馬冬英，盧 鋼，張小平，李春紅

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

液氧/甲烷推進(jìn)劑具有密度比沖高、冷卻能力好、無毒環(huán)保、重復(fù)使用方便和使用成本低等優(yōu)點，是可重復(fù)使用運載器較為理想的動力選擇[1～3]。

上世紀(jì)以來，俄羅斯、美國、歐洲、日本和韓國相繼開展了液氧/甲烷發(fā)動機(jī)的研究工作，進(jìn)行了傳熱、冷卻、點火和燃燒等基礎(chǔ)研究以及發(fā)動機(jī)整機(jī)研制。其中，點火技術(shù)及燃燒特性是研究的重點[4～7]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，液氧/甲烷在一定條件下，尤其在起動和關(guān)機(jī)的瞬間，燃燒時會產(chǎn)生少量積碳，需要重點研究。

我國在上世紀(jì)80年代曾進(jìn)行過液氧/甲烷燃燒組件熱試驗，為了進(jìn)一步深入研究液氧/甲烷的點火和燃燒特性，進(jìn)行了液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器熱試驗研究，目的是驗證燃?xì)獍l(fā)生器及其點火方案的可行性，獲得液氧/甲烷的點火和燃燒特性，為液氧/甲烷發(fā)動機(jī)的研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 燃?xì)獍l(fā)生器和試驗裝置

1.1 燃?xì)獍l(fā)生器

本文研究的液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器為“液-液”燃燒的富燃燃?xì)獍l(fā)生器，采用火藥點火，主要特性參數(shù)見表1。

表1 燃?xì)獍l(fā)生器參數(shù)Tab.1 Parameters of gas generator

1.2 試驗裝置

液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器試驗裝置系統(tǒng)圖見圖1，試驗裝置照片見圖2。

燃?xì)獍l(fā)生器試驗系統(tǒng)包括推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、預(yù)冷排放系統(tǒng)、吹除系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、點火系統(tǒng)以及電氣與測量系統(tǒng)。

推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)分為氧化劑和燃料供應(yīng)系統(tǒng)，設(shè)置高壓液氧貯箱、高壓甲烷貯箱、氧化劑閥、燃料閥、氣蝕文氏管和渦輪流量計。液氧貯箱增壓采用氮氣，甲烷貯箱預(yù)增壓采用氦氣，試驗過程增壓采用氮氣；氣蝕文氏管用于控制推進(jìn)劑流量，并防止點火時因背壓低造成的流量超調(diào)和點火沖擊；渦輪流量計用于測量推進(jìn)劑流量。試驗臺低溫管路采用泡沫材料、外層涂低溫膠的方法隔熱，低溫管路采用包扎隔熱罩的方法隔熱。

燃?xì)庀到y(tǒng)包括燃?xì)獍l(fā)生器和工藝噴管，燃?xì)獍l(fā)生器組織燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)?，工藝噴管用來保證燃?xì)獍l(fā)生器壓力。

吹除系統(tǒng)用于在預(yù)冷、點火和關(guān)機(jī)過程中對氧化劑閥和燃料閥后腔道進(jìn)行氮氣吹除，工作過程停止吹除。其作用是：預(yù)冷過程中，防止閥后的空氣結(jié)冰；點火過程中，防止燃?xì)夂屯七M(jìn)劑竄腔；關(guān)機(jī)過程中，快速排空燃?xì)獍l(fā)生器腔內(nèi)的推進(jìn)劑，以保證關(guān)機(jī)迅速、防止燒蝕產(chǎn)品。吹除氣體為氮氣，吹除壓力的選擇應(yīng)保證吹除閥在預(yù)冷、點火和關(guān)機(jī)過程中可靠打開，穩(wěn)定工作過程中可靠關(guān)閉。因此，吹除壓力應(yīng)低于燃?xì)獍l(fā)生器噴前壓力且保證足夠的吹除流量。

控制系統(tǒng)包括電動氣閥及其連接管路，用于試驗裝置中氧化劑閥、燃料閥、預(yù)冷排放閥和吹除的控制。氧化劑閥和燃料閥采用氦氣控制，預(yù)冷排放閥采用氮氣控制。

