280×352，速度為800fps（1fps＝1幀／秒），曝光時間為15μs，光圈F11。圖3為德維創(chuàng)公司生產(chǎn)的DEWE－2010便攜式高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備及其操作界面。
圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DEWE－2010Fig．3 Data acquisition system DEWE－2010
1．3 數(shù)據(jù)處理方法
1．3．1 燃燒效率
燃燒效率是固沖發(fā)動機的重要參數(shù)，反映了含硼富燃料推進劑的燃燒性能，通過計算加入等離子體前后得到的燃燒效率判斷等離子體點火助燃的有效性。
根據(jù)特征速度定義的燃燒效率為
定義特征速度為
GPS技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展中的各個領(lǐng)域中，建筑行業(yè)、勘探行業(yè)、交通運輸業(yè)及房產(chǎn)行業(yè)等涉及了GPS技術(shù)的應(yīng)用。GPS技術(shù)中融入了信息技術(shù)、通信技術(shù)、定位技術(shù)等多種技術(shù)方法，可以通過不同技術(shù)的綜合運用，提高測繪成果的精準(zhǔn)度，保證測繪工作的效率及質(zhì)量。在GPS技術(shù)的應(yīng)用過程中，其信息處理環(huán)節(jié)是關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，通常通過建立數(shù)據(jù)庫的方式，完成對信息的收集、處理及分析，最后利用計算機軟件，建立測繪區(qū)域的地理信息模型，最后繪制完整的圖形，展示在決策者的面前，為之后的工作提供有效的數(shù)據(jù)參考[1]。
1．3．2 實驗參數(shù)
1）根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器的壓強曲線獲得工作時間t0。
2）以工作時間t0為標(biāo)準(zhǔn)，由藥柱質(zhì)量m0和工作后的藥柱殘渣mr和包覆mc之差求得燃?xì)獾牧髁浚?（m0－mr－mc）／t0，和分別表示來流空氣的流量和等離子體炬的工質(zhì)氣體的流量。
3）燃?xì)獍l(fā)生器在時間t0內(nèi)的工作壓強曲線積分平均求得燃?xì)獍l(fā)生器的平均壓強p0。
4）燃燒室在時間t0內(nèi)的工作壓強曲線積分平均求得燃燒室的平均壓強為總壓。
5）根據(jù)實驗測得來流空氣的總溫T＊、總壓p＊、限流喉道直徑為20．5mm、面積 Ag＝330mm2、計算流量mg＝Kp＊Ag／，積分平均求得來流空氣的流量 mg。
2 實驗結(jié)果與分析
實驗過程：①來流空氣達(dá)到預(yù)定的溫度、壓強和流量；②打開等離子體系統(tǒng)，等離子體工作；③燃?xì)獍l(fā)生器點火，產(chǎn)生一次燃?xì)饨?jīng)長尾管進入補燃室開始二次燃燒；④二次燃燒5s后，等離子體系統(tǒng)停止放電，等離子體停止工作；⑤5s后，補燃室停止燃燒，發(fā)動機停止工作。需要指出的是等離子體發(fā)生器的工質(zhì)氣體的存在時間是固沖發(fā)動機的整個工作期間，排除了此部分氣流單獨對補燃室壓強的影響。
2．1 模擬來流空氣結(jié)果
為了模擬固沖發(fā)動機工作的環(huán)境，需要對來流空氣進行精確的溫度、壓力和流量控制，較準(zhǔn)確地模擬導(dǎo)彈飛行時所捕獲的空氣。采用煤油直接燃燒加熱來流空氣，將來流空氣加熱到預(yù)定溫度，同時固定喉道直徑通過控制電磁閥門開關(guān)控制來流壓強，從而達(dá)到控制流量的目的。來流參數(shù)的實驗結(jié)果如圖4～圖6所示。
圖4 來流溫度隨時間的變化Fig．4 Inflow temperature vs time
圖5 來流總壓隨時間的變化Fig．5 Inflow total pressure vs time
圖6 來流流量隨時間的變化Fig．6 Inflow mass flux vs time
可見，來流空氣溫度平穩(wěn)，平均值為581．5K；來流空氣壓強平穩(wěn)，總壓平均值為0．529 8MPa；來流空氣流量平穩(wěn)，平均值為0．292 9kg／s。模擬來流空氣各參數(shù)值浮動不超過1%，滿足固沖發(fā)動機工作環(huán)境對來流空氣的參數(shù)要求，且參數(shù)變化小排除了來流空氣對含硼燃?xì)馊紵实挠绊憽?/p>
2．2 光學(xué)測量
在實驗過程中利用高速攝影拍攝補燃室4個窗口，為降低等離子體發(fā)光強度對含硼燃?xì)舛稳紵龍D像的影響，將曝光時間和光圈分別調(diào)整為15μs和F11，得到含硼擴散燃燒實驗過程的火焰圖像如圖7所示，其中圖7（a）為發(fā)動機點火前等離子體已經(jīng)開始工作的圖像，沒有拍攝到明顯的等離子體炬（紅圈區(qū)域為等離子體炬的工作區(qū)域），排除了等離子體發(fā)光強度的影響；圖7（b）為等離子體工作以及含硼燃?xì)馔瑫r燃燒的圖像；圖7（c）為斷開等離子體后僅有含硼燃?xì)舛稳紵膱D像。對比圖7（a）、圖7（b）和圖7（c）可以看出，加入等離子體后，等離子體炬本身沒有造成補燃室出現(xiàn)明顯亮度，當(dāng)燃?xì)舛稳紵瑫r加等離子體，等離子體促進含硼燃?xì)舛稳紵沟醚a燃室發(fā)光強度明顯增強；并且出現(xiàn)硼完全燃燒時特有的綠色火焰。
圖7 含硼燃?xì)馊紵鹧嬲掌現(xiàn)ig．7 Images of boron－based gas flame
2．3 壓力參數(shù)測量
發(fā)動機點火后，燃?xì)獍l(fā)生器壓強快速上升，達(dá)到峰值后迅速下降，壓力峰值為3．417 9MPa，此為點火藥快速燃燒引起的壓強變化。當(dāng)壓強緩慢上升時表明推進劑開始燃燒，由于凝聚相的沉積，燃?xì)獍l(fā)生器噴管喉徑減小，導(dǎo)致壓強出現(xiàn)緩慢上升趨勢。結(jié)果如圖8所示，燃?xì)獍l(fā)生器平均壓強為1．441 6MPa，工作時間為8．55s。
一次燃?xì)饨?jīng)長尾管進入補燃室與來流空氣進行二次燃燒，由于亞聲速燃燒，補燃室4個不同截面的靜壓p1～p4和總壓p＊1～p＊4在數(shù)值上基本相同，如圖9和圖10所示。補燃室壓強變化趨勢與燃?xì)獍l(fā)生器基本一致，緩慢上升。前半部分為加等離子體后補燃室的壓強變化，當(dāng)斷開等離子體時（188．39s），原本緩慢上升的補燃室總壓、靜壓出現(xiàn)突降臺階，總壓由0．315 4MPa降為0．295 1MPa，壓力突降0．022 3MPa，降低約7．07%。說明等離子體可以提高含硼燃?xì)舛稳紵难a燃室壓強。
圖8 燃?xì)獍l(fā)生器的壓強變化Fig．8 Pressure history of fuel－rich gas generator
圖9 補燃室的靜壓變化Fig．9 Static pressure history of afterburning chamber
圖10 補燃室的總壓變化Fig．10 Total pressure history of afterburning chamber
2．4 實驗數(shù)據(jù)
依據(jù)2．3節(jié)所示方法對該實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，得到實驗參數(shù)如表1所示。
