NOFBx推進(jìn)劑的火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽囼?yàn)及分析

施 偉，關(guān) 亮，王子模，蔣榕培，徐 森

(1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112； 2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112；3.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074； 4.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前，單組元推進(jìn)劑和雙組元推進(jìn)劑廣泛應(yīng)用于航天器姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)中，其中單組元推進(jìn)劑普遍存在能量低、冰點(diǎn)高、毒性大等缺點(diǎn)；雙組元推進(jìn)劑存在系統(tǒng)復(fù)雜、可靠度不高等缺點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外研究人員在氧化亞氮單組元推進(jìn)劑[1]和氧化亞氮雙組元推進(jìn)劑[2]研究的基礎(chǔ)上提出了氧化亞氮與烴類燃料共存、混合比可控的綠色高能單組元推進(jìn)劑，即氧化亞氮基單元復(fù)合(NOFBx)推進(jìn)劑[3-5]。相比于氧化亞氮單組元推進(jìn)劑，NOFBx推進(jìn)劑中烴類燃料的加入大幅提高了推進(jìn)劑比沖[6]。推進(jìn)劑采用氧燃混合的單組元供應(yīng)方式，相比于以氧化亞氮為氧化劑的雙組元推進(jìn)劑，NOFBx推進(jìn)劑的動(dòng)力系統(tǒng)得到大幅簡(jiǎn)化[7-8]。更有研究人員致力于NOFBx推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的自增壓特性研究，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)提供了可能[9]。

NOFBx推進(jìn)劑中氧化劑和燃料共存，點(diǎn)燃后在孤立系統(tǒng)中也能持續(xù)燃燒。因此燃燒系統(tǒng)中存在火焰向推進(jìn)劑供應(yīng)端傳播的可能，即發(fā)生“回火”[10]，繼而引發(fā)嚴(yán)重事故。因此，其防回火設(shè)計(jì)已成為NOFBx推進(jìn)劑研究的重要課題[11-13]。目前已經(jīng)確認(rèn)的湍流回火形式可以分為主流回火、邊界層回火和燃燒導(dǎo)致的漩渦破碎造成的回火。依據(jù)主流回火和邊界層回火原理，采用毛細(xì)管作為防回火材料，一方面可以提高推進(jìn)劑流速?gòu)亩种浦髁骰鼗?，另一方面毛?xì)管壁面的熱損失可以抑制邊界層回火從而發(fā)生淬息。淬息管徑是預(yù)混氣體燃燒和爆轟的傳播行為的重要參數(shù)[14]，火焰在小于淬息管徑的燃燒管中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生熄滅，在大于淬息管徑的燃燒管中可以穩(wěn)定傳播。

預(yù)混的NOFBx推進(jìn)劑在大于燃燒管中傳播，會(huì)從常規(guī)的爆燃波(即常規(guī)的燃燒傳播)加速轉(zhuǎn)化為爆轟波。爆轟波是一種以超音速傳播并伴隨有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，通過其前導(dǎo)沖擊波壓縮可燃?xì)怏w實(shí)現(xiàn)自燃點(diǎn)火，并借助燃燒釋放的化學(xué)能實(shí)現(xiàn)自持傳播[15]。Chapman和Jouguet在20世紀(jì)初分別提出了關(guān)于爆轟波的平面一維流體動(dòng)力學(xué)理論，簡(jiǎn)稱爆轟波的C-J理論。C-J理論將爆轟波視為帶有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，其波陣面上仍滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒。對(duì)于通常的氣體爆炸物爆轟波的傳播速度一般約為1 500～4 000 m/s，爆轟終了斷面所達(dá)到的壓力和溫度分別為數(shù)兆帕和2 000～4 000 K。NASA開發(fā)的chemical equilibrium applications(CEA)軟件[16-17]基于Zeleznik等[18]提出的計(jì)算方法提供了C-J爆轟速度的計(jì)算模塊，可用于計(jì)算可燃預(yù)混氣體的點(diǎn)火的C-J理論爆轟速度[19]。

本文搭建了NOFBx推進(jìn)劑火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽囼?yàn)平臺(tái)，研究了不同配比NOFBx推進(jìn)劑的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，試圖得出不同配比的NOFBx推進(jìn)劑的安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由配氣系統(tǒng)、燃燒管路系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)及高速攝影系統(tǒng)等組成。

配氣系統(tǒng)用于配制試驗(yàn)所需的推進(jìn)器氣體組分，主要由氣瓶、流量計(jì)、氣袋、真空泵及若干導(dǎo)管組成，如圖1所示。流量計(jì)型號(hào)為S48300HMT，由北京堀場(chǎng)匯博隆精密儀器有限公司生產(chǎn)，量程為0～200 mL/min或0～500 mL/min，可精確控制流量從而決定氣袋中各組分的含量；氣袋為上海申源科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的E-Switch品牌采樣袋。