點火系統(tǒng)包括1個火藥點火器，安裝于發(fā)生器的頭腔頂部。每次熱試驗后更換火藥及電爆管后可繼續(xù)試驗。

電氣與測量系統(tǒng)包括電動氣閥控制電纜、電爆管控制電纜和傳感器及其測量電纜等。氧化劑、燃料管路和工藝噴管的不同位置設(shè)置壓力和溫度測點，工藝噴管設(shè)置2圈共8個溫度測點，獲得燃?xì)獍l(fā)生器的溫度均勻性數(shù)據(jù)。試驗中所有的壓力均采用引壓管測量，溫度為插入式測量。

2 試驗介質(zhì)

液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器試驗中，氧化劑為工業(yè)液氧，燃料為液化天然氣，甲烷純度大于97%。

3 點火程序研究

3.1 點火時序

對于雙組元推進(jìn)劑的發(fā)動機(jī)，推進(jìn)劑組元進(jìn)入燃燒室的時序?qū)τ谄饎舆^程十分重要。對于低溫推進(jìn)劑，一般先進(jìn)入燃燒室的推進(jìn)劑為溫度較低的推進(jìn)劑。例如，液氧/煤油推進(jìn)劑組合中液氧先進(jìn)入燃燒室，液氧/液氫推進(jìn)劑組合中液氫先進(jìn)入燃燒室。從理論上講，溫度較低的推進(jìn)劑更容易汽化，從而減少燃燒室內(nèi)的推進(jìn)劑積存量。因此，液氧/甲烷推進(jìn)劑組合中可采用溫度較低的液氧先進(jìn)入燃燒室的方案[8]。

國外液氧/甲烷發(fā)動機(jī)研究表明，富燃點火有時會發(fā)生延遲或者點不著火的情況，而液氧提前進(jìn)入有助于可靠點火。韓國的液氧/甲烷推力室、美國870磅力反作用控制系統(tǒng)液氧/甲烷發(fā)動機(jī)試驗點火時序均為氧化劑先于燃料進(jìn)入燃燒室[9－10]。

上世紀(jì)80年代，我國曾使用改制的液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器和推力室成功進(jìn)行了熱試驗，點火方式為火藥點火器點火，點火時序原則為：氧化劑先進(jìn)入燃燒室，0.05～0.08 s后火藥燃?xì)夂腿剂贤瑫r進(jìn)入。其點火時序制定的原則與韓國和美國進(jìn)行液氧/甲烷熱試驗時得到的結(jié)論一致。

上述理論分析和以往的試驗研究均表明，富燃燃?xì)獍l(fā)生器點火時序適宜采用氧化劑先于燃料進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室的方案。原因如下：首先，燃?xì)獍l(fā)生器為富燃燃燒，燃料流量大，如果采用富燃點火，則導(dǎo)致點火溫度低，可能延長點火延遲期，出現(xiàn)較大的點火壓力峰，甚至因溫度過低造成點火失敗；其次，如果采用富燃點火，點火瞬間的高富燃環(huán)境可能產(chǎn)生積碳。

因此，選擇的燃?xì)獍l(fā)生器點火時序為：點火火藥燃?xì)馐紫冗M(jìn)入燃燒室，形成點火環(huán)境，隨后氧化劑進(jìn)入燃燒室，最后燃料進(jìn)入燃燒室[8]。

3.2 冷調(diào)試驗和結(jié)果分析

為確定試驗系統(tǒng)管路的流阻特性和充填特性，在進(jìn)行熱試前，分別進(jìn)行了氧化劑系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)冷調(diào)試驗，以確定增壓壓力和點火時序。

氧化劑系統(tǒng)采用液氧為介質(zhì)進(jìn)行了3次冷調(diào)試驗；燃料系統(tǒng)先用液氮進(jìn)行了3次冷調(diào)試驗，以檢查低溫高壓下的密封性能，隨后用液化天然氣進(jìn)行了3次冷調(diào)試驗。通過上述試驗獲得了推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的充填特性和流阻特性。