可見，空燃比13．60時，等離子體可以使固沖發(fā)動機補燃室的壓強由0．295 1MPa上升到0．315 4MPa，相應(yīng)的實驗特征速度分別為659．7m／s和705．1m／s；理論特征速度由 CEA軟件計算得到1 151．3m／s；相應(yīng)的燃燒效率分別為57．30%和61．24%，等離子體提高燃燒效率3．94%。此固沖發(fā)動機實驗系統(tǒng)的燃燒效率相對較低，主要是由于該發(fā)動機補燃室尺寸長度較短，含硼燃?xì)馕茨艹浞秩紵?；擴散燃燒系統(tǒng)減弱了來流空氣的摻混效應(yīng)，從而影響了發(fā)動機的燃燒效率。
在相同實驗條件下進行了5次實驗，僅更改等離子體的放電功率，研究放電功率對含硼固沖發(fā)動機燃燒效率的影響。
表1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析Table 1 Data analysis of experimental results
定義燃燒效率的增長率φ為
式中：ηplasma為加入等離子體后得到的固沖發(fā)動機燃燒效率；η0為不加等離子體時得到的固沖發(fā)動機燃燒效率。等離子體放電功率對燃燒效率增長率的影響如圖11所示。
圖11 放電功率對含硼固沖發(fā)動機燃燒效率的影響Fig．11 Effect of plasma discharge power on combustion efficiency of boron－based solid ducted rocket
可見，當(dāng)增加等離子體的放電功率時，活性粒子濃度增多，活性粒子參與含硼燃?xì)獾亩稳紵^程，有利于硼顆粒能量的進一步釋放，從而提高了含硼固沖發(fā)動機的燃燒效率。但當(dāng)功率過高時，發(fā)動機燃燒效率增加率增加不明顯，因此等離子體炬助燃需要根據(jù)固沖發(fā)動機的參數(shù)進行優(yōu)化。
3 結(jié) 論
提出并驗證了等離子體應(yīng)用于固沖發(fā)動機的方法，建立了相應(yīng)的實驗和測量系統(tǒng)，利用高速攝影儀和燃?xì)獍l(fā)生器、補燃室的壓強測量采集系統(tǒng)，分析了等離子體條件下含硼燃?xì)舛稳紵幕鹧鎴D像和燃燒效率。
1）模擬來流空氣參數(shù)穩(wěn)定，各參數(shù)值浮動不超過1%，溫度、總壓和流量分別為581．5K、0．529 8MPa和0．292 9kg／s，滿足固沖發(fā)動機工作環(huán)境對來流空氣的參數(shù)要求。
2）利用高速攝影儀拍攝補燃室含硼燃?xì)獾亩稳紵^程，可以看出加入等離子體后火焰面更寬且穩(wěn)定。在設(shè)定的光圈和曝光時間下，圖像顯示等離子體炬沒有明顯的亮光，而當(dāng)含硼燃?xì)膺M入補燃室時，等離子體作用于含硼燃?xì)馐购鹑細(xì)獍l(fā)生更劇烈地燃燒，圖像顯示火焰更加明亮和穩(wěn)定，并且出現(xiàn)硼完全燃燒時特有的綠色火焰，說明等離子體可以促進硼的點火燃燒。
3）斷開等離子體補燃室總壓和靜壓出現(xiàn)突降臺階，總壓由0．315 4MPa降為0．295 1MPa，壓強突降0．022 3MPa，降低約7．07%；通過特征速度計算燃燒效率，可知等離子體可以使含硼燃?xì)獾娜紵视?7．30%增加為61．24%，燃燒效率提高3．94%。放電功率越高，固沖發(fā)動機燃燒效率的增長率越高，達(dá)到了提高發(fā)動機工作性能的目的；但當(dāng)放電功率過高時，發(fā)動機燃燒效率增加率增加不再明顯，因此等離子體炬助燃需要根據(jù)固沖發(fā)動機的參數(shù)進行優(yōu)化。
［1］ BECKSTEAD M W，PUDUPPAKKAM K，THAKRE P，et al．Modeling of combustion and ignition of solid－propellant ingredients［J］．Progress in Energy and Combusiton Science，2007，33（6）：497－551．
［2］ 于丹，孔成棟，卓建坤，等．硼顆粒著火階段氧化性能研究［J］．工程熱物理學(xué)報，2015，36（4）：922－925．YU D，KONG C D，ZHUO J K，et al．Study on oxidation characteristics of boron particles in the ignition stage［J］．Journal of Engineering Thermophysics，2015，36（4）：922－925（in Chinese）．
［3］ FRY R S．A century of ramjet propulsion technology evolution［J］．Journal of Propulsion and Power，2004，20（1）：27－57．
［4］ JAIN A，ANTHONYSAMY S，ANANTHASIVAN K，et al．Studies on the ignition behavior of boron powder［J］．Termochimica Acta，2010，500（1）：63－68．
［5］ HELMUT K C，JOACHIM S，WALTER C，et al．Combustion of solid－fuel slabs containing boron particles in step combustor［J］．Journal of Propulsion and Power，2003，19（6）：1180－1191．
［6］ 劉杰，李進賢，馮喜平，等．旋轉(zhuǎn)射流對含硼固體火箭沖壓發(fā)動機二次燃燒的影響［J］．推進技術(shù)，2011，32（3）：355－359，382．LIU J，LI J X，F(xiàn)ENG X P，et al．Influence of the swirl injection for secondary combustion of boron based ducted rocket［J］．Journal of Propulsion Technology，2011，32（3）：355－359，382（in Chinese）．
［7］ 胡建新．含硼推進劑固體火箭沖壓發(fā)動機補燃室工作過程研究［D］．長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006．HU J X．Research on the secondary combustion chamber operation process of boron－based propellant ducted rockets［D］．Changsha：National University of Defense Technol－ogy，2006（in Chinese）．
［8］ BENVENISTE N，ALON G．Combustion characteristics of a boron－fueled solid fuel ramjet with aft－burner［J］．Journal of Propulsion and Power，1993，9（5）：694－701．
［9］ FOMIN M V，ZVEGINTSEV I V，MAZHUL I I，et al．Analysis of efficiency of using hybrid propulsion for accelerating small－size rockets starting from the earth surface［J］．Journal of Applied Mechanics and Technical Physics，2010，51（6）：792－799．
［10］ JU Y G．Recent progress and challenges in fundamental combustion research［J］．Advances in Mechanics，2014，44（1）：26－97．
