趙 芳，任澤斌，2

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000；2.設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

長期以來，人類根據(jù)各個領(lǐng)域的需求致力于燃?xì)馍裳b置的研究，其中應(yīng)用最廣的當(dāng)屬燃?xì)獍l(fā)生器[1]。燃?xì)獍l(fā)生器是通過燃燒一定比例的燃料及氧化劑，獲得相應(yīng)溫度、壓力、流量及速度等參數(shù)的混合燃?xì)猓詫崿F(xiàn)特定目的的燃?xì)馍裳b置[2-3]。

燃?xì)獍l(fā)生器首先應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，隨后迅速向艦船、石油及汽車等行業(yè)發(fā)展。如超燃及亞燃沖壓發(fā)動機地面試車[4-15]、驅(qū)動渦輪[16-18]、提供引射工質(zhì)[19-25]、船用燃?xì)廨啓C[16-18,26]、石油輸送管道增壓、汽車安全氣囊充氣[27-34]以及其他相關(guān)應(yīng)用等[35-43]。

考慮到燃?xì)獍l(fā)生器的多用途性及多種類性，特定需求的燃?xì)獍l(fā)生器選型及研制需要借鑒國內(nèi)外已有的成功經(jīng)驗。

1 應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 航空航天領(lǐng)域

自萊特兄弟實現(xiàn)首次飛行以來，飛行速度一直是人類追求的目標(biāo)，從亞聲速到超聲速，再到高超聲速，每次速度的跨越背后是發(fā)動機技術(shù)的巨大提升：從活塞式、渦噴發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇到亞燃沖壓發(fā)動機，直至超燃沖壓發(fā)動機[13]。目前，地面試驗(試驗組成如圖1所示[15])是研究超燃沖壓發(fā)動機的一項重要技術(shù)途徑，主要由加熱器系統(tǒng)和引射式真空系統(tǒng)組成，其中燃?xì)獍l(fā)生器(也稱燃燒型空氣加熱器)是這兩大系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵子系統(tǒng)[14]。

圖1 超燃沖壓發(fā)動機地面試車裝置組成Fig.1 Ground experimental system of scramjet engine

超燃沖壓發(fā)動機地面試驗常用的加熱器類型包括：熱管交換式加熱器、卵石床蓄熱式加熱器、電弧加熱器、激波管式加熱器及燃?xì)獍l(fā)生器等，其中熱管交換式加熱器可提供最高總溫為1 000 K的純凈氣流，但考慮到熱交換問題，該方式提供的氣流總溫有所限制；卵石床蓄熱式加熱器加熱的氣流總溫可達(dá)2 200 K，但該加熱器存在啟動時間長、產(chǎn)生固體顆粒等問題；電弧加熱器提供的氣流總溫可達(dá)3 000 K，可控性好，運行時間較長，但其需要配備大功率的電弧設(shè)備，實驗費用昂貴，而且電弧加熱會導(dǎo)致空氣離解，引入雜質(zhì)；激波管加熱器加熱的氣流總溫可達(dá)6 000 K以上，無污染，但其工作時間很短，一般只應(yīng)用于高馬赫數(shù)(Ma>8)的地面試驗，適用性窄；而燃?xì)獍l(fā)生器具備溫度范圍較寬、實驗成本較低、實驗周期短、結(jié)構(gòu)緊湊以及快速啟動等優(yōu)點，盡管加熱氣流中存在一定的污染成分，例如通過燃燒氫加熱空氣會產(chǎn)生水分污染，而燃燒碳?xì)淙剂蟿t產(chǎn)生水和二氧化碳污染，但通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，其中的污染成分存在的影響均在可接受的范圍之內(nèi)[9-12]，由此燃?xì)獍l(fā)生器是超燃沖壓發(fā)動機地面試驗應(yīng)用最為常用的加熱器類型。與其他應(yīng)用需求不同的在于：應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機地面試驗加熱系統(tǒng)時，燃?xì)獍l(fā)生器的職能是模擬實際飛行時的總焓、總溫及組分組成等相關(guān)來流條件，因此，燃?xì)庑纬珊蟊仨氀a充一定的氧氣以保證燃?xì)庵醒鹾颗c空氣中相同。

