武冠杰，任全彬，2，李 超，李 悅，胡春波

(1.西北工業(yè)大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072；2.中國航天科技集團公司第四研究院，西安 710025)

0 引言

隨著推進技術的不斷發(fā)展，以金屬粉末為燃料的粉末火箭發(fā)動機、粉末沖壓發(fā)動機相繼問世[1-3]。粉末火箭發(fā)動機以微小固體粉末為推進劑，其氧化劑和燃料分別貯存在不同的儲箱內，具有儲存時間長、維護成本低的特點，能夠實現(xiàn)多脈沖啟動及推力調節(jié)功能[4]。

粉末火箭發(fā)動機的發(fā)展可追溯到20世紀40年代，美國Bell Aero Space Company的Loftus[5-7]開展了以Al粉為燃料、AP粉末為氧化劑的火箭發(fā)動機試驗研究，利用大量的試驗數(shù)據(jù)驗證了此類發(fā)動機的可行性，并通過不同級配的粉末混合裝填，可使粉末推進劑裝填率達到76%，得到發(fā)動機比沖效率最高為88%。美國的Goroshin S[8]將粉末燃料應用到超聲速沖壓發(fā)動機中，并以發(fā)動機的理論熱力計算為基礎，對各種金屬、非金屬粉末進行性能比較，認為鋁粉具有較好的綜合性能。西工大航天學院的胡春波[9-12]對Al/AP粉末發(fā)動機進行點火試驗，實現(xiàn)了Al/AP粉末發(fā)動機4次啟動關機試驗，驗證了脈沖啟動的可行性。而推力調節(jié)作為粉末火箭發(fā)動機的一項重要功能，由于其調節(jié)機理復雜，涉及部件較多，因而進行粉末發(fā)動機推力調節(jié)試驗難度較大。

本研究通過改變粉末推進劑的質量流率，在噴管喉徑不變的前提下，實現(xiàn)Al/AP粉末火箭發(fā)動機的推力調節(jié)功能。本文研究推進劑質量流率、燃燒室工作壓強對推力調節(jié)的影響，同時對粉末供給性能、發(fā)動機的燃燒效率、壓強振蕩等進行分析，獲得提高發(fā)動機推力調節(jié)比的有效途徑，為粉末火箭發(fā)動機的推力調節(jié)研究奠定基礎。

1 試驗方法及裝置

1.1 粉末的流化與輸運

粉末供給系統(tǒng)作為粉末火箭發(fā)動機最核心的部件，其技術難點主要體現(xiàn)在粉末推進劑的精確供給及其穩(wěn)定控制。本研究中粉末供給系統(tǒng)采用氣壓驅動活塞、氣體夾帶顆粒流化輸運的方式輸送Al和AP粉末。粉末推進劑經(jīng)過活塞驅動和流化氣體的流化后，在儲箱流化腔內，由固定床逐漸轉化為流化床，經(jīng)過管路輸送和粉末噴注器離散被連續(xù)不斷地注入燃燒室中。粉末供給裝置的工作原理如圖1所示。

圖1 供粉儲箱工作原理圖

圖1中，活塞在軸向主要受到驅動氣對活塞的驅動力Fd、粉末儲箱內流化氣對活塞的作用力Fl、背壓對活塞的作用力Fc，以及粉末和粉箱內壁面對活塞的摩擦力f，各種力相互作用，促使活塞平穩(wěn)驅動。

在粉末火箭發(fā)動機推力調節(jié)過程中，由于粉末推進劑在流化輸送過程中具有很強的流體特性，便于粉末流量的調節(jié)。然而，在粉末推進劑大流量調節(jié)時，由于驅動氣量和流化氣量增大，使得氧化劑AP和燃料Al的質量流量增加，促使燃燒室內反應加劇，壓強pc升高，從而造成粉末供給裝置的背壓上升。但由于粉末推進劑的流化氣壓強pl和粉末驅動氣壓強pd不能及時響應供粉裝置背壓pc的快速升高。因此，如何實現(xiàn)快速有效的推力調節(jié)響應，需要合理設定和控制流化氣和驅動氣的流量。