［11］ INOMATA T，OKAZAKI S，MORIWAKI T，et al．The application of silent electric discharges to propagating flames［J］．Combustion and Flame，1983，50（3）：361－363．
［12］ STARIKOVSKAYA S M，KUKAEV E N，KUKSIN A Y．Analysis of the spatial uniformity of the combustion of agaseous mixture initiated by a nanosecond discharge［J］．Combustion and Flame，2004，139（3）：177－187．
［13］ SUN W，UDDI M，OMBRELLO T，et al．Effects of nonequilibrium plasma discharge on counterflow diffusion flame extinction［J］．Proceedings of the Combustion Institute，2011，33（2）：3211－3218．
［14］ SUN W，OMBRELLO T，WON S H，et al．Direct ignition and S－curve transition by in situ nanosecond pulsed discharge in methane／oxygen／helium counterflow flame［J］．Proceedings of the Combustion Institute，2013，34（1）：847－855．
［15］ ANDREY S，NICKOLAY A．Plasma－assisted ignition and combustion［J］．Progress in Energy and Combustion Science，2013，39（1）：61－110．
［16］ MATSUBARA Y，TAKITA K，MASUYA G．Combustion enhancement in a supersonic flow by simultaneous operation of DBD and plasma jet［J］．Proceeding of the Combustion Institute，2013，34（2）：3287－3294．
［17］ ALEKSANDROV N L，KINDYSHEVA S V，KOCHETOV I V．Kinetics of low－temperature plasmas for plasmaassisted combustion and aerodynamics［J］．Plasma Science and Technology，2014，23（1）：1－13．
［18］ 張鵬，洪延姬，沈雙晏，等．等離子體強化點火的動力學(xué)分析［J］．高電壓技術(shù)，2014，40（7）：2125－2132．ZHANG P，HONG Y J，SHENG S Y，et al．Kinetic effects of plasma on the ignition process［J］．High Voltage Engineering［J］，2014，40（7）：2125－2132（in Chinese）．
［19］ 蘭宇丹．燃燒室等離子體點火與助燃的實驗研究與數(shù)值模擬［D］．西安：空軍工程大學(xué)，2011．LAN Y D．Experimental research and numerical simulation on chamber plasma assisted ignition and combustion［D］．Xi’an：Air Force Engineering University，2011（in Chinese）．
［20］ 謝玉樹，張小兵，袁亞雄，等．固體推進劑等離子體點火研究［J］．推進技術(shù)，2003，24（3）：275－277．XIE Y S，ZHANG X B，YUAN Y X，et al．Experimental studies for plasmas ignition of solid propellants［J］．Journal of Propulsion Technology，2003，24（3）：275－277（in Chinese）．
Experimental analysis on plasma assisted secondary combustion of boronbased gas
ZHANG Peng1，HONG Yanji1，＊，DING Xiaoyu1，JI Hailong2
1．State Key Laboratory of Laser Propulsion ＆Application，Equipment Academy，Beijing 101416，China
2．Science and Technology on Combustion，Internal Flow and Thermal－Structure Laboratory，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
In order to research the influence of plasma on the secondary combustion characteristic of boron－based gas in the afterburning chamber，a diffusion combustion experimental model which can exclude the mixing effect of intake air on the boron－based gas is designed and built．The flame image of boron－based gas secondary combustion is measured by the highspeed photographic apparatus to analyze the degree of brightness of the flame and the flame shape；the total pressure and static pressure of different cross－sections in the combustion chamber are measured to analyze the combustion efficiency of boron－based propellant under the influence of plasma．The results show that when adding plasma torch at the secondary combustion of boron－based gas，the combustion efficiency of boron－based gas increases and the boron－based flame is brighter；the abrupt decrease in the total pressure and static pressure appears when turning the plasma torch off．These show that the chemical reaction rate of boron－based gas increases with plasma，and the combustion efficiency of boron－based propellant in the solid rocket ramjet increases with plasma，which leads to the increase of the total pressure and static pressure with plasma；the combustion efficiency increases with the growth of discharge plasma power．
