凝膠自燃推進劑著火及火焰試驗

夏益志，王勇，洪流，楊偉東，陳宏玉

西安航天動力研究所 液體火箭發(fā)動機技術重點實驗室，西安 710100

凝膠推進劑作為一種液體推進劑膠凝化形成的新型推進劑，對其燃燒特性的研究是優(yōu)化發(fā)動機設計、提高發(fā)動機性能的基礎，因而國內(nèi)外對凝膠推進劑燃燒特性進行了大量研究。在理論研究方面，當前研究主要從單個液滴燃燒過程著手，建立燃燒過程理論模型，比較有代表的有Kunin等提出的基于時間的燃燒模型[1]，Antaki提出的金屬化凝膠液滴蒸發(fā)燃燒過程的瞬態(tài)理論模型[2]，Lee和Law提出的凝膠液滴燃燒模型[3]。在試驗研究方面，較為直接的是通過凝膠發(fā)動機熱試測量比沖、特征速度、燃燒效率等參數(shù)，分析噴注類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)、推進劑物性等因素對凝膠動力系統(tǒng)的影響，如文獻[4-7];另一方面是通過激光測試和高速成像技術觀察推進劑在燃燒室內(nèi)的運動及燃燒變化情況，進一步了解推進劑從霧化蒸發(fā)、著火燃燒到排放物生成的全過程，如普渡大學在自己建立的雙組元凝膠自燃推進劑著火與燃燒光學觀測試驗系統(tǒng)上觀察了凝膠甲基肼/紅發(fā)煙硝酸的點火與燃燒特性[8-9]，獲得了燃燒偽彩圖，并和甲基肼/紅發(fā)煙硝酸燃燒過程進行了對比分析。Varma和Jyoti在單互擊式噴嘴燃燒室內(nèi)采用CCD相機拍攝了凝膠偏二甲肼/紅發(fā)煙硝酸燃燒室內(nèi)的噴霧燃燒過程，分析了火焰顏色及金屬顆粒的影響[10]。Connell等在大氣環(huán)境下采用高速攝影拍攝了過氧化氫和凝膠烴類燃料噴霧燃燒的火焰圖像，研究了點火延遲的影響因素[11-12]。Kampen等則在可視化加壓燃燒室內(nèi)觀察了含鋁顆粒凝膠燃料的噴霧和燃燒特性，證實燃燒室壓力越高燃燒效率越高[13]。相關的研究還有文獻[14]，而國內(nèi)有關凝膠推進劑燃燒特性的研究目前主要集中在單液滴燃燒[15-18]和發(fā)動機熱試車[19]上，有關凝膠推進劑，特別是凝膠自燃推進劑噴霧燃燒過程可視化的研究鮮有報道，因而有必要通過光學觀測進一步分析凝膠推進劑著火和燃燒的特點，從而指導理論仿真及工程應用。

本文在單噴嘴矩形燃燒室內(nèi)開展了凝膠一甲基肼(Monomethylhydrazine，MMH)和凝膠四氧化二氮(Nitrogen Tetroxide，NTO)噴霧燃燒過程試驗，采用光學診斷技術獲取了其著火及穩(wěn)態(tài)燃燒過程的的紋影及火焰自然輻射發(fā)光圖像，分析了噴嘴類型、燃料射流速度對著火距離、火焰軸向傳播速度、火焰夾角、反應距離的影響，為凝膠MMH/NTO動力系統(tǒng)噴嘴設計提供了借鑒與參考。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗采用圖1所示單噴嘴矩形燃燒室，該燃燒室橫截面尺寸為140 mm×120 mm，軸向長度為240 mm，可安裝不同結(jié)構(gòu)的單噴注單元，身部帶有四面石英玻璃觀測窗，可全面觀測噴注面及其下游140 mm軸向距離內(nèi)的霧化圖像。試驗采用兩股互擊式噴嘴及三股互擊式噴嘴，其中兩股互擊式噴嘴如圖2(a)所示，氧化劑孔孔徑為0.4 mm，燃料孔孔徑為0.32 mm，噴嘴長徑比L/D為5，噴前自由射流長度為5.5 mm，撞擊角β為75°、90°、105°；三股互擊式噴嘴如圖2(b)所示，其中兩股燃料撞擊一股氧化劑(Fuel-Oxidizer-Fuel，F(xiàn)-O-F)形式的氧化劑孔徑d0為0.4 mm，燃料孔徑d1為0.23 mm，兩股氧化劑撞擊一股燃料(Oxidizer-Fuel-Oxidizer, O-F-O)形式的氧化劑孔徑d1為0.26 mm，燃料孔徑d0為0.32 mm，其他參數(shù)和撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴一致。