(1)

其中，粉末裝填質量為mp，粉箱長度為L。而活塞速率v主要取決于驅動氣填充驅動腔的快慢。

1.2 試驗系統(tǒng)

Al/AP粉末火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng)主要由粉末燃料供給裝置、供氣管路、高壓氣瓶、推力室、控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)等組件組成，試驗系統(tǒng)示意圖如圖2所示。其中，粉末燃料供給裝置主要由AP粉末儲箱和Al粉末儲箱組成。

圖2 Al/AP粉末火箭發(fā)動機推力調節(jié)試驗系統(tǒng)圖

圖2中，通過調節(jié)流量控制閥來改變驅動氣量和流化氣流量，進而改變Al粉和AP粉的質量流率，實現(xiàn)粉末火箭發(fā)動機的推力調節(jié)。在進行Al/AP粉末火箭發(fā)動機點后之前，需要根據(jù)試驗方案的工況，提前進行冷態(tài)標定試驗，設定流化氣和驅動氣的流量控制參數(shù)，確保在不同的背壓下實現(xiàn)粉末推進劑的準確供給。

1.3 試驗方案

(2)

從圖3可看出，雖然當氧燃比為2時比沖最大，但此時的凝相質量分數(shù)也最大，兩相流損失較為嚴重，發(fā)動機的能量損失較大。隨著氧燃比的不斷增加，比沖減小緩慢，而凝相質量流量迅速減小，大大降低了發(fā)動機的兩相流能量損失。因此，綜合考慮發(fā)動機的比沖性能和兩相流損失，選取O/F=5作為發(fā)動機推力調節(jié)試驗的設計氧燃比。

圖3 比沖和凝相質量分數(shù)與O/F的關系

表1 不同壓強下Al/AP粉末火箭發(fā)動機理論特征參數(shù)

(3)

(4)

推力調節(jié)需要在短時間內將驅動腔壓強由小推力驅動狀態(tài)增加至大推力驅動狀態(tài)，在不造成粉末推進劑壓實的前提下，合理設置流量控制閥來減小發(fā)動機工作的壓強轉調時間。通過對Al/AP粉末推進劑燃燒效率進行計算，設計發(fā)動機推力調節(jié)點火試驗，具體的試驗工況如表2所示。

表2 Al/AP粉末火箭發(fā)動機試驗工況及其參數(shù)

2 結果與討論

2.1 活塞供粉特性

利用粉箱內的位移傳感器，對AP粉和Al粉末的供給進行實時測量，并對位移進行時間差分，獲得粉末實時供給的質量流量，如圖4所示。

(a)AP位移與質量流量隨時間變化曲線

(b)Al位移與質量流量隨時間變化曲線

從圖4(a)可看出，AP粉末的供給相對平穩(wěn)，在小推力階段平均質量流量為34.9 g/s，大推力階段平均質量流量為72.1 g/s，AP粉末流量轉調時間為1.1 s，推力調節(jié)階段最大質量流量可達到121.4 g/s。圖4(b)中，Al粉在小推力階段平均質量流量為6.9 g/s，大推力階段平均質量流量為15.2 g/s，Al粉末流量轉調時間為1.7 s，推力調節(jié)階段最大質量流量達到34.7 g/s，但Al粉末在推力調節(jié)階段供粉出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象。這是因為流量調節(jié)時，流化腔內的Al粉被部分壓實，待流化氣帶走壓實的粉末后活塞又重新前移。AP粉末供給相對穩(wěn)定，而Al粉在壓強調節(jié)階段質量流量波動較大，主要是由于Al粉相對AP粉末硬度較小、粘性較大，導致Al粉的供給沒有AP粉末供給平穩(wěn)。

2.2 燃燒效率分析

根據(jù)Al/AP粉末火箭推力調節(jié)點火實驗，對發(fā)動機的燃燒性能進行分析。其中，推力調節(jié)過程中發(fā)動機的內彈道曲線如圖5所示。