燃燒管路系統(tǒng)由透明有機(jī)玻璃管和不銹鋼毛細(xì)管組成。其中，3為加速管(有機(jī)玻璃材質(zhì))，5為不銹鋼毛細(xì)管，6為驗(yàn)證管(有機(jī)玻璃材質(zhì))。前端加速管內(nèi)徑為15 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm。后端驗(yàn)證管內(nèi)徑為15 mm，長(zhǎng)度為500 mm。中間的不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)徑共有5種規(guī)格，分別為0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.2 mm和2.0 mm，不同內(nèi)徑的不銹鋼毛細(xì)管長(zhǎng)度均為1 000 mm。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

1-進(jìn)氣管；2-電極柱；3-加速管；4-連接變徑；5-不銹鋼毛細(xì)管；6-驗(yàn)證管；7-點(diǎn)火電源；8-高速攝影儀；9-計(jì)算機(jī)。

點(diǎn)火系統(tǒng)主要由電源、電阻絲等組成。電源為電壓20 V、電流10 A的直流電源。電阻絲采用長(zhǎng)100 mm、直徑0.6 mm的鎳鉻合金絲。試驗(yàn)采用電極柱加熱電阻絲的方式進(jìn)行點(diǎn)火，接通電源后電阻絲表面溫度可達(dá)1 200 ℃，利用電阻絲表面高溫可迅速引燃預(yù)混氣體。

高速攝影系統(tǒng)釆用日本PHOTRON公司生產(chǎn)的“FASTCAM”系列高速攝像機(jī)，如圖3所示。該高速攝像機(jī)的曝光時(shí)間為100 ns，像素為1 280×800。本試驗(yàn)中將拍攝速度設(shè)置為10 000幀/s，即連續(xù)兩幀之間的時(shí)間間隔為0.1 ms。利用高速攝影儀拍攝的預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程，可以直觀地判斷火焰是否通過不銹鋼毛細(xì)管。

圖3 高速攝影儀實(shí)物圖

1.2 試驗(yàn)氣體配方

試驗(yàn)氣體包含N2O/C2H4，N2O/C2H4/St和N2O/C3H8等配方，試驗(yàn)工況編號(hào)及混合配比如表1所示。St代表穩(wěn)定劑，配比中數(shù)值x

表1 預(yù)混氣體配方

1.3 試驗(yàn)步驟

1)配氣前用真空泵將氣袋中的空氣抽出，接著依次用氧化亞氮、燃料氣清洗配氣管路，最后將燃料氣和氧化亞氮按先后順序充入氣袋中。上述工作完成后將氣袋靜置24 h，確保氣體組分均勻混合。

2)安裝并調(diào)試試驗(yàn)系統(tǒng)，確保燃燒管路、點(diǎn)火系統(tǒng)及高速攝影系統(tǒng)均處于良好狀態(tài)。

3)檢查管道的氣密性。用真空泵將有機(jī)玻璃管和連接管內(nèi)的空氣抽出，使管道中保持負(fù)壓，放置0.5 h觀察真空壓力表讀數(shù)變化情況，確保管道具有良好的氣密性。

4)將氣袋中的氣體充入管路，當(dāng)真空壓力表讀數(shù)達(dá)大氣壓時(shí)停止充氣；隨后用真空泵將有機(jī)玻璃管中的預(yù)混氣體抽出。按照上述方法用配好的預(yù)混氣體再次沖洗管道及管路。最后再次充入預(yù)混氣體，管道內(nèi)壓力達(dá)大氣壓時(shí)關(guān)閉管道進(jìn)氣閥并做好氣密，等待試驗(yàn)。

5)將充好預(yù)混氣體的管道安裝在試驗(yàn)架上，連接點(diǎn)火系統(tǒng)的線路，等待接通電源。隨后開啟數(shù)據(jù)采集儀以及高速攝像機(jī)并使其處于待機(jī)狀態(tài)。使高速攝影儀和點(diǎn)火器按預(yù)設(shè)的時(shí)間依次觸發(fā)，動(dòng)態(tài)測(cè)量火焰?zhèn)鞑ミ^程中的火焰圖像。

6)試驗(yàn)完成后，存儲(chǔ)高速攝影的圖像數(shù)據(jù)。更換新的燃燒管路系統(tǒng)并從步驟3)開始進(jìn)行下一試驗(yàn)程序。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

NOFBx推進(jìn)劑火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽囼?yàn)的具體工況及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況及試驗(yàn)結(jié)果

