環(huán)形燃燒室中自燃推進(jìn)劑的非穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)爆震現(xiàn)象

嚴(yán) 宇,王致程,胡洪波,洪 流,楊寶娥

(西安航天動(dòng)力研究所 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710100)

0 引言

自然界中存在兩種燃燒方式,分別為緩燃燃燒和爆震燃燒,主要區(qū)別在于火焰的傳播模式不同。爆震燃燒是一種激波和反應(yīng)區(qū)耦合傳播的燃燒方式,本質(zhì)上是一種超音速燃燒波。傳統(tǒng)的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室均基于等壓循環(huán)的緩燃燃燒方式,爆震燃燒與之相比具有熱釋放速率快和自增壓的特點(diǎn)?；诒鹑紵男D(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(rotating detonation engine,RDE)具有軸向尺寸短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和熱循環(huán)效率高的優(yōu)勢(shì),有成為下一代新型空天動(dòng)力的潛力[1-2]。21世紀(jì)以來(lái),越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了RDE的相關(guān)研究工作,包括美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室和NASA、日本名古屋大學(xué)、俄羅斯和歐洲的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)等。國(guó)內(nèi)的多家單位也圍繞RDE的基礎(chǔ)和應(yīng)用開(kāi)展了研究工作,并取得了許多卓有成效的研究進(jìn)展[3-8]。

RDE通常采用環(huán)形燃燒結(jié)構(gòu),燃料和氧化劑從燃燒室頭部供給,旋轉(zhuǎn)爆震波沿燃燒室周向傳播消耗供給的推進(jìn)劑,爆震燃燒產(chǎn)生的已燃產(chǎn)物沿軸向排出燃燒室。現(xiàn)有的研究中主要圍繞氣態(tài)燃料和氧化劑開(kāi)展了大量的研究工作,包括氫氣/空氣、乙烯/空氣和甲烷/空氣等。Bykovskii等針對(duì)不同的噴注結(jié)構(gòu)、燃燒室結(jié)構(gòu)和推進(jìn)劑種類等開(kāi)展了研究,分析了旋轉(zhuǎn)爆震波能夠傳播對(duì)應(yīng)的最小推進(jìn)劑填充高度、燃燒室寬度和直徑等關(guān)鍵參數(shù)[9-11]。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室采用氫氣/空氣為推進(jìn)劑,通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料比沖為6 000 s[12]。Rankin等采用OH基化學(xué)發(fā)光的測(cè)量方法對(duì)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了拍攝,得到了單波模態(tài)和雙波對(duì)撞模態(tài)下旋轉(zhuǎn)爆震波的波系結(jié)構(gòu)[13]。Yao等通過(guò)數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了空桶型燃燒室中旋轉(zhuǎn)爆震波能夠穩(wěn)定傳播,并對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震波的形成和演化過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致分析,發(fā)現(xiàn)隨燃燒室寬度的增加,靠近外環(huán)一側(cè)的爆震波峰值壓力更高[14]。文獻(xiàn)[15—16]采用乙烯和甲烷為燃料,在帶凹腔的環(huán)形燃燒室中實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震波的穩(wěn)定傳播,并系統(tǒng)分析了凹腔不同幾何參數(shù)的影響。鄭權(quán)等圍繞氫氣/空氣旋轉(zhuǎn)爆震波開(kāi)展了研究[17]。Xia等嘗試了RDE的不同點(diǎn)火起爆方式,并對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震波的起爆過(guò)程、穩(wěn)定工作條件、推力性能進(jìn)行了研究[18]。

實(shí)際飛行器中受結(jié)構(gòu)尺寸的限制,通常需采用能量密度高、更易儲(chǔ)存的液態(tài)推進(jìn)劑,因此研究基于液態(tài)推進(jìn)劑旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播特性具有重要意義。旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播速度通常可達(dá)數(shù)千米每秒,對(duì)應(yīng)單次循環(huán)時(shí)間低于毫秒量級(jí),液態(tài)推進(jìn)劑在極短時(shí)間內(nèi)完成霧化、蒸發(fā)、摻混和高效燃燒挑戰(zhàn)很大。現(xiàn)有的研究主要圍繞液態(tài)燃料和氣態(tài)氧化劑開(kāi)展?？紤]到煤油的揮發(fā)難度,以及和空氣的可爆性較差,文獻(xiàn)[19]采用了煤油預(yù)裂解的方式,實(shí)現(xiàn)了煤油/空氣的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒,提供了一種新的液態(tài)燃料起爆方法。Meng等開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作,采用煤油/空氣為推進(jìn)劑在馬赫數(shù)4和來(lái)流總溫860 K條件下成功實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震波的穩(wěn)定傳播[20]。