圖5 Al/AP粉末火箭發(fā)動機推力調節(jié)內彈道曲線

從圖5的壓強曲線可看出，燃燒室內的低壓和高壓階段均存在燃燒振蕩現(xiàn)象，具體的實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 Al/AP粉末火箭發(fā)動機試驗工況及其參數(shù)

由表3可看出，低壓工作條件下振動頻率較低、壓強振幅相對燃燒室平均壓強略高；高壓下振動頻率較高、壓強振幅相對燃燒室平均壓強略低。其中，高壓振蕩頻率高于低壓是由于高壓階段，粉末輸運系統(tǒng)存在供給振蕩現(xiàn)象，上游的振蕩導致下游燃燒室的壓強振蕩；而低壓與高壓下振幅變化的不同，還與粉末的燃燒效率相關。

(5)

(6)

式中t1為壓強首次到達平均壓強10%的時刻；t2為壓強最終達到平均壓強10%的時刻。

流化氣質量流量通過標定按設計流量給出，氧化劑和燃料質量流量根據(jù)圖4獲得。通過計算得到Al/AP粉末火箭發(fā)動機推力調節(jié)點火實驗的燃燒效率見表4。

表4 燃燒效率特性參數(shù)

由表4可看出，Al/AP粉末火箭發(fā)動機在燃燒室為2.26 MPa時，燃燒效率可達到86.7%。高壓條件下，Al和AP的燃燒效率明顯提升。

2.3 發(fā)動機推力調節(jié)特性

Al/AP粉末火箭發(fā)動機進行推力調節(jié)點火過程如圖6所示。圖6中，Al/AP粉末火箭發(fā)動機在小推力和大推力階段，噴管后的尾焰飽滿明亮，火焰剛度較強，燃燒較為充分。點火試驗后發(fā)動機內的沉積狀態(tài)如圖7所示。由圖7可看出，在發(fā)動機內壁面和噴管收斂段有一些的Al2O3沉積，但由于沉積量很少，并未影響發(fā)動機的內壁面流動結構。

發(fā)動機推力的計算不僅與燃燒室的壓強有關，還與質量流量和噴管喉部的變化相關。其中，質量流量可通過粉箱內的活塞位移獲得；通過測量噴管喉徑，發(fā)現(xiàn)試驗前后均為8 mm，且基本沒有變化。因此，發(fā)動機推力可通過下式獲得：

當pb/p*≤p2/p*時，

(7)

當pb/p*>p2/p*時，

(8)

(a)小推力階段

(b)大推力階段

(a)燃燒室內Al2O3沉積 (b)噴管收斂段Al2O3沉積

此處，根據(jù)比熱容比k=1.16[12]，噴管擴張比ε=3.51，得p2/p*=0.389 4，而pb/p*根據(jù)實驗的具體壓強狀態(tài)得到。根據(jù)燃燒室的壓強曲線，利用推力公式進行計算，得到的推力計算結果如表5所示。

從表5可看出，推力調節(jié)比可達到1∶2.94，該調節(jié)比下Al/AP粉末火箭發(fā)動機的最小推力為53.8 N，最大推力為157.9 N。本研究獲得的推力調節(jié)比，可很好地驗證Al/AP粉末火箭發(fā)動機的推力調節(jié)性能，為今后粉末發(fā)動機的研究提供試驗依據(jù)。

表5 推力特性參數(shù)

3 結論

(1)在燃燒室壓強恒定時，Al/AP粉末供給系統(tǒng)可實現(xiàn)穩(wěn)定供粉；在變流量調節(jié)過程中，AP粉末能及時響應且輸運平穩(wěn)，而Al粉出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，給粉末輸運帶來不穩(wěn)定，但并未影響Al粉的總輸運量。

(2)在推力調節(jié)試驗中，高壓階段Al和AP的燃燒效率比低壓的燃燒效率高，燃燒效率最高能達到86.7%。

(3)Al/AP粉末火箭發(fā)動機點火試驗中，推力調節(jié)比可達到1∶2.94，該調節(jié)比下的最大推力為157.9 N，能滿足粉末火箭關于推力調節(jié)需求。