劉道平，夏智勛，胡建新，黃利亞，方傳波(.國防科技大學(xué)高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，湖南長沙40073；.國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙40073)

固沖補燃室團聚硼顆粒燃燒試驗*

劉道平1，夏智勛1，胡建新2，黃利亞2，方傳波1
(1.國防科技大學(xué)高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，湖南長沙410073；2.國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410073)

研究團聚硼顆粒在補燃室中的點火燃燒對提高固沖發(fā)動機性能具有重要意義。通過試驗?zāi)M固沖發(fā)動機工作過程的方法，開展了補燃室流場條件下的團聚硼顆粒點火燃燒試驗。結(jié)合高速火焰圖像處理技術(shù)和流場參數(shù)測量結(jié)果，對試驗中團聚硼顆粒的點火燃燒狀態(tài)、火焰結(jié)構(gòu)以及顆粒尺寸變化等進行了分析，獲得了補燃室燃氣溫度和氧氣含量等因素對團聚硼顆粒點火燃燒過程的影響機制。對燃燒殘渣進行了分析，發(fā)現(xiàn)燃燒前后顆粒尺寸變化不大，燃燒過程中高溫氣流可能進入了顆粒內(nèi)部并與硼顆粒發(fā)生反應(yīng)。

固沖補燃室；團聚硼顆粒；燃燒；試驗研究

含硼富燃料推進劑在固體火箭沖壓發(fā)動機(固沖發(fā)動機)中具有良好的應(yīng)用前景。從20世紀(jì)60年代開始，國外許多學(xué)者開展了大量相關(guān)研究。Schadow［1］認(rèn)為固沖發(fā)動機燃氣發(fā)生器出口的燃氣溫度不足以使硼顆粒在補燃室中自維持燃燒，當(dāng)燃氣中的氣體燃料與摻混空氣中的氧反應(yīng)使燃氣溫度升高后，硼顆粒才能點火燃燒。Ciezki［2］也獲得了硼顆粒在燃燒室內(nèi)燃燒的一些重要特性。Mellor［3］的研究表明燃氣發(fā)生器一次燃燒產(chǎn)物中硼顆粒的尺寸與其在推進劑中的初始尺寸相差不大。Pein等［4］的研究表明補燃室內(nèi)的旋流有利于硼顆粒的點火燃燒、延長硼顆粒駐留時間和提高推進劑燃燒效率等。Anderson等［5］從理論上研究了含硼固體火箭沖壓發(fā)動機中硼顆粒的摻混、著火和燃燒過程。Gany［6］發(fā)現(xiàn)推進劑中的硼以顆粒團的形式從裝藥表面離開而進入氣相參與反應(yīng)。國內(nèi)的相關(guān)研究始于20世紀(jì)90年代。夏智勛等［7］較早從理論上研究了氣流條件下和考慮Stefan影響的單顆粒硼著火過程。陳林泉等［8］也基于數(shù)值模擬研究了燃氣發(fā)生器噴嘴出口布局、形狀以及硼顆粒粒徑等對發(fā)動機摻混效果和燃燒效率的影響。李疏芬［9］、王英紅［10］、敖文［11］、肖金武［12］、高東磊［13］和范紅杰等［14］通過硼顆粒包覆、團聚和添加易燃金屬等方式，在改善硼的著火燃燒性能、促進硼顆粒在發(fā)動機中快速高效燃燒等方面做了大量研究。

硼在補燃室摻混燃燒過程會產(chǎn)生結(jié)團現(xiàn)象，團聚硼顆粒是硼顆粒在補燃室中著火燃燒的一種重要形態(tài)，對固沖發(fā)動機的性能具有重要影響，本文以試驗的方式開展補燃室環(huán)境下團聚硼顆粒的著火燃燒過程研究。

1 試驗過程

1.1 團聚硼顆粒制作與固定

使用的團聚硼顆粒(見圖1)由河北保定中普瑞托有限公司將純度大于95%、粒徑為10～40μm的晶體硼顆粒(見圖2)在真空中壓制而成，粒徑大小為10mm左右。

圖1 晶體硼團聚顆粒Fig.1 boron particle agglomeration

圖2 晶體硼的掃描電子顯微圖Fig.2 Scanning electronic micrograph of crystal boron particles

如圖3所示，為了觀測補燃室流場中單個團聚硼顆粒的點火燃燒過程，將團聚硼顆粒固定在補燃室中，防止硼顆粒被高速氣流吹走。

圖3 團聚硼顆粒固定圖Fig.3 Fixation micrograph of boron particle agglomeration

固定的方式是在團聚硼顆粒中心打小孔(約1mm)，在垂直方向和水平方向各安裝一根耐高溫的鎢棒對團聚硼顆粒進行固定和支撐。

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。試驗系統(tǒng)主體部分為一個帶燃氣發(fā)生器和補燃室的仿真固沖發(fā)動機組成，還有空氣、氧氣和乙醇供應(yīng)系統(tǒng)，高速攝影系統(tǒng)，固體燃燒產(chǎn)物取樣裝置，冷卻系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等。