最初的超燃沖壓發(fā)動機地面試驗真空系統(tǒng)主要采用真空罐系統(tǒng)和引射系統(tǒng)兩種[13]?？紤]到真空罐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為笨重，準(zhǔn)備過程耗時長而持續(xù)工作時間短，無法滿足超燃沖壓發(fā)動機長時間試驗的需要，而燃?xì)庖溆捎诮Y(jié)構(gòu)簡單、引射能力強、響應(yīng)快等優(yōu)點被廣泛采用，因此超燃沖壓發(fā)動機地面試驗真空系統(tǒng)目前主要采用燃?xì)庖浞绞絒13]。其組成包括燃?xì)獍l(fā)生器、引射器及擴壓器3個子系統(tǒng)，其中燃?xì)獍l(fā)生器旨在為引射系統(tǒng)提供高溫工質(zhì)，相對于傳統(tǒng)的壓縮空氣、氮氣引射工質(zhì)而言，高溫燃?xì)庖涞膬?yōu)勢在于其引射效率高，而且裝置規(guī)模較小。

在液體推進劑發(fā)動機系統(tǒng)中，需要用氣體為推進劑供應(yīng)系統(tǒng)和其他分系統(tǒng)提供動力源。隨著液體火箭發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)的瓶裝壓縮氣體(例如氦氣)已經(jīng)滿足不了這一動力需求，取而代之的是采用燃?xì)獍l(fā)生器裝置產(chǎn)生的高溫燃?xì)?，采用該方法可以獲取更高的系統(tǒng)性能。此外，為了使整個系統(tǒng)簡化，燃?xì)獍l(fā)生器盡可能利用液體推進劑發(fā)動機系統(tǒng)自帶的主推進劑產(chǎn)生燃?xì)猓欢?，在某些?yīng)用中，例如在擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)中或者泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)的啟動，用于產(chǎn)生燃?xì)馑璧母邏和七M劑并不是從主系統(tǒng)中獲取。

常規(guī)的泵壓式液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)組成如圖2所示。對于整個泵壓式液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)而言，燃?xì)獍l(fā)生器的設(shè)計要求結(jié)構(gòu)緊湊、平滑啟動及關(guān)機、工作范圍廣、不需要復(fù)雜的吹除及卸出系統(tǒng)以及具備安全重復(fù)啟動的能力[44-45]。

1—啟動活門;2—火藥啟動器;3—渦輪;4—燃料泵;5—氧化劑泵;6—燃?xì)獍l(fā)生器;7—主活門;8—推力室;9—蒸發(fā)器;10—單向活門;11—節(jié)流圈;12—文氏管;13—斷流活門;14—降溫器;15—音速噴管;16—氧化劑貯箱;17—燃料貯箱;18—渦輪泵轉(zhuǎn)軸;19—齒輪箱。圖2 泵壓式液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)組成Fig.2 System compositions of turbo-pump liquid rocket engine

在航空航天領(lǐng)域，燃?xì)獍l(fā)生器的應(yīng)用還包括宇航員救生服、民用航空緊急救生的充氣滑梯、空降兵、軟著陸氣墊、無人機發(fā)射及回收等[35]。

1.2 艦船領(lǐng)域

相比于其他動力裝置，燃?xì)廨啓C具有結(jié)構(gòu)簡單、啟動快、功率大、體積小及機動性強等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于軍用艦艇及民用船舶的動力系統(tǒng)，承擔(dān)著非常重要的職能。常規(guī)的燃?xì)廨啓C結(jié)構(gòu)組成主要包括壓氣機、燃燒室及渦輪，原理如圖3所示[17]，其中燃燒室即為一種燃?xì)獍l(fā)生器，其主要作用在于產(chǎn)生高溫燃?xì)狻Ⅱ?qū)動燃?xì)廨啓C渦輪，由此帶動壓氣機與外載荷轉(zhuǎn)子同步高速旋轉(zhuǎn)，從而完成液體或氣體燃料的部分化學(xué)能至機械能的轉(zhuǎn)換，同時輸出電能。時至今日，船用燃?xì)廨啓C的應(yīng)用范圍日趨廣泛，大到輕型航空母艦、巡洋艦，小到快艇、氣墊船。從水面戰(zhàn)斗艦艇到軍用輔助船，進而到民用船舶，船用燃?xì)廨啓C都成為令人青睞的動力，也是其他類型動力不可比擬的。廣泛的應(yīng)用必然會帶來經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保等一系列問題，使人們不得不開展研究，以提升燃?xì)廨啓C的設(shè)計技術(shù)(包括無污染推進劑研究)，提高燃?xì)廨啓C的熱效率、可靠性及壽命等性能參數(shù)，從而更好地滿足水面艦艇及船舶主動力裝置現(xiàn)代化的需求。