plasma torches；ducted rocket engines；boron；afterburning chamber；diffusion flames
2015－09－13；Revised：2015－10－25；Accepted：2015－11－17；Published online：2016－01－31 12：57
URL：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160131．1257．010．html
National Natural Science Foundation of China（11372356）
V435
A
1000－6893（2016）09－2721－08
10．7527／S1000－6893．2015．0350
2015－09－13；退修日期：2015－10－25；錄用日期：2015－11－17；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016－01－31 12：57
www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160131．1257．010．html
國家自然科學(xué)基金 （11372356）
＊通訊作者．Tel．：010－66364438 E－mail：hongyaniji＠vip．sina．com
張鵬，洪延姬，丁小雨，等．等離子體增強含硼燃?xì)舛稳紵龑嶒灧治觯跩］．航空學(xué)報，2016，37（9）：27212－728．ZHANG P，HONG Y J，DING X Y，et al．Experimental analysis on plasma assisted secondary combustion of boronb－ased gas［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2016，37（9）：27212－728．
張鵬 男，博士研究生。主要研究方向：等離子體點火助燃技術(shù)。
E－mail：zhangpengtf＠126．com
洪延姬 女，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：先進推進技術(shù)。
Tel．：010－66364438
E－mail：hongyanji＠vip．sina．com
＊Corresponding author．Tel．：010－66364438 E－mail：hongyanji＠vip．sina．com
猜你喜歡
兩種典型來流條件下風(fēng)力機尾跡特性的數(shù)值研究能源工程(2022年2期)2022-05-23 13:51:48 總壓探針性能結(jié)構(gòu)敏感性分析計測技術(shù)(2022年1期)2022-04-18 12:36:10 含硼水溶液上方蒸汽對奧氏體不銹鋼的腐蝕行為無機鹽工業(yè)(2022年2期)2022-02-21 03:36:10 含硼卟啉化合物的合成研究進展云南化工(2021年7期)2021-12-21 07:27:20 一種含硼碳化硅纖維及其制備方法高科技纖維與應(yīng)用(2021年2期)2021-04-04 11:15:55 可調(diào)式總壓耙設(shè)計及應(yīng)用航空發(fā)動機(2020年3期)2020-07-24 09:03:28 不同來流條件對溢洪道過流能力的影響水利規(guī)劃與設(shè)計(2020年1期)2020-05-25 08:01:34 亞聲速條件下總壓探針臨壁效應(yīng)的數(shù)值研究航空工程進展(2020年2期)2020-05-06 06:25:28 2 m超聲速風(fēng)洞流場變速壓控制方法研究實驗流體力學(xué)(2019年6期)2020-01-10 03:10:26 彈發(fā)匹配驗證試驗系統(tǒng)來流快速啟動技術(shù)研究彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(2015年1期)2015-03-11 15:32:22
張鵬，洪延姬，＊，丁小雨，紀(jì)海龍
1．裝備學(xué)院 激光推進及其應(yīng)用國家重點實驗室，北京 101416 2．西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072
等離子體增強含硼燃?xì)舛稳紵龑嶒灧治?/p>
張鵬1，洪延姬1，＊，丁小雨1，紀(jì)海龍2
1．裝備學(xué)院 激光推進及其應(yīng)用國家重點實驗室，北京 101416 2．西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072
為研究等離子體助燃條件下含硼燃?xì)庠谘a燃室的二次燃燒特性，建立了排除來流空氣摻混效應(yīng)的擴散燃燒實驗?zāi)Ｐ?。利用高速攝影儀拍攝了含硼燃?xì)庠谘a燃室的火焰照片，得到了有無等離子體條件下的燃燒火焰形貌；測量了補燃室不同截面的靜壓和總壓，分析了有無等離子體條件下含硼推進劑在固沖發(fā)動機中的燃燒效率。實驗結(jié)果表明：在含硼燃?xì)舛稳紵^程中加入等離子體炬，等離子體炬后方區(qū)域火焰更加明亮，硼燃燒更加充分；斷開等離子體炬后，補燃室靜壓和總壓出現(xiàn)壓力突降臺階，說明加入等離子體后可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高含硼燃?xì)庠诠虥_發(fā)動機中的燃燒效率，從而提高了補燃室的壓強；且放電功率越高，含硼燃?xì)庠诠虥_發(fā)動機中燃燒效率的增長率越高。
等離子體炬；固沖發(fā)動機；硼；補燃室；擴散火焰
硼具有較高的質(zhì)量熱值（58．28kJ／g）和體積熱值（136．38kJ／cm3），分別是金屬鎂、鋁的2．3、1．9倍和3．1、1．7倍，是一種理想的固體燃料添加劑，有望應(yīng)用于提高固沖發(fā)動機（固體火箭沖壓發(fā)動機）的性能和比沖上，成為近年來的研究熱點［1－2］。但由于硼顆粒熔沸點高、表面覆蓋的氧化硼（B2O3）容易造成顆粒結(jié)團以及在補燃室的滯留時間短等原因，導(dǎo)致硼熱值的實際釋放非常困難，從而影響到固沖發(fā)動機的整體工作性能［3－4］。
含硼推進劑燃燒效率低是制約固沖發(fā)動機發(fā)展的主要因素之一，通常提高燃燒效率的方法是改變發(fā)動機構(gòu)型。2003年Helmut等研究了補燃室的臺階對含硼燃?xì)舛稳紵匦缘挠绊懀?］。國內(nèi)主要是西北工業(yè)大學(xué)［6］和國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)［7］的團隊研究進氣道結(jié)構(gòu)和位置。這些方法通過延長硼顆粒的滯留時間和提高摻混效率增強含硼燃?xì)獾娜紵匦裕厝粫哟罂諝庾枇?，增加系統(tǒng)總能損失［8－9］，因此需要探索新的增強含硼燃?xì)馊紵匦缘姆椒?。近年來研究者發(fā)現(xiàn)等離子體具有強化點火和助燃的特性［10］。Inomata等于1983年發(fā)現(xiàn)等離子體可以增加火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵剩?1］。2004年Starikovskaya等指出等離子體為點火過程提供必須的活性粒子從而加速化學(xué)反應(yīng)進程，并建立了基于烷烴放電的反應(yīng)機理［12］。Sun等實驗證明等離子體在低壓條件下也可以激發(fā)多級燃燒［13－14］。2013年 Andrey和 Nickolay總 結(jié) 了 近十余年等離子體對氣體、液體點火助燃方面的理論與實驗進展，指出等離子體同時具有熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，在提高燃燒效率和擴寬燃燒極限等方面應(yīng)用前景廣闊［15］。2013年 Matsubara等將等離子體炬與介質(zhì)阻擋放電等離子體同時應(yīng)用于超聲速氣流中，實驗表明高聲速氣流需要等離子體熱效應(yīng)穩(wěn)定火焰，在熄火極限附近則需要化學(xué)效應(yīng)增強穩(wěn)定性［16］。2014年Aleksandrov等發(fā)展了等離子體增強包含 H2、CH4－C5H12燃燒的動力學(xué)模型［17］。