現(xiàn)有的研究中針對(duì)液/液推進(jìn)劑RDE的研究相對(duì)較少。肼/四氧化二氮的推進(jìn)劑組合是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛應(yīng)用的推進(jìn)劑組合,部分研究者探索了爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中采用自燃推進(jìn)劑的可行性。文獻(xiàn)[21-24]采用肼/四氧化二氮自燃推進(jìn)劑組合,實(shí)現(xiàn)了幾百赫茲的脈沖爆震燃燒。文獻(xiàn)[25-26]采用肼/四氧化二氮實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒,并進(jìn)行了初步的討論。

肼/四氧化二氮具有自燃、常溫液體推進(jìn)劑等優(yōu)點(diǎn),探索基于該類推進(jìn)劑旋轉(zhuǎn)爆震波的穩(wěn)定燃燒特性,對(duì)于火箭基RDE實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用非常有益。但由于該類推進(jìn)劑為有毒推進(jìn)劑,實(shí)驗(yàn)難度較大,目前公開(kāi)的研究較少,可參考的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有限,亟需開(kāi)展相關(guān)的研究工作。因此,本文采用四氧化二氮(N2O4)和一甲基肼(CH6N2)為燃料和氧化劑,通過(guò)改變?nèi)紵业某隹诿娣e,探究自燃推進(jìn)劑旋轉(zhuǎn)爆震波的起爆和傳播過(guò)程,并分析了不同燃燒室結(jié)構(gòu)的影響,為探索基于爆震燃燒的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,由供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室組成。供給系統(tǒng)采用一甲基肼和四氧化二氮的推進(jìn)劑組合,通過(guò)擠壓供給的方式將推進(jìn)劑供給到燃燒室中,擠壓氣體采用氮?dú)?。在燃料和氧化劑進(jìn)入燃燒室之前,分別通過(guò)電磁閥控制推進(jìn)劑的供給時(shí)序。旋轉(zhuǎn)爆震燃燒室頭部采用撞擊式噴注結(jié)構(gòu),共有24對(duì)噴注孔沿燃燒室周向均勻分布,氧化劑噴注孔直徑0.4 mm,燃料噴注孔直徑0.3 mm,撞擊點(diǎn)的直徑位置約為40 mm。燃燒室身部采用環(huán)形結(jié)構(gòu),燃燒室的外環(huán)和內(nèi)環(huán)直徑分別為60 mm和30 mm,燃燒室長(zhǎng)度為140 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental setup

一甲基肼和四氧化二氮的特點(diǎn)是當(dāng)兩種推進(jìn)劑噴注到燃燒室接觸后,不需要點(diǎn)火便會(huì)觸發(fā)劇烈的燃燒和釋熱。已有研究中通常將預(yù)爆管作為RDE燃燒室的點(diǎn)火起爆裝置,本研究中由于自燃推進(jìn)劑的特點(diǎn),省去了常用的點(diǎn)火起爆裝置。實(shí)驗(yàn)中的工作時(shí)序?yàn)?在t=0 s時(shí)刻打開(kāi)控制燃料和氧化劑的電磁閥,推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室后燃燒;經(jīng)過(guò)1 s后,關(guān)閉氧化劑和燃料的電磁閥,推進(jìn)劑停止供給,燃燒室中剩余的推進(jìn)劑被快速消耗,單次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)中使用的傳感器主要包括4個(gè)穩(wěn)態(tài)壓力傳感器和4個(gè)高頻脈動(dòng)壓力傳感器,其中,在氧化劑和燃料儲(chǔ)箱分別安裝了1個(gè)穩(wěn)態(tài)壓力傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中儲(chǔ)箱的供給壓力。在燃燒室入口的氧化劑和燃料管路上分別安裝了1個(gè)穩(wěn)態(tài)壓力傳感器,用來(lái)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中推進(jìn)劑的供給壓力,穩(wěn)態(tài)壓力傳感器的采樣頻率為1 kHz,傳感器測(cè)量精度為1%。4個(gè)高頻脈動(dòng)壓力傳感器全部安裝在燃燒室身部,安裝位置如圖1所示,其中8～10號(hào)高頻脈動(dòng)壓力傳感器安裝在同一周向位置,7號(hào)與8號(hào)高頻脈動(dòng)壓力傳感器分布在同一軸向位置,沿周向相隔90°。高頻脈動(dòng)壓力傳感器的量程為0～30 MPa,測(cè)量精度為0.5%,高頻脈動(dòng)壓力的采樣頻率為100 kHz。

