富氫燃?xì)馀c液氧爆轟及補(bǔ)燃特性試驗(yàn)研究

王朝暉，孔維鵬，王 仙，田 原

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

0 引言

燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)氫氧液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)利用燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生一定溫度的富氫燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪泵做功，做完功后的燃?xì)馔ㄟ^渦輪排氣管排入周圍環(huán)境。氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的氧渦輪泵會(huì)用到少量的液氧進(jìn)行密封隔離，此部分氧會(huì)在渦輪排氣管附近排入周圍環(huán)境。因此渦輪排氣管附近區(qū)域具備同時(shí)存在富氫燃?xì)夂鸵貉醯那闆r，此區(qū)域共存的富氫燃?xì)夂鸵貉跏欠衲茉谀撤N特定的條件下發(fā)生爆轟或補(bǔ)燃等現(xiàn)象將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的力熱環(huán)境造成影響，從而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)上其他組件的可靠性。目前對(duì)此類問題國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行過系統(tǒng)完整的研究。

在不同種類推進(jìn)劑液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，以氫氧液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的氫氧爆轟威力最大，也最危險(xiǎn)，需要特別關(guān)注和防范。一般正常情況下，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)，燃燒火焰鋒面在燃燒室內(nèi)的位置基本上不會(huì)發(fā)生變化，燃燒反應(yīng)屬于緩慢燃燒，火焰鋒面前后的壓力是一致的，并不發(fā)生壓力突變，但是如果在其他異常情況下，比如氧化劑和燃料發(fā)生串腔等，可能就會(huì)產(chǎn)生爆轟燃燒，爆轟燃燒是一種比緩慢燃燒反應(yīng)程度劇烈上千倍的爆炸式化學(xué)反應(yīng),其火焰前鋒的波陣面是一種以超聲速傳播的強(qiáng)激波，未燃混合氣體通過該強(qiáng)激波時(shí)受到強(qiáng)烈壓縮而升溫升壓從而發(fā)生爆炸式化學(xué)反應(yīng)[1]。由于爆轟燃燒是顯著區(qū)別與普通緩慢燃燒的一種特殊燃燒方式，吸引了許多人對(duì)其進(jìn)行研究。何小民等[2]利用離子探針和高頻壓力傳感器等手段對(duì)管內(nèi)火焰的傳播速度和燃燒壓力波進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)爆燃到爆轟的轉(zhuǎn)捩過程進(jìn)行了分析，認(rèn)為在爆轟產(chǎn)生初期，爆震管內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)三道火焰面。韓旭[3]利用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)超聲速預(yù)混氣中的高速熱射流起爆特性進(jìn)行了研究，分析了來流當(dāng)量比、來流溫度和來流馬赫數(shù)對(duì)起爆特性的影響，認(rèn)為來流速度是影響高速熱射流起爆的關(guān)鍵因素，來流速度較高時(shí)起爆將經(jīng)歷一個(gè)DDT過程，來流速度較低時(shí)則與爆震熱射流起爆類似。韓旭等[4]還利用數(shù)值模擬的手段對(duì)超聲速預(yù)混氣的熱射流起爆過程進(jìn)行了數(shù)值研究，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明逐漸減小射流角度將會(huì)依次出現(xiàn)駐定、不駐定和起爆失敗三種結(jié)果。李自然等[5]通過實(shí)驗(yàn)手段研究了氣流狀態(tài)參數(shù)對(duì)超聲速斜爆震熱射流起爆特性的影響，發(fā)現(xiàn)一般情況下預(yù)混氣來流當(dāng)量比和溫度的提高將有利于DDT過程和縮短DDT時(shí)間，但是當(dāng)量比的影響具有一定的隨機(jī)性。文獻(xiàn)[6]對(duì)預(yù)混氫氣-空氣的爆震現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值研究，主要研究了爆轟波結(jié)構(gòu)以及有限速率化學(xué)反應(yīng)模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算結(jié)果表明，高度簡(jiǎn)化的化學(xué)反應(yīng)模型(例如單步或兩步反應(yīng)模型)能夠很好的模擬氫氣-空氣的自持爆轟現(xiàn)象。文獻(xiàn)[7]從理論和試驗(yàn)角度研究了混合比對(duì)氫氧爆轟特性的影響，所研究的氣氫氣氧混合比范圍為2.5～40，理論計(jì)算表明爆轟波速度隨混合比升高而降低，而其他爆轟參數(shù)在化學(xué)當(dāng)量比附近最大，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。王漢良等[8]利用煙跡技術(shù)對(duì)氫/氧/氬氣混合氣在管道內(nèi)的爆轟現(xiàn)象進(jìn)行記錄，并對(duì)爆轟波的繞射和反射特性進(jìn)行了分析。程關(guān)兵等[9]在方形激波管內(nèi)對(duì)氫/空氣混合氣進(jìn)行了爆轟實(shí)驗(yàn)研究，獲得了DDT轉(zhuǎn)捩圖像，并認(rèn)為采用紋影法得到的DDT距離要比采用壓力-時(shí)間法更為準(zhǔn)確。唐新猛[10]則重點(diǎn)對(duì)無內(nèi)柱連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)研究。文獻(xiàn)[11]研究了不同點(diǎn)火能量、混合比和點(diǎn)火位置對(duì)預(yù)混氣DDT距離的影響，結(jié)果表明DDT距離主要取決于混合比，而當(dāng)點(diǎn)火能量大于一定值后，DDT距離就與點(diǎn)火能量無關(guān)。2017年姜?jiǎng)P等[12]采用經(jīng)典C-J爆轟理論對(duì)于氫氧爆轟問題進(jìn)行了計(jì)算，分析了混合比、初壓和初溫三個(gè)因素對(duì)氫氧爆轟特性的影響，結(jié)果表明，初溫越低、初壓越大、混合比越接近化學(xué)當(dāng)量混合比，那么氫氧爆轟的強(qiáng)度也就越大；姜?jiǎng)P的計(jì)算結(jié)果還表明如果低溫氫氧在當(dāng)量混合比附近發(fā)生爆轟時(shí)，最高爆轟壓力可達(dá)220 MPa，最高爆轟溫度可達(dá)4 500 K，最高爆速可以達(dá)3 000 m/s。此外，文獻(xiàn)[13-16]也對(duì)爆轟進(jìn)行了相關(guān)的闡述和研究。