注：“○”表示火焰通過；“×”表示火焰未通過；“―”表示未做。

分別從高速攝像結(jié)果、不同配比結(jié)果比較、相同配比結(jié)果比較、爆轟速度和毛細(xì)管防回火臨界直徑等方面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 高速攝像結(jié)果分析

火焰未通過毛細(xì)管的高速攝像結(jié)果以工況 C2為例，如圖4所示。試驗(yàn)工況C2的預(yù)混氣體配方為N2O/C2H4/St=9∶1∶y，毛細(xì)管內(nèi)徑1.2 mm?；鹧嬖诩铀俟苤袕挠蚁蜃髠鞑?，在約2.6 ms時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@增大，在約2.8 ms時(shí)發(fā)生爆轟并迅速傳至中部毛細(xì)管前，此后火焰未能傳過毛細(xì)管到達(dá)左側(cè)驗(yàn)證管。說明該種配方的預(yù)混氣體不能通過內(nèi)徑為1.2 mm的不銹鋼毛細(xì)管。

圖4 典型試驗(yàn)工況C2高速攝像圖片(N2O/C2H4/St=9∶1∶y，φ=1.2 mm)

火焰通過毛細(xì)管的高速攝像結(jié)果以工況 A3為例，如圖5所示。試驗(yàn)工況A3的預(yù)混氣體配方為N2O/C2H4=9∶1，毛細(xì)管內(nèi)徑0.7 mm。火焰在加速管中從右向左傳播，在約2.0 ms時(shí)火焰發(fā)生爆轟并迅速傳至中部毛細(xì)管前，約0.6 ms后左側(cè)驗(yàn)證管中出現(xiàn)火焰并傳播至驗(yàn)證管末端。

圖5 典型試驗(yàn)工況A3高速攝像圖片(N2O/C2H4=9∶1，φ=0.7 mm)

火焰鋒面在組合管道中的傳播位置與速度如圖6所示。圖中火焰鋒面位置/速度圖線均分為兩段，第一段為加速管中火焰鋒面位置/速度隨時(shí)間的變化曲線，第二段為驗(yàn)證管中火焰鋒面位置/速度隨時(shí)間的變化曲線；2.0～2.6 ms為火焰通過中間毛細(xì)管的時(shí)間。火焰鋒面的速度圖線中，0～1.4 ms階段，火焰處于緩慢加速階段，速度由約100 m/s增至約800 m/s；1.4 ms后火焰速度出現(xiàn)跳躍式增長(zhǎng)，最大速度增至2 400 m/s以上，此時(shí)預(yù)混氣體由爆燃轉(zhuǎn)為爆轟。隨后，預(yù)混火焰進(jìn)入中間的不銹鋼毛細(xì)管，經(jīng)過毛細(xì)管到達(dá)驗(yàn)證管后繼續(xù)向前傳播，驗(yàn)證管中初始火焰速度同加速管中點(diǎn)火初期火焰速度相同，均約為100 m/s；經(jīng)過毛細(xì)管后火焰速度急劇下降，說明火焰在毛細(xì)管中傳播時(shí)熱損失大于熱釋放，能量損耗后火焰速度下降。2.6～3.6 ms，火焰速度由約100 m/s持續(xù)增加至約600 m/s。在此種條件下，預(yù)混氣體火焰形成的爆轟波能通過內(nèi)徑為0.7 mm的不銹鋼毛細(xì)管。

圖6 試驗(yàn)工況 A3的火焰鋒面位置/速度圖線

2.2 不同配比結(jié)果分析

針對(duì)不同配比的工況 A3、B2和C1的火焰鋒面位置和速度變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)工況 A3、B2和C1的火焰鋒面位置和速度圖線

3種工況的配方差異包括是否添加穩(wěn)定劑St及穩(wěn)定劑的添加比例，由表1可知，工況 A3的配方中未添加穩(wěn)定劑St，工況 B2和C1的配方中添加了穩(wěn)定劑且工況 C1中添加的比例更高。根據(jù)圖7中火焰鋒面位置圖線可知，工況 A3的火焰鋒面行進(jìn)速度最快，僅耗時(shí)約2.0 ms到達(dá)加速管末端；工況 B2的火焰鋒面次之，耗時(shí)約2.3 ms；工況 C1的火焰鋒面耗時(shí)約2.7 ms。火焰鋒面速度曲線表現(xiàn)出類似的差異化：工況 A3的火焰鋒面速度曲線最早發(fā)生突變，工況 B2和工況 C1 次之。這說明穩(wěn)定劑St的加入對(duì)預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦援a(chǎn)生了明顯的影響，且穩(wěn)定劑的添加量更多時(shí)，影響效果更為強(qiáng)烈。

2.3 相同配比結(jié)果分析

針對(duì)工況 C1和C2、工況 E2和E3這兩組相同配比的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到兩組火焰鋒面位置和速度曲線，如圖8和圖9所示。