圖3 西門子某燃?xì)廨啓C系統(tǒng)組成Fig.3 A type of Siemens gas turbine

冷發(fā)射導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的應(yīng)用由最初的魚雷發(fā)射推廣至導(dǎo)彈的潛艇水下發(fā)射及井下發(fā)射等，其關(guān)鍵組成部分為發(fā)射動力系統(tǒng)，常規(guī)的動力系統(tǒng)組成如圖4所示，功能在于提供導(dǎo)彈在發(fā)射筒類內(nèi)運動的作用力，為導(dǎo)彈的可靠點火和目標(biāo)定向提供必要的初始內(nèi)彈道。而整個發(fā)射動力系統(tǒng)的動力源為燃?xì)獍l(fā)生器，主要分為整體式和裝配式兩種，前者的優(yōu)點在于氣密性好，可以防止接頭處發(fā)生漏氣現(xiàn)象，此外，整體式質(zhì)量小，有利于減輕系統(tǒng)的整體質(zhì)量。這一點對于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈而言意義重大，然而，對于中遠(yuǎn)程的戰(zhàn)略導(dǎo)彈來說，整體式燃?xì)獍l(fā)生器會增加加工工藝的難度，因此，通常來說，戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈射系統(tǒng)主要采用裝配式燃?xì)獍l(fā)生器。應(yīng)用于發(fā)射動力系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)生器工作原理類似于固體火箭發(fā)動機，燃?xì)獍l(fā)生器中的火藥在極短的時間內(nèi)通過燃燒的方式轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，通過噴管排入到密閉容器內(nèi)，建立一定的壓力、形成可將導(dǎo)彈推出發(fā)射筒的彈射力，其工作性能直接關(guān)系到動力系統(tǒng)內(nèi)彈道指標(biāo)的實現(xiàn)[36]。

除上述提及的應(yīng)用之外，燃?xì)獍l(fā)生器在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用還涉及到救生筏、沉船打撈以及艦載無人機等[35]。

圖4 冷發(fā)射導(dǎo)彈動力系統(tǒng)組成Fig.4 Cold launching power system of missile

1.3 石油及汽車行業(yè)

作為發(fā)動機的燃?xì)廨啓C，其應(yīng)用不僅僅局限于上述提及的航空航天和艦船領(lǐng)域，在石油行業(yè)應(yīng)用同樣廣泛，而且職能不單一，如在海上采油各種功能的平臺上不僅可以帶動發(fā)電機組，還可以用于驅(qū)動壓縮機，效益同樣良好。海上采油氣平臺采用燃?xì)廨啓C有其特有的優(yōu)勢：滿足電力系統(tǒng)的獨立性、效率高及啟動快等特點；“就地取材”，可利用海上開采平臺獲取的天然氣作為燃料，由此有效防止了因開采平臺距離陸地較遠(yuǎn)，帶來的如燃料運輸不便、危險及高額運輸費等問題。此外，解決了因開采平臺空間狹小，引發(fā)的燃料難以大量儲存的問題[18,39]。應(yīng)用于海上采油氣的常規(guī)燃?xì)廨啓C發(fā)電機組及供風(fēng)示意圖如圖5所示[39]，其中，作為關(guān)鍵部件之一的燃燒室，即為一種燃?xì)獍l(fā)生器。在能源緊缺的今天，不同于飛機發(fā)動機所采用的高級航空汽油、其他發(fā)動機上采用的汽油或經(jīng)處理的輕質(zhì)燃油等帶來的價格昂貴、燃料運輸與儲存要求高等問題，燃?xì)廨啓C憑借其“就地取材”的燃油優(yōu)勢，在海洋采油設(shè)施上得到了更為廣泛的應(yīng)用。

圖5 常規(guī)燃?xì)廨啓C發(fā)電機組及供風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Generator set and air supplying system of conventional gas turbine

在汽車工業(yè)發(fā)展中，為了保證人們的生命財產(chǎn)安全，需要不斷地提升汽車的安全性能。而安全氣囊則是汽車安全系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，影響安全氣囊性能的決定性組件則是燃?xì)獍l(fā)生器，其工作流程為：一旦汽車產(chǎn)生碰撞，點火系統(tǒng)則接收到由控制系統(tǒng)發(fā)生的指令，快速點燃燃料，燃燒得到的氣體經(jīng)過過濾裝置處理后進入氣袋，氣袋快速膨脹，從而將乘客隔離開，保證了乘車人的安全。