本文首先介紹了氫氧等相關(guān)爆轟的研究現(xiàn)狀，然后針對(duì)本文要研究的氫氧液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的爆轟問題搭建了爆轟試驗(yàn)研究系統(tǒng)，利用試驗(yàn)手段對(duì)富氫燃?xì)馀c液氧之間的爆轟特性及補(bǔ)燃特性進(jìn)行了探索研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

爆轟研究的試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示，主要包括富氫燃?xì)獍l(fā)生系統(tǒng)、常溫氣氫系統(tǒng)、液氧導(dǎo)管部分、排氣管試驗(yàn)件以及相關(guān)的測(cè)量控制系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Test system schematic

富氫燃?xì)獍l(fā)生系統(tǒng)通過一個(gè)氫氧火炬點(diǎn)火器來產(chǎn)生一定溫度的富氫燃?xì)饽M氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪廢氣；常溫氣氫用來對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行降溫，根據(jù)液氧導(dǎo)管是否插入排氣管試驗(yàn)件內(nèi)部將試驗(yàn)狀態(tài)分為預(yù)混和非預(yù)混。排氣管試驗(yàn)件上的壓力、溫度以及振動(dòng)等相關(guān)測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)件相關(guān)測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.2 Measuring point position

2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

2.1 非預(yù)混狀態(tài)下的爆轟

非預(yù)混狀態(tài)爆轟模擬試驗(yàn)主要模擬研究液氧與氧渦輪排氣管排出的富氫燃?xì)庠谂艢夤芡鈸交旌笥龅酵恻c(diǎn)火源后能否產(chǎn)生爆轟及其對(duì)排氣管試驗(yàn)件的影響。非預(yù)混狀態(tài)爆轟模式示意圖如圖3所示。

圖3 非預(yù)混狀態(tài)爆轟模式示意圖Fig.3 Non-premixed detonation mode schematic

非預(yù)混狀態(tài)下的爆轟試驗(yàn)共進(jìn)行了6次，試驗(yàn)參數(shù)及狀態(tài)如表1所示。前五次均出現(xiàn)了富氫燃?xì)馀c空氣發(fā)生補(bǔ)燃的情況，而富氫燃?xì)庖坏┡c空氣發(fā)生補(bǔ)燃，就破壞了產(chǎn)生爆轟的條件，因此也就無法產(chǎn)生外場(chǎng)爆轟，富氫燃?xì)馀c空氣補(bǔ)燃可能和點(diǎn)火時(shí)序、燃?xì)獬隽鳡顟B(tài)等因素有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果還表明，常溫氫氣的加入會(huì)降低富氫燃?xì)鉁囟龋粫?huì)導(dǎo)致已經(jīng)與空氣補(bǔ)燃的富氫燃?xì)庀ɑ?；液氧的加入?huì)加劇補(bǔ)燃效果，液氧導(dǎo)管出口端如果插入補(bǔ)燃后的燃?xì)庵?，其背風(fēng)面局部會(huì)發(fā)生燒蝕，火光明亮，并伴有金屬燒蝕物呈噴射狀隨燃?xì)饬飨蛳掠巍?/p>