圖8 試驗(yàn)工況 C1和C2的火焰鋒面位置和速度圖線

圖9 試驗(yàn)工況 E2和E3的火焰鋒面位置和速度圖線

可以明顯看到，相同配比的試驗(yàn)，其火焰鋒面位置和速度曲線高度重合，認(rèn)為相同配比試驗(yàn)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸恢滦暂^好。工況 C1、E2中火焰通過毛細(xì)管傳至驗(yàn)證管中而工況C2、E3中火焰未能傳播至驗(yàn)證管的現(xiàn)象，可以歸因于毛細(xì)管直徑的差異。

2.4 爆轟速度分析

對(duì)部分工況的爆轟速度進(jìn)行整理，并利用CEA軟件分別計(jì)算了對(duì)應(yīng)配比預(yù)混氣體的C-J理論爆轟速度，計(jì)算時(shí)環(huán)境參數(shù)選取與實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境一致，即298 K、1 atm。試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 典型試驗(yàn)工況的C-J理論爆轟速度和實(shí)測(cè)速度

通過表3可以發(fā)現(xiàn)預(yù)混氣體配方變化引起的實(shí)測(cè)爆轟速度的變化趨勢(shì)與C-J理論爆轟速度的變化趨勢(shì)相一致，即穩(wěn)定劑的加入會(huì)降低預(yù)混氣體的C-J理論爆轟速度，且在本文的研究范圍內(nèi)，隨著穩(wěn)定劑占比的增加，預(yù)混氣體爆轟速度逐漸下降。

此外，實(shí)測(cè)爆轟速度均比相應(yīng)的C-J理論爆轟速度要大，這是由于加速管出口處毛細(xì)管管徑較小，加速管幾乎處于密封狀態(tài)，光滑管道中預(yù)混氣體形成了過驅(qū)爆轟[20]。過驅(qū)爆轟速度超過氣體的C-J理論爆轟速度，如果管道足夠長(zhǎng)，爆轟速度會(huì)下降并穩(wěn)定至C-J爆轟速度。

2.5 毛細(xì)管防回火臨界直徑

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于長(zhǎng)度1 000 mm的不銹鋼毛細(xì)管，得到各配方預(yù)混氣體的毛細(xì)管防回火臨界直徑和加速管最短耗時(shí)如表4所示。

因此，按照9∶1配比的N2O/C2H4的預(yù)混氣體防回火臨界直徑在0.5～0.7 mm之間，即預(yù)混氣體火焰無法通過小于該臨界直徑、長(zhǎng)度1 000 mm的不銹鋼毛細(xì)管。

配方中添加穩(wěn)定劑St后，預(yù)混氣體臨界直徑增加。而且隨著穩(wěn)定劑所占比例的增加，預(yù)混氣體臨界直徑和加速段最短耗時(shí)均呈增加趨勢(shì)，這也進(jìn)一步說明穩(wěn)定劑的加入能夠有效抑制預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ツ芰Α?/p>

3 結(jié)論

本文對(duì)NOFBx推進(jìn)劑的火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行了常溫常壓下的燃燒試驗(yàn)研究，通過開展不同推進(jìn)劑配方、不同毛細(xì)管直徑的系列對(duì)比試驗(yàn)，得到結(jié)論如下：

1)穩(wěn)定劑St的加入對(duì)預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦援a(chǎn)生顯著影響。在本文的研究范圍內(nèi)，穩(wěn)定劑的添加量越大，其對(duì)預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸种菩Ч綇?qiáng)，表現(xiàn)為不銹鋼毛細(xì)管防回火臨界直徑的增大。

2)預(yù)混氣體配方變化引起的試驗(yàn)實(shí)測(cè)爆轟速度的變化趨勢(shì)與C-J理論爆轟速度相一致，即穩(wěn)定劑的加入會(huì)降低預(yù)混氣體的爆轟速度，且在本文的研究范圍內(nèi)，穩(wěn)定劑占比增加，預(yù)混氣體爆轟速度下降。

3)通過對(duì)比試驗(yàn)，得到幾種不同配比NOFBx推進(jìn)劑的毛細(xì)管臨界直徑范圍。例如，9∶1配比的N2O-C2H4預(yù)混氣體在長(zhǎng)度1 000 mm的毛細(xì)管中的防回火的臨界直徑在0.5～0.7 mm之間，而9∶1∶x配比的N2O-C2H4預(yù)混氣體在長(zhǎng)度1 000 mm的毛細(xì)管中的防回火的臨界直徑在0.7～1.2 mm之間。針對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的較短毛細(xì)管，需要開展進(jìn)一步的試驗(yàn)確定其防回火臨界直徑。