目前等離子體點火助燃的研究主要集中在氣相、液相和固體凝聚相燃料上［17－20］，尚未發(fā)現(xiàn)等離子體增強含硼燃?xì)猓ň哂辛鲃有裕┰谘a燃室的二次燃燒的實驗研究成果。本文主要在有／無等離子體激勵的條件下，開展研究含硼燃?xì)庠谘a燃室的二次燃燒特性實驗，通過含硼燃?xì)饣鹧嬲掌脱a燃室壓強數(shù)據(jù)等分析等離子體對含硼燃?xì)馊紵实脑鰪娮饔茫η蠼鉀Q硼顆粒點火燃燒困難、火焰穩(wěn)定性差以及燃燒效率低等問題，達(dá)到提高發(fā)動機工作性能的目的。
1 實 驗
1．1 實驗系統(tǒng)
固沖發(fā)動機主要由燃?xì)獍l(fā)生器、進氣道、補燃室和沖壓噴管等組成，含硼推進劑在燃?xì)獍l(fā)生器中產(chǎn)生一次燃?xì)猓ㄘ氀酰┡c進氣道的來流空氣（補氧）在補燃室進行摻混并二次燃燒，最后經(jīng)噴管排出。為減小摻混效應(yīng)重點研究等離子體點火助燃特性，建立了含硼燃?xì)獾臄U散燃燒物理模型，其中來流空氣在煤油加熱后經(jīng)平行進氣裝置得到整流，使來流空氣與燃?xì)馄叫?，得到弱化摻混的作用。補燃室采用橫截面100mm×100mm、長635mm的長方體結(jié)構(gòu)以便觀測火焰圖像，其中觀察窗內(nèi)層采用12mm厚的石英玻璃用作耐高溫層，外層采用5mm厚的有機玻璃用作保護層，從而提高玻璃窗整體的耐溫性和耐沖擊性，燃?xì)獍l(fā)生器喉徑為3．5mm，沖壓噴管喉徑為30mm。圖1所示為實驗裝置總體示意圖。
圖1 擴散燃燒實驗?zāi)Ｐ虵ig．1 Experimental model of diffusion combustion
一次燃?xì)饨?jīng)長尾管噴出后沿補燃室中心軸線向外擴散，來流空氣向內(nèi)擴散，當(dāng)硼顆粒（一次燃?xì)庵写嬖诖罅课慈嫉呐痤w粒）到達(dá)燃?xì)馀c來流空氣的交界處時，滿足了其高溫富氧的點火條件，從而發(fā)生二次點火燃燒。等離子體炬與補燃室前段底部成角度60°，將等離子體（工質(zhì)氣體為空氣）以旋轉(zhuǎn)方式噴射到補燃室，高能電子經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量活性粒子，增強含硼固沖發(fā)動機的燃燒過程。實驗系統(tǒng)如圖2所示，等離子體系統(tǒng)包括等離子體發(fā)生器、等離子體電源、工質(zhì)氣體供給裝置和冷卻水系統(tǒng)等。
圖2 實驗系統(tǒng)圖（加等離子體炬）Fig．2 Experimental system diagram （adding plasma torches）
1．2 測量系統(tǒng)
實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括德維創(chuàng)DEWE－2010、基于LABVIEW平臺開發(fā)的采集和控制來流空氣參數(shù)的采集系統(tǒng)以及若干種傳感器。采樣頻率為1 000次／秒，主要采集燃?xì)獍l(fā)生器靜壓、補燃室4個不同截面的總壓和靜壓以及來流空氣的靜壓和溫度等參數(shù)。并利用高速攝影儀和光譜儀測量補燃室的含硼燃?xì)鈹U散燃燒過程，高速攝像儀采用Vision Research公司生產(chǎn)的型號Phantom v711，尼康50mm f／1．8DAF Nikkor鏡頭，分辨率為1 280×352，速度為800fps（1fps＝1幀／秒），曝光時間為15μs，光圈F11。圖3為德維創(chuàng)公司生產(chǎn)的DEWE－2010便攜式高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備及其操作界面。
圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DEWE－2010Fig．3 Data acquisition system DEWE－2010
1．3 數(shù)據(jù)處理方法
1．3．1 燃燒效率
燃燒效率是固沖發(fā)動機的重要參數(shù)，反映了含硼富燃料推進劑的燃燒性能，通過計算加入等離子體前后得到的燃燒效率判斷等離子體點火助燃的有效性。
根據(jù)特征速度定義的燃燒效率為
定義特征速度為
GPS技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展中的各個領(lǐng)域中，建筑行業(yè)、勘探行業(yè)、交通運輸業(yè)及房產(chǎn)行業(yè)等涉及了GPS技術(shù)的應(yīng)用。GPS技術(shù)中融入了信息技術(shù)、通信技術(shù)、定位技術(shù)等多種技術(shù)方法，可以通過不同技術(shù)的綜合運用，提高測繪成果的精準(zhǔn)度，保證測繪工作的效率及質(zhì)量。在GPS技術(shù)的應(yīng)用過程中，其信息處理環(huán)節(jié)是關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，通常通過建立數(shù)據(jù)庫的方式，完成對信息的收集、處理及分析，最后利用計算機軟件，建立測繪區(qū)域的地理信息模型，最后繪制完整的圖形，展示在決策者的面前，為之后的工作提供有效的數(shù)據(jù)參考[1]。
1．3．2 實驗參數(shù)
1）根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器的壓強曲線獲得工作時間t0。
2）以工作時間t0為標(biāo)準(zhǔn)，由藥柱質(zhì)量m0和工作后的藥柱殘渣mr和包覆mc之差求得燃?xì)獾牧髁浚?（m0－mr－mc）／t0，和分別表示來流空氣的流量和等離子體炬的工質(zhì)氣體的流量。
3）燃?xì)獍l(fā)生器在時間t0內(nèi)的工作壓強曲線積分平均求得燃?xì)獍l(fā)生器的平均壓強p0。
4）燃燒室在時間t0內(nèi)的工作壓強曲線積分平均求得燃燒室的平均壓強為總壓。
5）根據(jù)實驗測得來流空氣的總溫T＊、總壓p＊、限流喉道直徑為20．5mm、面積 Ag＝330mm2、計算流量mg＝Kp＊Ag／，積分平均求得來流空氣的流量 mg。
2 實驗結(jié)果與分析
實驗過程：①來流空氣達(dá)到預(yù)定的溫度、壓強和流量；②打開等離子體系統(tǒng)，等離子體工作；③燃?xì)獍l(fā)生器點火，產(chǎn)生一次燃?xì)饨?jīng)長尾管進入補燃室開始二次燃燒；④二次燃燒5s后，等離子體系統(tǒng)停止放電，等離子體停止工作；⑤5s后，補燃室停止燃燒，發(fā)動機停止工作。需要指出的是等離子體發(fā)生器的工質(zhì)氣體的存在時間是固沖發(fā)動機的整個工作期間，排除了此部分氣流單獨對補燃室壓強的影響。
2．1 模擬來流空氣結(jié)果
為了模擬固沖發(fā)動機工作的環(huán)境，需要對來流空氣進行精確的溫度、壓力和流量控制，較準(zhǔn)確地模擬導(dǎo)彈飛行時所捕獲的空氣。采用煤油直接燃燒加熱來流空氣，將來流空氣加熱到預(yù)定溫度，同時固定喉道直徑通過控制電磁閥門開關(guān)控制來流壓強，從而達(dá)到控制流量的目的。來流參數(shù)的實驗結(jié)果如圖4～圖6所示。