第6次非預(yù)混爆轟試驗(yàn)時(shí)，富氫燃?xì)馔耆珶o色透明，未與空氣補(bǔ)燃，如圖4所示，當(dāng)采用火藥點(diǎn)火器將富氫燃?xì)馀c空氣混合氣點(diǎn)燃時(shí)，火焰變得可見，顏色為淡橙色，如圖5所示，同時(shí)伴隨較大的聲響，附近的攝像頭也發(fā)生了大幅抖動(dòng)，試驗(yàn)件上的振動(dòng)及沖擊傳感器上無明顯響應(yīng)，說明燃?xì)鉀_擊波并未傳播至試驗(yàn)件內(nèi)部，試驗(yàn)件無任何損壞。約2 s后，導(dǎo)管將液氧斜向噴入燃?xì)?，液氧與燃?xì)膺M(jìn)一步補(bǔ)燃，補(bǔ)燃區(qū)域的光焰亮度增加，如圖6所示。

圖4 燃?xì)馕磁c空氣補(bǔ)燃時(shí)的形態(tài)Fig.4 None afterburning between burned gas with air

圖5 燃?xì)馀c空氣被點(diǎn)燃瞬間形態(tài)Fig.5 The picture of burned gas ignited

通過對(duì)上述試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析，可以初步得出以下結(jié)論：

表1 非預(yù)混爆轟試驗(yàn)參數(shù)及狀態(tài)

圖6 通入液氧后的火焰形態(tài)Fig.6 The picture of gas after the inflow of liquid oxygen

1) 富氫燃?xì)庖坏┡c空氣發(fā)生補(bǔ)燃，就破壞了產(chǎn)生爆轟的條件，也就無法產(chǎn)生外場(chǎng)爆轟；

2) 富氫燃?xì)庠诓慌c空氣補(bǔ)燃的情況下，待其積存一定量后再通過外能源點(diǎn)燃能夠產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的沖擊波，對(duì)周圍環(huán)境造成沖擊，但在試驗(yàn)件的振動(dòng)測(cè)量上基本無響應(yīng)；

3) 富氫燃?xì)馀c空氣不補(bǔ)燃時(shí)，白天狀態(tài)下，火焰顏色呈無色透明狀，與空氣補(bǔ)燃后火焰顏色呈淡橙色或淡黃色，富氫燃?xì)馀c氧補(bǔ)燃會(huì)使補(bǔ)燃區(qū)域的火焰亮度增加。

2.2 預(yù)混狀態(tài)下的爆轟

預(yù)混狀態(tài)爆轟模擬試驗(yàn)主要模擬研究液氧導(dǎo)管插入排氣管試驗(yàn)件內(nèi)部與富氫燃?xì)鈸交旌笥龅酵恻c(diǎn)火源被點(diǎn)燃后能否產(chǎn)生爆轟及其對(duì)排氣管試驗(yàn)件的影響。預(yù)混狀態(tài)爆轟模式示意圖如圖7所示。