圖1 單噴嘴矩形燃燒室Fig.1 Square combustion chamber with single injector

圖2 互擊式噴嘴示意圖Fig.2 Sketch of impinging injector

1.2 拍攝方法與試驗工況

試驗首先采用反射式平行光紋影法拍攝凝膠MMH/NTO燃燒條件下的紋影圖像，如圖3所示。整個系統(tǒng)參考“Z”形布置減小軸外光線成像的影響，其中背景點光源由氙燈(ZOLIX公司生產(chǎn)，功率為500 W)發(fā)出的光通過小孔獲得，透鏡采用兩個直徑為100 mm的凹透鏡，其中一個用于形成平行光照明試驗擾動區(qū)，另一個將像聚焦到接收裝置上，像接收裝置采用Phantom V12型黑白高速相機，拍攝時相機速率為5 000 frame/s，圖像分辨率為800 pixel×600 pixel，曝光時間為1 μs，通過實際標定，實際尺寸與像素點之比為0.132 mm/pixel。隨后關閉背景光源，采用Phantom V640型彩色高速相機直接拍攝了凝膠MMH/NTO燃燒時的火焰自然輻射發(fā)光圖像，拍攝時相機速率為5 000 frame/s，圖像分辨率為1 280 pixel×800 pixel，曝光時間為50 μs，通過實際標定，實際尺寸與像素點之比為0.132 mm/pixel。

圖3 紋影光路示意圖Fig.3 Sketch of optical setup of schlieren

試驗共采用了撞擊角為75°、90°、105°的兩股互擊式噴嘴和O-F-O、F-O-F類型三股互擊式噴嘴，單噴嘴的試驗工況如表1所示，每次試驗點火時間為3 s，穩(wěn)態(tài)燃燒時間為2 s。試驗時流量采用科氏力流量計測量，壓力通過壓力傳感器測量，所有測量設備在試驗前均經(jīng)過專業(yè)機構(gòu)鑒定并在有效期內(nèi)，符合測量要求。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凝膠MMH/NTO紋影圖像

圖4給出了撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴凝膠MMH/NTO著火及穩(wěn)態(tài)燃燒時的紋影圖像，從圖中可明顯觀測到黑色液相推進劑陰影、凝膠MMH/NTO撞擊燃燒產(chǎn)生的燃氣流場以及兩者的相對位置。同時從圖中可以看出，撞擊點下游21.4 mm處最先觀測到流場擾動，說明該工況下凝膠MMH/NTO最先在撞擊點下游21.4 mm處著火燃燒，該點可定義為著火點。隨后燃氣呈錐形向周圍擴散，燃氣分布區(qū)域逐漸增大，最終占據(jù)大部分視場，但著火后因為壓力不穩(wěn)定，導致視場內(nèi)液相推進劑含量及形態(tài)波動較大，t=20 ms時可觀察液相推進劑含量及霧化錐角達到最小，隨后可觀察液相推進劑含量及霧化錐角逐漸增大，在t=73 ms時達到最大值，隨后又減小，并在t=166 ms后基本趨于穩(wěn)態(tài)，燃氣流場也從錐形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯刃危紦?jù)視場面積亦有所減小，而從穩(wěn)態(tài)圖像可以看出，燃氣主要分布在液膜破碎成液絲之后，液膜區(qū)域化學反應可以忽略不計，為噴射霧化區(qū)[20]。