圖4 來流溫度隨時間的變化Fig．4 Inflow temperature vs time
圖5 來流總壓隨時間的變化Fig．5 Inflow total pressure vs time
圖6 來流流量隨時間的變化Fig．6 Inflow mass flux vs time
可見，來流空氣溫度平穩(wěn)，平均值為581．5K；來流空氣壓強平穩(wěn)，總壓平均值為0．529 8MPa；來流空氣流量平穩(wěn)，平均值為0．292 9kg／s。模擬來流空氣各參數(shù)值浮動不超過1%，滿足固沖發(fā)動機工作環(huán)境對來流空氣的參數(shù)要求，且參數(shù)變化小排除了來流空氣對含硼燃?xì)馊紵实挠绊憽?/p>
2．2 光學(xué)測量
在實驗過程中利用高速攝影拍攝補燃室4個窗口，為降低等離子體發(fā)光強度對含硼燃?xì)舛稳紵龍D像的影響，將曝光時間和光圈分別調(diào)整為15μs和F11，得到含硼擴散燃燒實驗過程的火焰圖像如圖7所示，其中圖7（a）為發(fā)動機點火前等離子體已經(jīng)開始工作的圖像，沒有拍攝到明顯的等離子體炬（紅圈區(qū)域為等離子體炬的工作區(qū)域），排除了等離子體發(fā)光強度的影響；圖7（b）為等離子體工作以及含硼燃?xì)馔瑫r燃燒的圖像；圖7（c）為斷開等離子體后僅有含硼燃?xì)舛稳紵膱D像。對比圖7（a）、圖7（b）和圖7（c）可以看出，加入等離子體后，等離子體炬本身沒有造成補燃室出現(xiàn)明顯亮度，當(dāng)燃?xì)舛稳紵瑫r加等離子體，等離子體促進含硼燃?xì)舛稳紵沟醚a燃室發(fā)光強度明顯增強；并且出現(xiàn)硼完全燃燒時特有的綠色火焰。
圖7 含硼燃?xì)馊紵鹧嬲掌現(xiàn)ig．7 Images of boron－based gas flame
2．3 壓力參數(shù)測量
發(fā)動機點火后，燃?xì)獍l(fā)生器壓強快速上升，達(dá)到峰值后迅速下降，壓力峰值為3．417 9MPa，此為點火藥快速燃燒引起的壓強變化。當(dāng)壓強緩慢上升時表明推進劑開始燃燒，由于凝聚相的沉積，燃?xì)獍l(fā)生器噴管喉徑減小，導(dǎo)致壓強出現(xiàn)緩慢上升趨勢。結(jié)果如圖8所示，燃?xì)獍l(fā)生器平均壓強為1．441 6MPa，工作時間為8．55s。
一次燃?xì)饨?jīng)長尾管進入補燃室與來流空氣進行二次燃燒，由于亞聲速燃燒，補燃室4個不同截面的靜壓p1～p4和總壓p＊1～p＊4在數(shù)值上基本相同，如圖9和圖10所示。補燃室壓強變化趨勢與燃?xì)獍l(fā)生器基本一致，緩慢上升。前半部分為加等離子體后補燃室的壓強變化，當(dāng)斷開等離子體時（188．39s），原本緩慢上升的補燃室總壓、靜壓出現(xiàn)突降臺階，總壓由0．315 4MPa降為0．295 1MPa，壓力突降0．022 3MPa，降低約7．07%。說明等離子體可以提高含硼燃?xì)舛稳紵难a燃室壓強。
圖8 燃?xì)獍l(fā)生器的壓強變化Fig．8 Pressure history of fuel－rich gas generator
圖9 補燃室的靜壓變化Fig．9 Static pressure history of afterburning chamber
圖10 補燃室的總壓變化Fig．10 Total pressure history of afterburning chamber
2．4 實驗數(shù)據(jù)
依據(jù)2．3節(jié)所示方法對該實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，得到實驗參數(shù)如表1所示。
可見，空燃比13．60時，等離子體可以使固沖發(fā)動機補燃室的壓強由0．295 1MPa上升到0．315 4MPa，相應(yīng)的實驗特征速度分別為659．7m／s和705．1m／s；理論特征速度由 CEA軟件計算得到1 151．3m／s；相應(yīng)的燃燒效率分別為57．30%和61．24%，等離子體提高燃燒效率3．94%。此固沖發(fā)動機實驗系統(tǒng)的燃燒效率相對較低，主要是由于該發(fā)動機補燃室尺寸長度較短，含硼燃?xì)馕茨艹浞秩紵?；擴散燃燒系統(tǒng)減弱了來流空氣的摻混效應(yīng)，從而影響了發(fā)動機的燃燒效率。
在相同實驗條件下進行了5次實驗，僅更改等離子體的放電功率，研究放電功率對含硼固沖發(fā)動機燃燒效率的影響。
表1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析Table 1 Data analysis of experimental results
定義燃燒效率的增長率φ為
式中：ηplasma為加入等離子體后得到的固沖發(fā)動機燃燒效率；η0為不加等離子體時得到的固沖發(fā)動機燃燒效率。等離子體放電功率對燃燒效率增長率的影響如圖11所示。
圖11 放電功率對含硼固沖發(fā)動機燃燒效率的影響Fig．11 Effect of plasma discharge power on combustion efficiency of boron－based solid ducted rocket
可見，當(dāng)增加等離子體的放電功率時，活性粒子濃度增多，活性粒子參與含硼燃?xì)獾亩稳紵^程，有利于硼顆粒能量的進一步釋放，從而提高了含硼固沖發(fā)動機的燃燒效率。但當(dāng)功率過高時，發(fā)動機燃燒效率增加率增加不明顯，因此等離子體炬助燃需要根據(jù)固沖發(fā)動機的參數(shù)進行優(yōu)化。
3 結(jié) 論
提出并驗證了等離子體應(yīng)用于固沖發(fā)動機的方法，建立了相應(yīng)的實驗和測量系統(tǒng)，利用高速攝影儀和燃?xì)獍l(fā)生器、補燃室的壓強測量采集系統(tǒng)，分析了等離子體條件下含硼燃?xì)舛稳紵幕鹧鎴D像和燃燒效率。
1）模擬來流空氣參數(shù)穩(wěn)定，各參數(shù)值浮動不超過1%，溫度、總壓和流量分別為581．5K、0．529 8MPa和0．292 9kg／s，滿足固沖發(fā)動機工作環(huán)境對來流空氣的參數(shù)要求。
2）利用高速攝影儀拍攝補燃室含硼燃?xì)獾亩稳紵^程，可以看出加入等離子體后火焰面更寬且穩(wěn)定。在設(shè)定的光圈和曝光時間下，圖像顯示等離子體炬沒有明顯的亮光，而當(dāng)含硼燃?xì)膺M入補燃室時，等離子體作用于含硼燃?xì)馐购鹑細(xì)獍l(fā)生更劇烈地燃燒，圖像顯示火焰更加明亮和穩(wěn)定，并且出現(xiàn)硼完全燃燒時特有的綠色火焰，說明等離子體可以促進硼的點火燃燒。
3）斷開等離子體補燃室總壓和靜壓出現(xiàn)突降臺階，總壓由0．315 4MPa降為0．295 1MPa，壓強突降0．022 3MPa，降低約7．07%；通過特征速度計算燃燒效率，可知等離子體可以使含硼燃?xì)獾娜紵视?7．30%增加為61．24%，燃燒效率提高3．94%。放電功率越高，固沖發(fā)動機燃燒效率的增長率越高，達(dá)到了提高發(fā)動機工作性能的目的；但當(dāng)放電功率過高時，發(fā)動機燃燒效率增加率增加不再明顯，因此等離子體炬助燃需要根據(jù)固沖發(fā)動機的參數(shù)進行優(yōu)化。
［1］ BECKSTEAD M W，PUDUPPAKKAM K，THAKRE P，et al．Modeling of combustion and ignition of solid－propellant ingredients［J］．Progress in Energy and Combusiton Science，2007，33（6）：497－551．