燃?xì)獍l(fā)生器的性能直接關(guān)乎安全氣囊打開的質(zhì)量[27-28]，由此關(guān)于汽車安全氣囊的燃?xì)獍l(fā)生器研究同樣熱門[29-30]，常用的安全氣囊燃?xì)獍l(fā)生器如圖6所示，主要組成部件包括金屬外殼、氣體燃料、點火設(shè)備，以及過濾設(shè)備。目前來說，大部分汽車安全氣囊燃?xì)獍l(fā)生器所采用的燃料(例如氮化鈉)在生產(chǎn)及后處理過程中對環(huán)境及人身都會帶來潛在的危險。由此，汽車開發(fā)商開始研發(fā)其他可替換的環(huán)保燃料，比如通過燃燒氫氣與空氣，以及采用惰性氣體等。此外，燃?xì)獍l(fā)生器的響應(yīng)及產(chǎn)氣時間也是一項關(guān)鍵的指標(biāo)，縮短燃?xì)獍l(fā)生器響應(yīng)、產(chǎn)氣直至充滿安全氣囊的時間，將大大提升安全氣囊的安全性能。

圖6 汽車安全氣囊燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Gas generator of automobile airbag

近年來，隨著汽車領(lǐng)域的飛速發(fā)展與道路條件的改善，汽車行駛的速度越來越快，汽車被動安全技術(shù)研究成為一項熱門課題，如汽車安全帶預(yù)緊器研究，該裝置一般由燃?xì)獍l(fā)生器、活塞、轉(zhuǎn)動輪和安全帶等組成。其工作原理為：當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，電點火信號激發(fā)燃?xì)獍l(fā)生器的電點火頭，點燃燃?xì)獍l(fā)生器中的燃料，燃燒迅速產(chǎn)生大量的氣體，使活塞內(nèi)的壓力急劇增加。高壓氣體使活塞運動并帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動輪使卷帶筒發(fā)生器轉(zhuǎn)動，而此時安全帶被順勢卷入卷筒上，達(dá)到安全帶被回拉的目的，從而限制或減緩乘員因慣性發(fā)生的前沖，可對乘員進行有效的保護。該項技術(shù)仍處在研究與發(fā)展階段[34]，與前文提及的汽車安全氣囊燃?xì)獍l(fā)生器類似，該項技術(shù)涉及燃?xì)獍l(fā)生器的主要研究方向包括：環(huán)保的燃料、快速燃燒技術(shù)及高產(chǎn)氣量等。

此外，燃?xì)獍l(fā)生器在汽車的緊急剎車制動裝置中同樣有所應(yīng)用。

1.4 其他

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)獍l(fā)生器不僅僅應(yīng)用于航天航天、艦船領(lǐng)域及石油與汽車工業(yè)，根據(jù)其工作原理及特有的優(yōu)勢，激光器壓力恢復(fù)系統(tǒng)、救生筏、應(yīng)急滅火、軍用偽裝充氣假目標(biāo)等研究中均有效采用了燃?xì)獍l(fā)生器[19-20,35]。

2 燃?xì)獍l(fā)生器工作原理及分類

為滿足各個領(lǐng)域不同的需求，燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生燃?xì)獾耐緩蕉鄻踊?，按照工作原理的不同可分為三類：基于液體火箭發(fā)動機技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器(簡稱基于液發(fā)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器)、基于航空發(fā)動機技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器(簡稱基于航發(fā)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器)、基于固體火箭發(fā)動機技術(shù)與基于煙火技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器(簡稱其他類型燃?xì)獍l(fā)生器)[1]。

2.1 基于液發(fā)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器

基于液體火箭發(fā)動機技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器發(fā)展較早，應(yīng)用較為廣泛。結(jié)構(gòu)大同小異，典型的基于液發(fā)燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由噴注盤、燃燒室、噴管、點火系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等組成，在很多應(yīng)用中，為了實現(xiàn)長時間工作，需要配套水冷系統(tǒng)。

圖7 基于液發(fā)燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of gas generator based on liquid rocket engine

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析[46]、數(shù)值計算[47-50]及試驗[51-55]等手段，開展了基于液發(fā)技術(shù)發(fā)生器的相關(guān)研究，主要集中在燃?xì)獍l(fā)生器的點火、出口均勻性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面[55-57]。