實(shí)驗(yàn)中采用了兩種內(nèi)柱結(jié)構(gòu),區(qū)別在于中心柱的尾部是否帶喉部結(jié)構(gòu),帶喉部的環(huán)形燃燒室內(nèi)環(huán)出口直徑為48.6 mm。此外,燃燒室身部安裝了脈沖槍(固體火藥膏,裝藥量為63 mg),安裝位置距離燃燒室噴注面約30 mm(與傳感器7#和8#位于同一截面),在初始工作階段產(chǎn)生瞬間沖擊的高能點(diǎn)火源,可研究外界的擾動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震波起爆和傳播過(guò)程的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

本文選取了5個(gè)比較有代表性的工況,如表1所示,需要說(shuō)明的是,化學(xué)恰當(dāng)比的四氧化二氮和一甲基肼對(duì)應(yīng)的混合比為1.64。氧化劑的流量和燃料的流量分別單獨(dú)可調(diào)節(jié),實(shí)驗(yàn)中采用了不同的中心柱體(直徑相同,一種有喉部,一種無(wú)喉部)。通過(guò)是否施加外部激勵(lì),研究外界干擾對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒過(guò)程的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)匯總Tab.1 Parameters of selected cases in experiment

2.1 旋轉(zhuǎn)爆震燃燒中的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程

工況1中,脈沖槍在初始時(shí)刻即開(kāi)始工作,壓力傳感器測(cè)量得到的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)如圖2所示。

圖2 工況1的壓力波形Fig.2 Globe pressure traces in case 1

脈沖槍產(chǎn)生了1個(gè)峰值壓力超過(guò)2 MPa的脈沖壓力,經(jīng)歷了大約3 ms,環(huán)形燃燒室內(nèi)產(chǎn)生了壓力峰值較低的旋轉(zhuǎn)爆震波,如圖2(a)所示,持續(xù)了約20 ms后,旋轉(zhuǎn)爆震波熄滅了。大約5 ms后旋轉(zhuǎn)爆震波又自發(fā)形成了(未施加外界擾動(dòng)),而且爆震波的峰值壓力較初始時(shí)刻更高。判斷形成旋轉(zhuǎn)爆震波的依據(jù)是壓力波形出現(xiàn)了較為明顯的脈動(dòng)信號(hào),且通過(guò)壓力波形計(jì)算燃燒波的傳播速度明顯高于0.5倍的爆震波C—J速度(約1 100 m/s)。如圖2(a)所示,在初始的200 ms內(nèi),發(fā)生了爆震波起爆、爆震波熄滅、爆震波自發(fā)再起爆并穩(wěn)定傳播等過(guò)程,宏觀上表現(xiàn)出較為明顯的非穩(wěn)態(tài)特性。若將時(shí)間尺度進(jìn)一步拉長(zhǎng),如圖2(b)所示,壓力曲線上存在兩個(gè)燃燒波峰值較低的區(qū)域(間隔1和間隔2),說(shuō)明旋轉(zhuǎn)爆震波熄滅了,而且持續(xù)的時(shí)間約為50 ms。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,旋轉(zhuǎn)爆震波在熄滅一段時(shí)間后,仍然能夠再次自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)爆震波,單次實(shí)驗(yàn)中多次發(fā)生該現(xiàn)象。這說(shuō)明自燃推進(jìn)劑雖然具有液液燃燒和自發(fā)燃燒這兩個(gè)不利于爆震燃燒的因素,但其熄滅后自發(fā)再形成爆震波的能力較強(qiáng),這又是利于爆震波自持傳播的,上述特性與非自燃推進(jìn)劑存在明顯區(qū)別。