［2］ 于丹，孔成棟，卓建坤，等．硼顆粒著火階段氧化性能研究［J］．工程熱物理學(xué)報，2015，36（4）：922－925．YU D，KONG C D，ZHUO J K，et al．Study on oxidation characteristics of boron particles in the ignition stage［J］．Journal of Engineering Thermophysics，2015，36（4）：922－925（in Chinese）．
［3］ FRY R S．A century of ramjet propulsion technology evolution［J］．Journal of Propulsion and Power，2004，20（1）：27－57．
［4］ JAIN A，ANTHONYSAMY S，ANANTHASIVAN K，et al．Studies on the ignition behavior of boron powder［J］．Termochimica Acta，2010，500（1）：63－68．
［5］ HELMUT K C，JOACHIM S，WALTER C，et al．Combustion of solid－fuel slabs containing boron particles in step combustor［J］．Journal of Propulsion and Power，2003，19（6）：1180－1191．
［6］ 劉杰，李進賢，馮喜平，等．旋轉(zhuǎn)射流對含硼固體火箭沖壓發(fā)動機二次燃燒的影響［J］．推進技術(shù)，2011，32（3）：355－359，382．LIU J，LI J X，F(xiàn)ENG X P，et al．Influence of the swirl injection for secondary combustion of boron based ducted rocket［J］．Journal of Propulsion Technology，2011，32（3）：355－359，382（in Chinese）．
［7］ 胡建新．含硼推進劑固體火箭沖壓發(fā)動機補燃室工作過程研究［D］．長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006．HU J X．Research on the secondary combustion chamber operation process of boron－based propellant ducted rockets［D］．Changsha：National University of Defense Technol－ogy，2006（in Chinese）．
［8］ BENVENISTE N，ALON G．Combustion characteristics of a boron－fueled solid fuel ramjet with aft－burner［J］．Journal of Propulsion and Power，1993，9（5）：694－701．
［9］ FOMIN M V，ZVEGINTSEV I V，MAZHUL I I，et al．Analysis of efficiency of using hybrid propulsion for accelerating small－size rockets starting from the earth surface［J］．Journal of Applied Mechanics and Technical Physics，2010，51（6）：792－799．
［10］ JU Y G．Recent progress and challenges in fundamental combustion research［J］．Advances in Mechanics，2014，44（1）：26－97．
［11］ INOMATA T，OKAZAKI S，MORIWAKI T，et al．The application of silent electric discharges to propagating flames［J］．Combustion and Flame，1983，50（3）：361－363．
［12］ STARIKOVSKAYA S M，KUKAEV E N，KUKSIN A Y．Analysis of the spatial uniformity of the combustion of agaseous mixture initiated by a nanosecond discharge［J］．Combustion and Flame，2004，139（3）：177－187．
［13］ SUN W，UDDI M，OMBRELLO T，et al．Effects of nonequilibrium plasma discharge on counterflow diffusion flame extinction［J］．Proceedings of the Combustion Institute，2011，33（2）：3211－3218．
［14］ SUN W，OMBRELLO T，WON S H，et al．Direct ignition and S－curve transition by in situ nanosecond pulsed discharge in methane／oxygen／helium counterflow flame［J］．Proceedings of the Combustion Institute，2013，34（1）：847－855．
［15］ ANDREY S，NICKOLAY A．Plasma－assisted ignition and combustion［J］．Progress in Energy and Combustion Science，2013，39（1）：61－110．
［16］ MATSUBARA Y，TAKITA K，MASUYA G．Combustion enhancement in a supersonic flow by simultaneous operation of DBD and plasma jet［J］．Proceeding of the Combustion Institute，2013，34（2）：3287－3294．
［17］ ALEKSANDROV N L，KINDYSHEVA S V，KOCHETOV I V．Kinetics of low－temperature plasmas for plasmaassisted combustion and aerodynamics［J］．Plasma Science and Technology，2014，23（1）：1－13．
［18］ 張鵬，洪延姬，沈雙晏，等．等離子體強化點火的動力學(xué)分析［J］．高電壓技術(shù)，2014，40（7）：2125－2132．ZHANG P，HONG Y J，SHENG S Y，et al．Kinetic effects of plasma on the ignition process［J］．High Voltage Engineering［J］，2014，40（7）：2125－2132（in Chinese）．
［19］ 蘭宇丹．燃燒室等離子體點火與助燃的實驗研究與數(shù)值模擬［D］．西安：空軍工程大學(xué)，2011．LAN Y D．Experimental research and numerical simulation on chamber plasma assisted ignition and combustion［D］．Xi’an：Air Force Engineering University，2011（in Chinese）．