3.2.1 氧化劑系統(tǒng)充填特性分析

氧化劑系統(tǒng)充填試驗中，氧化劑噴前壓力曲線見圖3。

3次冷調(diào)試驗的入口壓力和溫度基本相同，預(yù)冷至氧化劑閥前。由圖3可見，3次充填試驗的氧化劑噴前壓力在1 s左右趨于平穩(wěn)，第一次試驗初始充填段的氧化劑噴前壓力明顯高于后兩次。分析認(rèn)為，噴前壓力值的高低主要取決于燃?xì)獍l(fā)生器的結(jié)構(gòu)溫度。第一次試驗時燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)溫度較高，最初進(jìn)入的液氧溫度較高，飽和蒸汽壓較高，液氧被迅速氣化，建立較高壓力，隨著液氧持續(xù)進(jìn)入，當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)溫度與液氧溫度相對平衡時，壓力趨于穩(wěn)定；后2次試驗緊接著第1次進(jìn)行，燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)溫度較低，最初進(jìn)入的液氧溫度較低，飽和蒸汽壓較低，因此壓力峰值較低。

燃?xì)獍l(fā)生器熱試驗時液氧充填的狀態(tài)更接近第1次冷調(diào)試驗，因此充填時間的判定以第1次冷調(diào)試驗為準(zhǔn)，后2次冷調(diào)試驗作為參考。

3.2.2 燃料系統(tǒng)充填特性分析

使用液化天然氣的燃料系統(tǒng)冷調(diào)試驗中，燃料噴前壓力曲線見圖4。

3次冷調(diào)試驗的入口壓力和溫度基本相同，預(yù)冷至燃料閥前。由圖4可見，3次試驗曲線吻合較好，在0.2 s前燃料系統(tǒng)充填曲線與液氧充填曲線規(guī)律一致，0.5～0.6 s出現(xiàn)較高的壓力峰值。分析認(rèn)為，充填時間較長的原因主要是燃?xì)獍l(fā)生器燃料噴前腔容積大；出現(xiàn)較高的壓力峰值是燃料噴前腔容積較大和開始充填時結(jié)構(gòu)溫度較高共同造成的，燃料腔充填的介質(zhì)多，在開始時大量介質(zhì)不斷氣化，而流出量較少，在燃料噴前建立較高壓力，隨著燃料噴前腔溫度的持續(xù)降低，壓力逐漸趨于穩(wěn)定。

4 熱試驗和結(jié)果分析

4.1 試驗概況

液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器熱試驗共進(jìn)行了4次，試驗時間分別為20 s，60 s，60 s和80 s。通過調(diào)節(jié)貯箱壓力，分別進(jìn)行了不同室壓和不同混合比的試驗。試后檢查產(chǎn)品完好，工藝噴管內(nèi)表面有輕微積碳，4次熱試驗積碳層厚度無明顯增加。試驗過程中噴管出口火焰透明，燃燒穩(wěn)定且溫度均勻性較好。

4.2 熱試驗結(jié)果分析

4.2.1 點火過程分析

液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器4次熱試驗的點火過程壓力曲線見圖5。

由圖5可見，液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器4次熱試驗的點火過程基本一致，第4次試驗的點火器壓力曲線與前3次有明顯差別，與傳感器有關(guān)，其余參數(shù)變化趨勢一致。

實測點火時序與預(yù)期略有差別。分析認(rèn)為，低溫狀態(tài)使火藥點火器產(chǎn)生點火延遲，因此火藥燃?xì)膺M(jìn)入發(fā)生器的時間比預(yù)期時間滯后；氧化劑和燃料充填時間與預(yù)期時間偏差較小，偏差的主要原因是冷調(diào)試驗和熱試驗設(shè)置的貯箱壓力有差別。試驗驗證了發(fā)生器點火方案和時序的可行性。點火過程中燃?xì)獍l(fā)生器壓力上升平穩(wěn)，未見壓力沖擊。由圖5可見，4次熱試驗在0.6～0.7 s工況較高，燃?xì)獍l(fā)生器壓力峰最大值為穩(wěn)定工況值的107%。原因是火藥燃?xì)夂鸵貉?甲烷的燃燒產(chǎn)物在發(fā)生器腔內(nèi)共同建壓，尤其在火藥點火器壓力較高時（約0.7 s）。隨后發(fā)生器壓力下降，3 s左右火藥點火器停止工作，此時僅有液氧/甲烷的燃燒產(chǎn)物在發(fā)生器腔內(nèi)建壓，壓力下降至設(shè)計工況。