圖5給出F-O-F形式三股互擊式噴嘴凝膠MMH/NTO著火及穩(wěn)態(tài)燃燒時的紋影圖像，其中前8張表示著火階段，后4張表示穩(wěn)態(tài)燃燒階段。從圖中可以看出，采用F-O-F形式三股互擊式噴嘴時，在撞擊點下游20.28 mm處觀察到流場擾動，與液膜長度相當，隨后燃氣向四周擴張，但和圖4相比，此時燃氣面積增長速度明顯更快，主要原因是此時燃料射流速度為44 m/s，而圖4中燃料射流速度只有23 m/s，說明燃氣增長率與射流速度相關，而從穩(wěn)態(tài)紋影圖像可以看出，采用三股互擊式噴嘴時，燃氣仍然主要分布在液膜破碎成液絲之后，液膜區(qū)域的化學反應可以忽略不計，故凝膠MMH/NTO撞擊霧化的燃燒主要發(fā)生在液膜破碎之后，但此時凝膠MMH/NTO推進劑撞擊后的液膜長度為23.06 mm，比采用撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴時更大，故燃燒區(qū)域距離撞擊點的距離更遠。

圖4 采用兩股互擊式噴嘴時凝膠MMH/NTO推進劑燃燒過程紋影圖像Fig.4 Schlieren images of gelled MMH/NTO bipropellants combustion process when using unlike-impinging injector g/s, β=90°)

圖5 采用三股互擊式噴嘴時凝膠MMH/NTO推進劑燃燒過程紋影圖像Fig.5 Schlieren images of gelled MMH/NTO bipropellants combustion process when using triplet impinging injector g/s, F-O-F)

2.2 凝膠MMH/NTO火焰圖像

2.2.1 著火過程

圖6給出了凝膠MMH/NTO著火過程火焰自然輻射發(fā)光圖像，從圖中可以看出，在距離噴注面最近18.6 mm的區(qū)域初始觀察到火焰自然輻射發(fā)光，隨后火焰向下游發(fā)展，著火面積增大，在t=21 ms時發(fā)展到視窗邊緣，定義沿噴嘴下游軸向方向火焰長度的變化率為火焰著火時的軸向傳播速度，則當前工況下，凝膠MMH/NTO著火時火焰在21 ms內(nèi)長度變化量約為92.5 mm，火焰平均軸向傳播速度為4.4 m/s，遠低于液體推進劑噴射速度。同時從圖中可以看出，凝膠MMH/NTO棕色火焰中夾雜大量銀白色液霧，大量推進劑撞擊后未及時氣化燃燒，這也和圖4紋影圖像相對應，一定程度上造成了燃燒效率下降。凝膠MMH/NTO著火時火焰邊緣呈現(xiàn)出明顯的紅棕色，按照文獻[21]可以認為火焰邊緣主要是四氧化二氮高溫下分解產(chǎn)生的NO2氣體。

圖7(a)給出了不同工況下凝膠MMH/NTO推進劑著火距離與燃料噴射速度的關系曲線，其中著火距離定義參考圖6，定義為初始觀察到火焰自然發(fā)光時火焰距離撞擊點的最小距離，γ表示氧化劑和燃料的質(zhì)量混合之比。從圖中可以看出，對于凝膠MMH/NTO推進劑，撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴著火距離最短，平均長度約8 mm，撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴和O-F-O三股互擊式噴嘴著火距離相當，平均長度約13 mm，撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴和F-O-F三股互擊式噴嘴著火距離最長，平均長度約17 mm。但因部分工況未能觀測到有效數(shù)據(jù)，從當前試驗數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)射流速度對著火距離的影響規(guī)律。