圖2(a)中壓力曲線的放大圖如圖3所示,圖3(a)和圖3(b)分別顯示了較弱爆震和較強(qiáng)爆震的壓力波形。兩者的差別不僅僅體現(xiàn)在壓力峰值數(shù)值的差異(一個(gè)為0.5 MPa,另一個(gè)為0.2 MPa左右),而且波形的差異也很明顯。圖3(a)中壓力波形出現(xiàn)了明顯的“雙峰”現(xiàn)象,說(shuō)明此時(shí)處于雙波對(duì)撞模態(tài)。圖3(b)中波形明顯更為陡峭,顯示出明顯的單向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,爆震波沿逆時(shí)針?lè)较騻鞑?。FFT顯示圖2(a)中弱爆震階段和強(qiáng)爆震階段的頻率均為12 kHz左右,說(shuō)明存在的是雙波模態(tài),根據(jù)測(cè)點(diǎn)處波峰到達(dá)的時(shí)間間隔計(jì)算得到的傳播速度為1 178 m/s。

圖3 起始階段的爆震波壓力波形Fig.3 Enlarged pressure traces at early stage

從圖3(b)還能看出:在前4個(gè)循環(huán)中,P7處的壓力峰值明顯大于P8處的壓力峰值,說(shuō)明旋轉(zhuǎn)爆震波在從P8處逆時(shí)針向P7處傳播的過(guò)程中爆震波強(qiáng)度是增強(qiáng)的,然后從P7處逆時(shí)針向P8處傳播過(guò)程中的爆震波強(qiáng)度是減弱的;中間4個(gè)循環(huán)中,P7和P8處的爆震峰值壓力幾乎相同,說(shuō)明此階段的爆震波傳播過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生明顯的強(qiáng)度變化;后4個(gè)循環(huán)中,P7處的壓力峰值又明顯大于P8處的壓力峰值。以上現(xiàn)象說(shuō)明,雖然在宏觀尺度上旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播過(guò)程表現(xiàn)出非常明顯的規(guī)律性,但是在較小的時(shí)間尺度下,旋轉(zhuǎn)爆震波的傳播過(guò)程呈現(xiàn)出非常大的不穩(wěn)定性,不僅各個(gè)傳播周期內(nèi)爆震波強(qiáng)弱存在差異,而且即使在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)傳播周期內(nèi),爆震波的強(qiáng)度也具有高度的瞬態(tài)特性,隨時(shí)間變化迅速且劇烈。

圖4(a)顯示了旋轉(zhuǎn)爆震波第一次熄滅50 ms后,緩燃向爆震自發(fā)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。該過(guò)程中壓力峰值經(jīng)歷了一個(gè)逐漸增大的過(guò)程,壓力峰值達(dá)到一個(gè)相對(duì)高峰后(形成了強(qiáng)爆震)又逐漸減弱(爆震波衰減為緩燃波)。然而,壓力峰值較高的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒狀態(tài)僅維持了約5 ms。圖4(b)顯示了旋轉(zhuǎn)爆震波第二次熄滅后,緩燃向爆震自發(fā)轉(zhuǎn)變的過(guò)程,此處自發(fā)重新形成的旋轉(zhuǎn)爆震波持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)(約50 ms),最終旋轉(zhuǎn)爆震波解耦變?yōu)榫徣疾ㄎ窗l(fā)生第三次自發(fā)起爆的過(guò)程。