鐘戰(zhàn)[2]對基于液發(fā)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器的研究現(xiàn)狀進行了詳細(xì)闡述，并以低濃度酒精及氧氣/空氣為推進劑開展了試驗研究，分析了影響燃?xì)獍l(fā)生器點火與燃燒效率的因素，得到了提高其點火與燃燒效率的方法與措施。馮軍紅[7]、趙芳[8]結(jié)合數(shù)值仿真與試驗研究了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣/酒精/氧氣三組元燃?xì)獍l(fā)生器噴注面板熱防護及燃燒性能的影響，并提供引用篩錐提高燃?xì)獍l(fā)生器出口燃?xì)獾木鶆蛐浴?/p>

目前，基于酒精/空氣及酒精/氧氣的燃?xì)獍l(fā)生器技術(shù)較為成熟，但為了工程需要，很多學(xué)者也采用了其他組合推進劑，如空氣/煤油、低濃度過氧化氫/酒精分解補燃、液氧/甲烷、一氧化二氮/乙醇等[2,23-25]。

2.2 基于航發(fā)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器

基于航發(fā)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器是在渦輪噴氣式航空發(fā)動機和渦輪風(fēng)扇式航空發(fā)動機燃燒室技術(shù)上改造而來。根據(jù)用途的不同，改造的方式方法也有區(qū)別，比如為了滿足燃?xì)廨啓C(艦船、電力發(fā)電、石油開采等)的使用要求，通過取消加力燃燒室、滿足長壽命及采用天然氣作燃料等要求進行改進設(shè)計[26]。

改造后用于提供引射工質(zhì)的基于航發(fā)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器如圖8和圖9所示，主要由燃燒室機匣(含前后連接法蘭)、旋流器、火焰筒、噴嘴、點火裝置等組成，整體水平橫式布置[21-22]。

圖8 單管燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of gas generator based on single tube combustor of aero-engine

圖9 環(huán)形燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of gas generator basedon annular combustor of aero-engine

相比于基于液發(fā)技術(shù)燃?xì)獍l(fā)生器而言，以上兩種燃?xì)獍l(fā)生器均采用氣膜冷卻，可實現(xiàn)長時間工作運行，并縮小了輔助系統(tǒng)規(guī)模。與基于液發(fā)燃?xì)獍l(fā)生器類似，基于航發(fā)技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器采用的推進劑同樣種類繁多，包括空氣/酒精、空氣/航空煤油等。

2.3 其他類型燃?xì)獍l(fā)生器

除了上述提及的兩類常用的燃?xì)獍l(fā)生器以外，基于固體火箭發(fā)動機技術(shù)及煙火技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器也是應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一類。此類燃?xì)獍l(fā)生器的氧化劑與燃燒劑均為固態(tài)形式，經(jīng)過均勻混合之后以裝藥的形式直接貯存在燃燒室內(nèi)，通過點火裝置點燃后產(chǎn)生高溫燃?xì)?。典型的基于煙火技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器(主要指汽車安全氣囊氣體發(fā)生器)如圖6所示，主要由發(fā)生器體、引藥、火藥、點爆裝置及線束連接器等組成，工作時通過線束進入點爆裝置，產(chǎn)生火花引爆引藥，火藥瞬時產(chǎn)生大量氣體。

基于固體火箭發(fā)動機技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖10所示，其組成部分主要包括殼體、固體推進劑、噴管組件及點火裝置等。該類發(fā)生器采用固態(tài)物質(zhì)作為推進劑，固體推進劑點燃后在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，實現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能[43]。

此類燃?xì)獍l(fā)生器的特點在于可長期貯存，但存在工作時間短、重復(fù)啟動困難等缺點，僅適合一次性工作。

圖10 基于固發(fā)技術(shù)燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure diagram of gas generator based on solid rocket engine

3 結(jié)束語

燃?xì)獍l(fā)生器憑借其種類繁多、響應(yīng)快、適用性廣等特點，普遍應(yīng)用于各行各業(yè)，特別適合于航空航天、航海等惡劣的使用環(huán)境，也成功推廣至石油及汽車等領(lǐng)域。未來，燃?xì)獍l(fā)生器將會在軍事、民用行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用，對于燃?xì)獍l(fā)生器的性能要求也將更為嚴(yán)苛。小型化、綠色推進劑、安全系數(shù)好及產(chǎn)氣效率高等高性能燃?xì)獍l(fā)生器勢必成為各領(lǐng)域研究的重點。