圖7 預(yù)混狀態(tài)爆轟模式示意圖Fig.7 Premixed detonation mode schematic

共有兩次預(yù)混狀態(tài)爆轟試驗(yàn)觀察到了氫氧爆轟現(xiàn)象。第一次試驗(yàn)富氫燃?xì)饪偭髁考s148 g/s、混合比約0.69、燃?xì)鉁囟燃s728 K，排氣管內(nèi)的壓力為0.11 MPa，燃?xì)鈬姵雠艢夤芎蠡鹧鏌o色、透明，未與空氣發(fā)生補(bǔ)燃。第20.85 s時(shí)180 g/s液氧從垂直方向噴入燃?xì)?，使得排氣管?nèi)的溫度下降約23 K，壓力升高至0.13 MPa，火焰仍然無色透明，表明液氧在排氣管內(nèi)未與燃?xì)猱a(chǎn)生補(bǔ)燃。第26.85 s時(shí)安裝在排氣管壁上的火藥點(diǎn)火器點(diǎn)燃管內(nèi)的液氧與富氫燃?xì)獾幕鞖?液氧與富氫燃?xì)庵袣埩魵涞幕旌媳燃s2.1)，發(fā)生了爆轟，在管內(nèi)距液氧進(jìn)口下游120 mm的高頻脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)P4處產(chǎn)生了約2.6 MPa的壓力峰(未點(diǎn)燃前的預(yù)混燃?xì)鈮毫?.13 MPa，二者比值20)，約1 ms后壓力降為1 MPa左右，又經(jīng)過3.5 ms左右降為0.1 MPa，如圖8所示，爆轟發(fā)生時(shí)，液氧進(jìn)口上游約500 mm處的P1高頻速變壓力測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到了0.36 MPa的壓力峰，與測(cè)點(diǎn)P4相比壓力衰減明顯。爆轟瞬間，排氣管出口處火焰突然變得明亮，可見界面清晰的波峰面，同時(shí)排氣管內(nèi)燃?xì)鉁囟燃眲∩仙?，并在約3 s后燒穿排氣管壁。圖9是爆轟瞬間的火焰形態(tài)，圖10和圖11是試驗(yàn)件發(fā)生燒蝕瞬間及試后檢查情況。

圖8 高頻壓力曲線Fig.8 High frequency pressure pulsation curve

圖9 爆轟瞬間火焰形態(tài)Fig.9 The picture of the flame at the moment of detonation

圖10 爆轟后試驗(yàn)件燒蝕火焰形態(tài)Fig.10 The picture of the ablative flame after detonation

圖11 爆轟后試驗(yàn)件外觀Fig.11 The test product appearance after detonation

第二次試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)生富氫燃?xì)獾幕鹁纥c(diǎn)火器在啟動(dòng)過程中，常溫氣氫與液氧間形成了爆轟現(xiàn)象。試驗(yàn)時(shí)常溫氣氫先進(jìn)入火炬點(diǎn)火器下游的燃?xì)夤苈?，之后火炬點(diǎn)火器電火花塞開始點(diǎn)火，約3.5 s后間隔約1 s依次打開火炬點(diǎn)火器的液氧閥和液氫閥。由于液氧比液氫先進(jìn)入，其與常溫氣氫在燃?xì)夤苈分袚交旌笮纬闪祟A(yù)混好的可燃混合氣，在火炬點(diǎn)火器點(diǎn)火后被引燃形成管內(nèi)爆轟，在管內(nèi)P1測(cè)點(diǎn)處測(cè)到多個(gè)壓力峰，持續(xù)時(shí)間約37 ms，其中最大的壓力峰約4.1 MPa，約為爆轟前當(dāng)?shù)貕毫Φ?4倍，P1和P4壓力曲線如圖12所示。

圖12 爆轟時(shí)壓力曲線Fig.12 The pressure curve at the moment of detonation

預(yù)混狀態(tài)的爆轟試驗(yàn)表明：

1) 當(dāng)富氫燃?xì)馀c液氧未補(bǔ)燃同時(shí)混氣的中液氧與燃?xì)庵袣堄鄽錃獾幕旌媳葹?.1且被外能源點(diǎn)燃時(shí)，可以發(fā)生爆轟，爆轟后局部壓力峰可達(dá)2.6 MPa，約為未爆轟前混氣壓力的20倍，壓力峰持續(xù)時(shí)間約1 ms；

2) 爆轟波從氫氧混合區(qū)向上游富氫燃?xì)鈪^(qū)傳播時(shí)會(huì)發(fā)生顯著衰減；

3) 氣氫與液氧混合氣在管內(nèi)被點(diǎn)燃時(shí)會(huì)形成爆轟，產(chǎn)生多個(gè)瞬時(shí)壓力峰，爆轟壓比最大可達(dá)34。

2.3 液氧與燃?xì)庋a(bǔ)燃特性

2.3.1 大流量液氧泄漏狀態(tài)