圖4 燃燒室中爆震波的壓力轉(zhuǎn)變Fig.4 Spontaneous evolution of chamber pressure

從圖4(a)和圖4(b)可以看出:旋轉(zhuǎn)爆震波的兩次解耦再起爆過(guò)程仍然存在一定的差異,圖4(a)中旋轉(zhuǎn)爆震波強(qiáng)度更大,但衰減更快;圖4(b)中的旋轉(zhuǎn)爆震波壓力峰值較低,但持續(xù)傳播時(shí)間更長(zhǎng)。圖5中的壓力放大曲線也反映出了兩個(gè)階段中旋轉(zhuǎn)爆震波的相對(duì)強(qiáng)弱。

圖5 工況1中不同強(qiáng)度的爆震波壓力波形Fig.5 Enlarged pressure traces of strong and weak detonations in case 1

2.2 外界激勵(lì)對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒過(guò)程的影響

在工況1中未能形成穩(wěn)定自持傳播的旋轉(zhuǎn)爆震波,原因可能是推進(jìn)劑的混合比較高(化學(xué)恰當(dāng)比對(duì)應(yīng)的混合比為1.64),為貧燃燃燒狀態(tài),導(dǎo)致混合物準(zhǔn)備過(guò)程未能達(dá)到旋轉(zhuǎn)爆震燃燒需要的條件。因此在工況2中將混合比調(diào)整至1.67,但仍然出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)爆震波自發(fā)形成又熄滅的過(guò)程,如圖6(a)所示。再將脈沖激勵(lì)的加入時(shí)間延后,以避開(kāi)初始階段燃燒室內(nèi)的混亂期,期望通過(guò)人為激勵(lì)的方式產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)爆震波。圖6(a)中的第一個(gè)壓力峰是燃燒室上供應(yīng)閥門開(kāi)啟特性導(dǎo)致的,經(jīng)歷約7 ms的振蕩燃燒過(guò)程,形成了旋轉(zhuǎn)爆震燃燒,但僅維持了2 ms后爆震波消失了。

圖6 工況2的壓力波形Fig.6 Globe pressure traces in case 2

從圖6(b)中可以看出:在t=0.158 s時(shí)刻脈沖槍產(chǎn)生的激勵(lì)到達(dá)燃燒室,產(chǎn)生近1 MPa的單次脈沖壓力峰。在該外界激勵(lì)的作用下,自持的旋轉(zhuǎn)爆震波并沒(méi)有立即形成,而是經(jīng)過(guò)了約30 ms才形成了峰峰值約為0.5 MPa的規(guī)律壓力峰。

圖7為工況2中放大后的壓力波形。從圖7(a)和圖7(b)中的壓力局部放大圖可以看出第一階段自發(fā)形成的旋轉(zhuǎn)爆震波強(qiáng)度更大。但是結(jié)合工況1中的情形來(lái)看,強(qiáng)度較高的旋轉(zhuǎn)爆震波所能持續(xù)的時(shí)間往往很短。因?yàn)楣r1和工況2的燃燒室都帶有喉部,燃燒室的基礎(chǔ)室壓已經(jīng)被提升(約0.3 MPa),此時(shí)較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)爆震波會(huì)在燃燒室內(nèi)部產(chǎn)生較高的反壓,對(duì)撞擊式噴注器的工作過(guò)程干擾非常大,導(dǎo)致噴注過(guò)程和旋轉(zhuǎn)爆震燃燒過(guò)程未能建立良性的耦合關(guān)系。而強(qiáng)度稍弱的爆震波對(duì)上游噴注過(guò)程的干擾幅度小,因而能夠穩(wěn)定供給爆震燃燒所需要的混合物,旋轉(zhuǎn)爆震燃燒得以持續(xù)。

圖7 工況2中放大后的壓力波形Fig.7 Enlarged pressure traces in case 2

僅依據(jù)工況2無(wú)法判斷旋轉(zhuǎn)爆震波是否在外界激勵(lì)的作用下形成,因此開(kāi)展了工況3中的實(shí)驗(yàn)。工況3中的實(shí)驗(yàn)工況與工況2完全一樣,區(qū)別在于工況3中沒(méi)有施加脈沖槍激勵(lì)。