圖7(b)給出不同工況下凝膠MMH/NTO推進劑著火過程火焰軸向傳播速度與燃料噴射速度的關系曲線。從圖中可以看出，保持混合比不變，著火過程火焰軸向傳播速度隨燃料射流速度增加而增加，但火焰軸向傳播速度遠低于燃料噴射速度，其最低只有4 m/s左右，最高亦只有20 m/s。而燃料射流速度最低亦有23 m/s，氧化劑速度更高。同時不同撞擊角下火焰軸向傳播速度亦存在差異，總體而言，撞擊角為90°時火焰軸向傳播速度快于撞擊角為75°和105°時的火焰軸向傳播速度，其中F-O-F形式三股互擊式噴嘴火焰軸向傳播速度最快，O-F-O形式次之，90°兩股互擊式噴嘴最小。主要原因是火焰產(chǎn)生于燃料和氧化劑為化學計量值的位置上，撞擊角為75°時推進劑霧化、混合和燃燒較差[22]，相同的區(qū)域需要更長的時間組織燃燒，撞擊角為105°時雖然不存在這樣的問題，但撞擊角過大，撞擊橫向動量分量較大，影響了推進劑軸向運動速度，自然導致火焰軸向傳播速度降低。而三股互擊式噴嘴則因為中間路推進劑直接沿噴注面軸向噴出，相對而言推進劑軸向運動速度較大，特別是F-O-F噴嘴，較難霧化的燃料從兩側(cè)噴出后，氧化劑才從中路以更高速度噴出，促使氧化劑和燃料在下游以更快速度混和并達到燃燒條件，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁臁?/p>

圖6 凝膠MMH/NTO推進劑著火過程火焰自然輻射發(fā)光圖像Fig.6 Natural flame images of gelled MMH/NTO bipropellants ignition process

圖7 凝膠MMH/NTO推進劑著火特性與燃料噴射 速度關系曲線(γ=2.0)Fig.7 Curves of ignition characteristics of gelled MMH/NTO bipropellants vs jet velocity of fuel(γ=2.0)

2.2.2 穩(wěn)態(tài)燃燒過程

圖8給出了凝膠MMH/NTO推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒時火焰的自然輻射發(fā)光圖像，從圖中可以看出，不同噴嘴的火焰形態(tài)及亮度均存在差異，當撞擊角為75°時，火焰整體較暗淡，空間分布不連續(xù)，中間夾雜白色液霧，說明推進劑混合燃燒不充分。同時在火焰邊緣明顯觀測到四氧化二氮高溫下分解產(chǎn)生的NO2煙霧。當撞擊角為105°時，可以看出此時火焰顏色與撞擊角為75°時不同，火焰呈淺黃色，火焰相對亮度更高，空間分布更均勻，一定程度上說明此時推進劑混合燃燒更充分。當采用O-F-O形式三股互擊式噴嘴時，火焰亮度與采用撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴時相似，但射流速度Vj=23，28 m/s時火焰亮度空間分布不均勻更明顯，火焰內(nèi)部存在大片區(qū)域未觀察到火焰自然輻射發(fā)光，火焰尾部主要是NO2煙霧，傳感器探頭下方也積聚了大量液體推進劑，說明推進劑混合燃燒較差。而采用F-O-F形式三股互擊式噴嘴時，火焰亮度與O-F-O形式三股互擊式噴嘴時類似，但火焰更加細長，分布也比較均勻。

圖9為凝膠MMH/NTO推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒過程火焰均值圖像，其采用50張連續(xù)拍攝的瞬時圖像灰度化(采用加權(quán)平均法)后進行算術平均，再進行偽彩處理而得。從均值圖像可以看出，噴嘴下游20.3 mm內(nèi)整體灰度值較低，從圖5可以看出該區(qū)域主要是液膜，化學反應可忽略不計，為噴射霧化區(qū)。同時從圖9中可以看出，該工況下火焰兩側(cè)亮度明顯高于中心區(qū)域，一定程度上說明燃氣主要集中在兩側(cè)，與文獻[17]采用MMH/NTO進行試驗時所得火焰圖像相似。