圖4 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental system

1.3 試驗時序

試驗中測量的氧氣、乙醇和氮氣質(zhì)量流量-時間曲線如圖5所示。

圖5 質(zhì)量流量-時間曲線Fig.5 Mass flow rate versus time

試驗時序分為四個階段:第一階段(0～6.5s)，在燃氣發(fā)生器中加入氧氣(280g/s)和乙醇(120g/s)，點火燃燒產(chǎn)生的富氧燃氣對硼顆粒進行加熱和點火，乙醇完全燃燒所需的氧氣質(zhì)量流量約為250g/s，因此燃氣發(fā)生器是富氧條件，氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)是8.1%；第二階段(6.5～8s)，在燃氣發(fā)生器中補充加入氧氣(80g/s)，使燃氣中的氧氣含量增大，摩爾分?jǐn)?shù)上升到21.9%；第三階段(8～17s)，燃氣發(fā)生器停止點火，同時停止加入乙醇，加入質(zhì)量流量為200g/s的氮氣，氧氣質(zhì)量流量不變，這時補燃室流場的溫度下降，氧氣含量繼續(xù)上升，摩爾分?jǐn)?shù)為61.2%；第四階段(17～30s)，在燃氣發(fā)生器中補充加入質(zhì)量流量為140g/s的氧氣，雖然補燃室流場的溫度較低，但是氧氣含量繼續(xù)上升，摩爾分?jǐn)?shù)為68.6%。

1.4 診斷方法

團聚硼顆粒的點火燃燒過程通過石英玻璃觀察窗用高速攝影儀進行記錄。為判斷燃燒過程火焰面的變化以及燃燒前后的顆粒尺寸變化，采用圖像邊緣檢測技術(shù)在高速攝影儀的視場中提取團聚硼顆粒的初始輪廓，將加熱和燃燒過程中的圖像與初始圖像進行對比，從而獲得試驗過程中團聚硼顆粒的形狀尺寸變化和火焰位置、形狀變化。團聚硼顆粒的初始輪廓如圖3所示。燃燒后的殘渣用日立S-4800型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、島津XRD-6100型X射線衍射儀(X-Ray Diffraction，XRD)、日立TM3000型能譜儀(Energy Disperse Spectroscopy，EDS)進行分析。

圖6 流場參數(shù)測量結(jié)果Fig.6 Measurement results of flow field parameters

圖7 第一階段補燃室圖像Fig.7 Photo of secondary chamber in the first phase

2 結(jié)果及分析

2.1 補燃室壓力、溫度測量結(jié)果

試驗中，對補燃室壁面附近的流場溫度和壓力進行了測量，測量結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)可知，從5s開始，壓強迅速上升，到達0.33MPa左右，與固沖發(fā)動機補燃室接近，當(dāng)燃氣發(fā)生器停止點火，加入氧氣和氮氣后，補燃室壓強迅速下降到接近環(huán)境壓強。由圖6(b)可知，在第一階段，補燃室壁面附近溫度達到1200K左右，在第二階段增加氧氣量后，燃燒溫度進一步上升，達到1400K以上，由于壁面采用了冷卻，所以溫度要低于流場中心溫度，燃氣發(fā)生器停止點火后，氣流溫度迅速下降。

2.2 火焰圖像分析

第一階段的補燃室以及顆粒圖像如圖7所示。圖7(a)和圖7(b)分別為加熱開始、加熱過程中的團聚硼顆粒照片。由圖可以看出，在試驗過程的第一階段，硼顆粒的邊緣位置基本無變化，硼顆粒周圍未能觀測到火焰出現(xiàn)，硼顆粒沒有點火燃燒，形狀也沒有變化，說明補燃室流場的溫度和氧氣濃度的綜合作用不足以使硼顆粒點火。

第二階段的補燃室以及顆粒圖像如圖8所示。圖8(a)顯示硼顆粒未點火燃燒，圖8(b)顯示硼顆粒劇烈燃燒，團聚硼顆粒周圍出現(xiàn)了亮白色火焰。這是由于在燃氣發(fā)生器中增加氧氣流量后，由于氧氣濃度的增大，乙醇燃燒更加充分，燃氣溫度上升，硼顆粒點火燃燒。

第三階段的補燃室以及顆粒圖像如圖9所示。由于停止了乙醇供應(yīng)，并加入了氮氣，使得溫度突然下降，補燃室火焰變暗，同時團聚硼顆粒幾乎熄滅。

第四階段的顆粒圖像如圖10所示。圖10(a)中團聚硼顆粒重新點火并劇烈燃燒，在高速氣流作用下，迎風(fēng)面火焰消失。硼顆粒燃燒一段時間后，如圖10(b)所示，其火焰逐漸熄滅，可能是由于氧化物凝結(jié)在顆粒表面阻止了繼續(xù)燃燒。觀察熄滅后的硼顆粒，發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸和位置幾乎沒有變化。