圖8為工況3的壓力波形和FFT結(jié)果。從圖8中可以看出,在沒(méi)有外加擾動(dòng)激勵(lì)的情況下,工況3中仍然自發(fā)形成了較為穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)爆震波,盡管中間也經(jīng)歷了2次爆震波熄滅及自發(fā)再起爆的過(guò)程。最終形成的爆震波峰值壓力約為0.5 MPa,而且FFT結(jié)果也顯示旋轉(zhuǎn)波的頻率為12.102 kHz,表明此處形成的也是雙波模態(tài)。

圖8 工況3的壓力波形和FFT結(jié)果Fig.8 Globe pressure traces and FFT results in case 3

在工況4中能夠自發(fā)形成自持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆震波的工況,在其穩(wěn)定工作期間啟動(dòng)脈沖槍輸入擾動(dòng),對(duì)壓力波形的影響如圖9(a)所示,說(shuō)明在爆震波自持傳播過(guò)程外界激勵(lì)對(duì)爆震燃燒的影響是負(fù)面的,會(huì)干擾到旋轉(zhuǎn)爆震波的正常傳播,導(dǎo)致爆震波熄滅。自持工況中旋轉(zhuǎn)爆震波的自我恢復(fù)能力很強(qiáng),經(jīng)過(guò)約10 ms后又形成了規(guī)律性的壓力振蕩。局部壓力曲線放大圖如圖9(b)所示,壓力峰值較小,只有約0.2 MPa,FFT顯示傳播頻率為6.432 kHz。

圖9 工況4的壓力波形和放大結(jié)果Fig.9 Globe and enlarged pressure traces in case 4

在工況5中,流量參數(shù)與工況1相同,區(qū)別在于燃燒室結(jié)構(gòu)不同。工況1的燃燒室有喉部, 工況5的燃燒室沒(méi)有喉部,工況5中最終未能形成穩(wěn)定自持的旋轉(zhuǎn)爆震波。爆震熄滅后施加人為激勵(lì),依然未能激發(fā)出旋轉(zhuǎn)爆震波,如圖10(a)所示。

圖10 工況5的壓力波形和放大結(jié)果Fig.10 Globe and enlarged pressure traces in case 5

圖10(b)中的壓力曲線局部放大圖也表明此時(shí)的壓力振蕩為低值無(wú)序振蕩,是一種寬頻燃燒噪聲。通過(guò)比較工況5和工況1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,工況1中為短時(shí)間穩(wěn)定傳播的旋轉(zhuǎn)爆震波,而工況5中為緩燃燃燒狀態(tài),說(shuō)明燃燒室喉部有利于自燃推進(jìn)劑旋轉(zhuǎn)爆震燃燒的起爆和傳播。

從以上分析可以看出,在不能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)爆震的工況下,即使通過(guò)脈沖槍施加壓力沖擊也不能激發(fā)出旋轉(zhuǎn)爆震燃燒;在能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)爆震燃燒的工況下,脈沖槍施加的壓力沖擊對(duì)正常的爆震波傳播過(guò)程起到了干擾和破壞的作用。因此,外界激勵(lì)不是自燃推進(jìn)劑旋轉(zhuǎn)爆震燃燒產(chǎn)生及維持的主要原因,主要影響因素為燃燒室?guī)缀螛?gòu)型、推進(jìn)劑流量、混合比等參數(shù)。

3 結(jié)論

通過(guò)在環(huán)形燃燒室內(nèi)開(kāi)展自燃推進(jìn)劑的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒實(shí)驗(yàn),主要結(jié)論如下。

1)自燃推進(jìn)劑的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒過(guò)程具有高度非穩(wěn)態(tài)特性,從宏觀上看各個(gè)傳播周期之間存在明顯差異,而且同一個(gè)傳播周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)爆震波的強(qiáng)度在沿周向傳播過(guò)程中也是動(dòng)態(tài)變化的。

2)對(duì)于自燃推進(jìn)劑的旋轉(zhuǎn)爆震燃燒的產(chǎn)生及維持過(guò)程來(lái)說(shuō),外界激勵(lì)不起決定性作用,燃燒室?guī)缀螛?gòu)型和推進(jìn)劑混合比對(duì)旋轉(zhuǎn)爆震燃燒的影響更大。