4次熱試驗燃?xì)獍l(fā)生器的建壓時間均較慢，且各次試驗有所差別。燃?xì)獍l(fā)生器壓力上升至穩(wěn)定工況90%的時間約為0.5～0.75 s。燃?xì)獍l(fā)生器建壓時間主要取決于推進(jìn)劑的充填特性，而充填過程又與燃?xì)獍l(fā)生器溫度平衡過程和試驗工況有關(guān)。液氧和甲烷均為低溫推進(jìn)劑，試驗前燃?xì)獍l(fā)生器為常溫狀態(tài)，點火過程中，先期進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器腔道的推進(jìn)劑迅速氣化，在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)建壓。此時經(jīng)過燃?xì)獍l(fā)生器流出的推進(jìn)劑流量小于流入的流量，壓力上升，隨著燃?xì)獍l(fā)生器噴前溫度的下降，噴前腔內(nèi)的推進(jìn)劑溫度隨之下降，推進(jìn)劑由氣態(tài)逐漸變?yōu)闅庖簝上嗔鳡顟B(tài)。隨著結(jié)構(gòu)溫度逐漸平衡，推進(jìn)劑最終變?yōu)橐簯B(tài)，流量達(dá)到平衡，完成建壓過程。試驗工況越低，推進(jìn)劑流量越小，充填時間越長，溫度平衡過程也越慢，燃?xì)獍l(fā)生器建壓過程越長。

綜上所述，4次熱試驗的點火過程可靠平穩(wěn)，與預(yù)期點火時序基本一致，驗證了點火方案和點火時序的可行性。

4.2.2 穩(wěn)態(tài)過程分析

表2是4次熱試驗的實測參數(shù)平均值。4次熱試驗燃?xì)獍l(fā)生器混合比和壓力實測曲線分別見圖6和7，4次試驗過程中混合比最低達(dá)0.23，最高達(dá)0.45，燃?xì)獍l(fā)生器壓力最低達(dá)5.63 MPa，最高達(dá)到8.12 MPa，試驗驗證了燃?xì)獍l(fā)生器能在較寬的室壓和混合比范圍內(nèi)可靠工作。

表2 液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器熱試驗實測參數(shù)Tab.2 Measured parameters of LOX/methane gas generator hot tests

燃?xì)獍l(fā)生器工藝噴管設(shè)置2圈共8個溫度測點，由表2可見，燃?xì)庾畲鬁夭顬?21℃（約為均值的±60℃），燃?xì)鉁囟染鶆蛐暂^好。

由圖7可見，4次熱試驗穩(wěn)定工況段燃?xì)獍l(fā)生器壓力存在一定波動，尤其是第4次試驗壓力波動較大。原因是前3次試驗的貯箱壓力相對較低，貯箱增壓容易實現(xiàn)，壓力平穩(wěn)，而第4次試驗貯箱壓力較高，為貯箱增壓帶來了一定困難，貯箱壓力不穩(wěn)定造成了燃?xì)獍l(fā)生器壓力的波動。

4.2.3 燃?xì)獍l(fā)生器積碳分析

第1次試驗后檢查發(fā)現(xiàn)，工藝噴管出口處有微量積碳，后3次試驗積碳程度變化不明顯。為避免關(guān)機(jī)過程中出現(xiàn)較高的溫度峰，采用先關(guān)閉氧化劑閥、后關(guān)閉燃料閥的方式，關(guān)機(jī)過程出現(xiàn)高富燃環(huán)境，目視亦可見火焰顏色明顯變化，由透明狀態(tài)變?yōu)榱涟咨?。分析認(rèn)為，輕微積碳在此時的高富燃環(huán)境中形成，程度十分輕微，對多次起動和重復(fù)使用均不會產(chǎn)生影響，關(guān)機(jī)方式合理。

5 結(jié)論

通過對液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器熱試驗的研究，得到以下幾點結(jié)論：

1)液氧/甲烷富燃燃?xì)獍l(fā)生器采用點火火藥燃?xì)庀冗M(jìn)入燃燒室，隨后氧化劑、燃料依次進(jìn)入燃燒室的點火程序合理；

2)研究的液氧/甲烷富燃燃?xì)獍l(fā)生器能夠在額定設(shè)計點附近較寬的燃?xì)獍l(fā)生器壓力和混合比范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，溫度均勻性較好，燃燒組織合理，燃燒品質(zhì)良好；

3)液氧/甲烷燃?xì)獍l(fā)生器熱試驗關(guān)機(jī)過程的高富燃環(huán)境，造成工藝噴管內(nèi)壁出現(xiàn)輕微積碳。

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