定義火焰均值圖像中火焰兩側(cè)的夾角為火焰夾角θ，火焰均值圖像中撞擊點到火焰前端的平均距離為反應距離(Induction Distance)[17]，如圖9所示，則不同工況下的火焰夾角如圖10(a)所示，反應距離如圖10(b)所示。從圖10(a)可以看出，對于所有試驗所用噴嘴，保持混合比不變的條件下，增加燃料射流速度時凝膠MMH/NTO穩(wěn)態(tài)燃燒時的火焰夾角隨之增加，但不同類型噴嘴火焰夾角的大小存在較大差異，采用撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴時火焰夾角最大，采用F-O-F形式三股互擊式噴嘴時火焰夾角最小。而對于撞擊角為75°和105°的兩股互擊式噴嘴及O-F-O形式三股互擊式噴嘴，當燃料射流速度為23 m/s時撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴火焰夾角最大，撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴火焰夾角最小，當燃料射流速度為28 m/s時三者無明顯差異，隨著燃料射流速度的進一步增加，采用撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴時凝膠MMH/NTO穩(wěn)態(tài)燃燒的火焰夾角最大，采用撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴時次之，采用O-F-O形式三股互擊式噴嘴時火焰夾角反而最小，主要原因是三股互擊式噴嘴能量利用率低于兩股互擊式，而撞擊角為105°時，高射流條件下推進劑會附著在噴注面并影響液膜橫向鋪展，造成霧化及對應的火焰夾角變小。從圖10(b)可以看出，除了采用F-O-F形式三股互擊式噴嘴時凝膠MMH/NTO穩(wěn)態(tài)燃燒的反應距離無明顯變化外，采用其他類型噴嘴時凝膠MMH/NTO穩(wěn)態(tài)燃燒的反應距離隨燃料射流速度增加而減小。整體而言，對于凝膠MMH/NTO推進劑，不同試驗噴嘴的反應距離由大到小排序依次是F-O-F形式的三股互擊式噴嘴、撞擊角為75°的兩股互擊式噴嘴、O-F-O形式的三股互擊式噴嘴、撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴、撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴。

圖8 凝膠MMH/NTO推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒火焰瞬時自然輻射發(fā)光圖像Fig.8 Instantaneous natural flame images of gelled MMH/NTO bipropellants during process of steady combustion

圖9 凝膠MMH/NTO推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒過程火焰 均值圖像Fig.9 Mean natural flame images of gelled MMH/ NTO bipropellants during process of steady

圖10 凝膠MMH/NTO推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒過程火焰 特性與燃料噴射速度關系曲線(γ=2.0)Fig.10 Curves of flame characteristics of gelled MMH/NTO bipropellants vs jet velocities of fuel during process of steady combustion(γ=2.0)

3 結(jié) 論

1) 采用紋影圖像能有效識別液相推進劑與燃氣相對位置，對于凝膠MMH/NTO推進劑，燃燒主要發(fā)生在液膜破碎成液絲之后，推進劑射流速度越快，著火時燃氣擴散速度越快。

2) 對于凝膠MMH/NTO推進劑著火過程，采用撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴時著火距離最短，采用撞擊角為90°的噴嘴時火焰軸向傳播速度最快。

3) 凝膠MMH/NTO推進劑穩(wěn)態(tài)燃燒時的火焰夾角隨燃料射流速度增大而增大，燃料射流速度相同時，撞擊角為90°的兩股互擊式噴嘴火焰夾角最大，F(xiàn)-O-F形式的三股互擊式噴嘴火焰夾角最小。而反應距離隨燃料射流速度增大而減小，燃料射流速度相同時，F(xiàn)-O-F形式的三股互擊式噴嘴反應距離最大，撞擊角為105°的兩股互擊式噴嘴反應距離最小。

致 謝

感謝西安航天動力研究所科技處協(xié)調(diào)，以及九室領導和工作人員對試驗的大力支持。