大流量液氧泄漏狀態(tài)試驗(yàn)只進(jìn)行了一次，試驗(yàn)系統(tǒng)與預(yù)混狀態(tài)爆轟試驗(yàn)系統(tǒng)相同，但排氣管中未設(shè)置點(diǎn)火源。試驗(yàn)時(shí)，富氫燃?xì)饬髁繛?28 g/s，混合比0.88，排氣管內(nèi)燃?xì)鉁囟?21 K，壓力0.46 MPa，35 s后，177 g/s液氧垂直噴入排氣管內(nèi)燃?xì)庵?此時(shí)試管內(nèi)液氧/燃?xì)獗壤?.38，液氧/當(dāng)?shù)貧堄鄽錃獗壤?.93)，噴入點(diǎn)下游的T4測(cè)點(diǎn)溫度降至約630 K，表明液氧并未與燃?xì)獍l(fā)生燃燒，溫度變化曲線如圖13所示。當(dāng)液氧噴入點(diǎn)上游富氫燃?xì)鉁囟戎饾u升高至733 K時(shí)，排氣管內(nèi)緩變壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)值急劇升高至最高0.94 MPa，如圖14所示，液氧與燃?xì)庋a(bǔ)燃瞬間錄像截圖如15所示；同時(shí)T4測(cè)點(diǎn)溫度也快速升高并被燒壞，隨后排氣管試驗(yàn)件也燒穿。試驗(yàn)結(jié)果表明，富氫燃?xì)庠跍囟容^高時(shí)是能夠與液氧發(fā)生自動(dòng)補(bǔ)燃的。

圖13 燃?xì)鉁囟茸兓€Fig.13 The temperature curve of the gas

圖14 燃?xì)鈮毫ψ兓€Fig.14 The pressure curve of the gas

2.3.2 小流量液氧泄漏狀態(tài)

小流量液氧滲漏補(bǔ)燃特性試驗(yàn)共進(jìn)行了6次，液氧通過1個(gè)直徑0.5 mm小孔滲漏進(jìn)燃?xì)庵?，其中液氧滲漏方向與燃?xì)鈦砹鞣较蚍謩e呈順流、垂直和逆流，如圖16所示，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，此流量比例下滲漏的液氧不會(huì)與溫度960 K以下的富氫燃?xì)庾詣?dòng)補(bǔ)燃。

圖15 液氧與燃?xì)庋a(bǔ)燃瞬間Fig.15 The time of spontaneous combustion of liquid oxygen and gas

圖16 液氧出口小孔與燃?xì)饬飨鄬?duì)位置示意圖Fig.16 The schematic diagram of the relative position of a liquid oxygen outflow small hole and gas

從液氧與燃?xì)獾难a(bǔ)燃試驗(yàn)結(jié)果來看，液氧與富氫燃?xì)庀嘤龊笫欠褡匀寂c二者流量比例有一定的關(guān)系，當(dāng)液氧流量與富氫燃?xì)饬髁勘壤秊?.38時(shí)，燃?xì)鉁囟冗_(dá)到733 K就可自動(dòng)發(fā)生補(bǔ)燃；當(dāng)液氧流量與富氫燃?xì)饬髁勘壤∮?.038時(shí)，燃?xì)鉁囟仍?60 K以下時(shí)，液氧與富氫燃?xì)鉄o法自動(dòng)發(fā)生補(bǔ)燃。

表2 小流量液氧與燃?xì)庋a(bǔ)燃特性試驗(yàn)參數(shù)

3 結(jié)論

本文采用試驗(yàn)研究的方法對(duì)不同狀態(tài)下的富氫燃?xì)馀c液氧間爆轟及補(bǔ)燃特性進(jìn)行了研究分析，得到以下結(jié)論：

1)富氫燃?xì)夂鸵貉蹩梢栽诠軆?nèi)預(yù)混狀態(tài)下發(fā)生爆轟，試驗(yàn)得到的最大爆轟壓比約34，且持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)，但由于上游并不存在預(yù)混物，因此爆轟波向上游傳播時(shí)會(huì)在很短距離內(nèi)發(fā)生迅速衰減。

2)富氫燃?xì)馀c空氣不補(bǔ)燃時(shí)，白天狀態(tài)下，火焰顏色呈無色透明狀，與空氣補(bǔ)燃后火焰顏色呈淡橙色或淡黃色，富氫燃?xì)馀c氧補(bǔ)燃會(huì)使補(bǔ)燃區(qū)域的火焰亮度增加。

3)液氧與富氫燃?xì)庵g是否能自動(dòng)發(fā)生補(bǔ)燃主要因素是與二者混合比例及溫度有關(guān)，當(dāng)混合比例和溫度同時(shí)滿足一定條件時(shí)才能發(fā)生補(bǔ)燃，當(dāng)混合比例不合適時(shí)，即使燃?xì)鉁囟群芨咭膊粫?huì)發(fā)生自動(dòng)補(bǔ)燃。