［20］ 謝玉樹，張小兵，袁亞雄，等．固體推進劑等離子體點火研究［J］．推進技術(shù)，2003，24（3）：275－277．XIE Y S，ZHANG X B，YUAN Y X，et al．Experimental studies for plasmas ignition of solid propellants［J］．Journal of Propulsion Technology，2003，24（3）：275－277（in Chinese）．
Experimental analysis on plasma assisted secondary combustion of boronbased gas
ZHANG Peng1，HONG Yanji1，＊，DING Xiaoyu1，JI Hailong2
1．State Key Laboratory of Laser Propulsion ＆Application，Equipment Academy，Beijing 101416，China
2．Science and Technology on Combustion，Internal Flow and Thermal－Structure Laboratory，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
In order to research the influence of plasma on the secondary combustion characteristic of boron－based gas in the afterburning chamber，a diffusion combustion experimental model which can exclude the mixing effect of intake air on the boron－based gas is designed and built．The flame image of boron－based gas secondary combustion is measured by the highspeed photographic apparatus to analyze the degree of brightness of the flame and the flame shape；the total pressure and static pressure of different cross－sections in the combustion chamber are measured to analyze the combustion efficiency of boron－based propellant under the influence of plasma．The results show that when adding plasma torch at the secondary combustion of boron－based gas，the combustion efficiency of boron－based gas increases and the boron－based flame is brighter；the abrupt decrease in the total pressure and static pressure appears when turning the plasma torch off．These show that the chemical reaction rate of boron－based gas increases with plasma，and the combustion efficiency of boron－based propellant in the solid rocket ramjet increases with plasma，which leads to the increase of the total pressure and static pressure with plasma；the combustion efficiency increases with the growth of discharge plasma power．
plasma torches；ducted rocket engines；boron；afterburning chamber；diffusion flames
2015－09－13；Revised：2015－10－25；Accepted：2015－11－17；Published online：2016－01－31 12：57
URL：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160131．1257．010．html
National Natural Science Foundation of China（11372356）
V435
A
1000－6893（2016）09－2721－08
10．7527／S1000－6893．2015．0350
2015－09－13；退修日期：2015－10－25；錄用日期：2015－11－17；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016－01－31 12：57
www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160131．1257．010．html
國家自然科學(xué)基金 （11372356）
＊通訊作者．Tel．：010－66364438 E－mail：hongyaniji＠vip．sina．com
張鵬，洪延姬，丁小雨，等．等離子體增強含硼燃?xì)舛稳紵龑嶒灧治觯跩］．航空學(xué)報，2016，37（9）：27212－728．ZHANG P，HONG Y J，DING X Y，et al．Experimental analysis on plasma assisted secondary combustion of boronb－ased gas［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2016，37（9）：27212－728．
張鵬 男，博士研究生。主要研究方向：等離子體點火助燃技術(shù)。
E－mail：zhangpengtf＠126．com
洪延姬 女，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：先進推進技術(shù)。
Tel．：010－66364438
E－mail：hongyanji＠vip．sina．com
＊Corresponding author．Tel．：010－66364438 E－mail：hongyanji＠vip．sina．com
猜你喜歡
能源工程(2022年2期)2022-05-23 13:51:48
計測技術(shù)(2022年1期)2022-04-18 12:36:10
無機鹽工業(yè)(2022年2期)2022-02-21 03:36:10
云南化工(2021年7期)2021-12-21 07:27:20
高科技纖維與應(yīng)用(2021年2期)2021-04-04 11:15:55
航空發(fā)動機(2020年3期)2020-07-24 09:03:28
水利規(guī)劃與設(shè)計(2020年1期)2020-05-25 08:01:34
航空工程進展(2020年2期)2020-05-06 06:25:28
實驗流體力學(xué)(2019年6期)2020-01-10 03:10:26
彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(2015年1期)2015-03-11 15:32:22