2.3 燃燒殘渣分析

對顆粒燃燒的殘渣進行直接觀察，外表面形態(tài)如圖11(a)所示，呈灰黑色，有白色物質(zhì)，迎風(fēng)面的顏色較深接近黑色，背風(fēng)面的顏色較淺，呈灰色。顆粒剖面形態(tài)如圖11(b)所示，顏色與外表面基本一致，迎風(fēng)面比較緊實，空隙較少，顏色較深，呈黑色，有成片的白色物質(zhì)，而背風(fēng)面空隙較多而大，呈灰色，沒有發(fā)現(xiàn)明顯成片的白色物質(zhì)。由直接觀察結(jié)果可知，燃燒過程中高溫氣流可能進入了顆粒內(nèi)部，燃氣中的CO2可能與硼反應(yīng)生成了硼的氧化物和單質(zhì)的碳，在顆粒內(nèi)部聚集。

圖8 第二階段補燃室圖像Fig.8 Photo of secondary chamber in the second phase

圖9 第三階段補燃室圖像Fig.9 Photo of secondary chamber in the third phase

圖10 第四階段補燃室圖像Fig.10 Photo of secondary chamber in the fourth phase

圖11 燃燒后顆粒形貌Fig.11 Photo of the particle after the test

對殘渣進行SEM測試，結(jié)果如圖12所示。燃燒后顆粒表面物質(zhì)的形貌分為兩種，一種是呈塊狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，另一種是疏松狀的物質(zhì)。

圖12 顆粒表面掃描電鏡照片F(xiàn)ig12 SEM photo of the particle surface

圖13 殘渣的X射線衍射譜圖Fig.13 X-ray diffraction patterns of the particle

對殘渣進行XRD測試，結(jié)果如圖13所示。殘渣的主要物相為B(OH)3，這是由于單質(zhì)硼燃燒后產(chǎn)生的氧化硼與空氣中的水蒸氣反應(yīng)生產(chǎn)了晶體的B(OH)3。物相中含有微弱的單質(zhì)碳的X射線衍射峰，說明殘渣中含有單質(zhì)碳的晶體結(jié)構(gòu)。物相中沒有檢測到單質(zhì)硼，可能單質(zhì)硼表面被硼的氧化物包裹，無法檢測出來。

分別對殘渣中疏松狀物質(zhì)和塊狀物質(zhì)進行EDS測試，結(jié)果如表1所示。

表1 能譜測試結(jié)果Tab.1 EDS examination results%

樣品的主要元素成分為B，O，C，其中疏松狀物質(zhì)中的氧含量比較高，而碳含量較低，塊狀物質(zhì)中的氧含量較低，碳含量較高。

3 結(jié)論

(1)提出了一種補燃室條件下的團聚硼顆粒點火燃燒試驗方法，試驗中補燃室壓強可以到達0.33MPa左右，壁面溫度可達1400K以上，可為團聚硼顆粒點火燃燒提供接近真實補燃室的流場條件，而且可以通過改變反應(yīng)物流量，方便調(diào)整補燃室流場條件。

(2)通過對高速圖像中團聚硼顆粒輪廓的提取，提出了一種團聚硼顆粒點火燃燒過程辨識方法，可以對團聚硼顆粒的點火燃燒過程、火焰結(jié)構(gòu)以及顆粒尺寸變化等進行分析。

(3)當(dāng)補燃室流場溫度較高而氧氣含量低時，團聚硼顆粒不點火燃燒。增大氧氣含量后，團聚硼顆?？梢渣c火燃燒。溫度降低后，雖然氧氣濃度較高，但硼顆粒不燃燒，需要進一步增大氧氣含量，才能使團聚硼顆粒重新點火燃燒。

(4)試驗前后團聚硼顆粒的尺寸變化不大，氧化物向顆粒的背風(fēng)面集聚較多。燃燒過程中高溫氣流可能進入了顆粒內(nèi)部并與硼顆粒發(fā)生反應(yīng)，殘渣形貌分為疏松狀和塊狀兩種，前者氧含量比較高，碳含量較低，后者氧含量較低，碳含量較高。

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Experimental investigation of combustion of boron particle agglomeration in secondary chamber

LIU Daoping1，XIA Zhixun1，HU Jianxin2，HUANG Liya2，F(xiàn)ANG Chuanbo1
(1.Science and Technology on Scramjet Laboratory，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Investigation of boron particle agglomeration ignition and combustion in secondary chambers is very important for increasing the capabilities of ducted rockets.By experimentally mimicking ducted rockets，boron particle agglomeration ignition and combustion in secondary chamber flow field was investigated.The ignition and combustion processes，flame constructions and size changes of boron particle agglomeration were analyzed with the image processing techniques of high speed flame and the measurement results of flow field parameters.The effects of gas temperature and oxygen content on ignition and combustion of boron particle agglomeration were acquired.The analysis result of residue indicates that the particle size changes little and the gasmay get into the boron particle agglomeration and reactwith boron particles.

secondary chamber；boron particle agglomeration；combustion；experimental investigation

TN95

A

1001-2486(2015)05-116-05

10.11887/j.cn.201505018

http://journal.nudt.edu.cn

2014-11-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(51276194)

劉道平(1981—)，男，湖南桃江人，博士研究生，E-mail:liu_dping@hotmail.com；夏智勛(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail:zxxia@nudt.edu.cn