李建玲 ,范 玮 ,熊 姹,王育虔,李 强

(西北工业大学动力与能源学院,西安 710072)

0 引 言

脉冲爆震发动机[1](Pulse Detonation Engine,简称PDE)是一种利用周期性爆震波产生推力的非稳态新型推进系统。根据氧化剂的来源,PDE可分为吸气式和火箭式。由于爆震燃烧的热效率明显高于等压燃烧,较之采用等压燃烧的常规火箭发动机来说,脉冲爆震火箭发动机(Pulse Detonation Rocket Engine,简称PDRE)具有理论上的性能优势。此外,由于爆震燃烧后燃气的压力明显上升,增压比可达15～55倍[2],PDRE的燃料和氧化剂可以较低的压力喷注入燃烧室。因此较之采用等压燃烧的传统火箭发动机来说,PDRE对增压部件(如高压涡轮泵等)的要求大为减低,系统结构可更为简单。作为一种化学推进系统,目前世界很多国家都开展了PDRE的应用与基础研究工作[3]。

比冲是衡量火箭发动机性能的重要指标,表征单位重量流量推进剂所产生的推力。因此要获得PDRE实验比冲,就需要准确测量PDRE所产生的推力和推进剂流量。由于PDRE间歇式工作和非稳态特性,PDRE推力和推进剂流量都是脉动的,测量难度较之稳态发动机大为增加。目前,关于PDRE性能的实验研究多是只报道其推力,而PDRE比冲值鲜见于文献[4-6]。此外,尽管目前大多数脉冲爆震的相关研究使用氢气或者小分子的气态碳氢化合物为燃料,但从实用性出发,大分子的液态碳氢化合物才是理想的推进剂燃料。因此笔者着眼于实验研究液态煤油/氧气PDRE的性能。采用液态煤油为燃料、氧气为氧化剂,进行了一系列多循环爆震实验,研究了工作频率对爆震参数的影响,获得不同工作频率下PDRE的推力和比冲,研究了影响PDRE性能的主要因素,为高性能PDRE的设计提供研究思路。

1 实验装置

两相PDRE实验系统由供给系统、电磁阀及点火控制系统、爆震管、压力测量系统和数据采集系统等组成,如图1所示。爆震管安装在一个推力测试台架上,推力测试台架由动架和静架两部分组成。静架为铸铁基座,动架通过滚动轴承和线性导轨支承在静架上,爆震管被固定在动架上。动架前端与静架之间安装有Kistler 9331B压电式动态推力传感器,用来测量实验模型的推力。本实验使用DEWE-3020十六通道数据采集系统,单个通道的最高采样率为200kHz。

图1 两相PDRE实验系统示意图Fig.1 Schematic of two-phase PDRE system

实验模型的爆震管头部封闭,尾端敞口,由推力壁、混合段、起爆段、爆震室组成。爆震管内径为30mm,爆震管总长 L为1.47m,爆震管体积V为1.04×10-3m3。实验采用液态煤油(C10H21)为燃料,氧气为氧化剂,氮气为隔离气体。煤油和氧气从头部轴向注入爆震室,在混合段内混合后,由点火能量为50mJ的火花塞点燃。混合段后的起爆管内壁装有Shchelkin螺旋作为湍流增强装置,以促进爆燃向爆震转变,缩短DDT距离。爆震段上布有5个压力测点,用于判断爆震在何处形成。压力测点p1～p5分别距推力壁570、630、1320、1380mm 和1440mm。各压力测点均安装动态压电式压力传感器来测量爆震室内压力分布。在实验模型I的爆震管出口位置安装火焰温度及水蒸气浓度红外光谱测量仪(PTSCT)[7],测量爆震管出口平面的尾焰温度,如图2所示。

Fig.2 装有PTSCT的两相PDREFig.2 Two-phase PDRE mounted with PTSCT

PDRE每个循环的运行都包含如下过程：向爆震管内填充燃料和氧化剂;点火,形成爆震波;高温高压的燃气膨胀排出爆震管;注入隔离气体,将爆震管内的燃气进一步吹除。吹除过程结束后,喷注隔离气体的阀门关闭,喷注燃料和氧化剂的阀门重新开启,发动机进入下一个循环过程。通过电磁阀及点火控制系统设定实验模型工作频率,控制燃油、氧气和氮气的间歇供给和点火时序,如图3所示。供油量、供气量可通过供给压力和电磁阀开启时间进行调节。对于特定系统,当供应压力和电磁阀开启时间一定,供油量和供气量也随着确定。本实验中,氧气和煤油的喷射压力分别为1.7和0.5MPa。在本实验中,煤油流量采用孔板流量计测量。但较之脉动液态流量的测量,脉动气体流量的测量难度要大得多。目前质量流量计最快响应时间只能达到0.2～0.3s,而频率为5Hz的PDRE一个周期的工作时间也只需0.2s,因此现有的质量流量计响应时间不能达到PDRE气体流量测量的要求。如果采用孔板流量计,由于PDRE运行过程内部流场为非稳态,不能保证通过孔板后的气体一直处于超临界状态,其测量结果与实际流量出现很大偏差。在本实验中,采用质量流量计和孔板流量计测量出的气体流量比真实值大10倍以上。对于脉动气体流量测量,采用单位时间内确定气体总量的方法来折算出气体平均流量的方法要可靠得多。因此本实验采用冷态集气法来测量氧气流量。冷态实验,在一定时间内仅由电磁阀向爆震管内间歇供给氧气,通过收集爆震管出口的氧气,根据收集到的气体体积和密度,折算出氧气平均流量。在本实验中,氧气流量﹒mO2为15.78g/s,燃油氧气混合物填充当量比为1。所有实验均在初始压力0.1MPa,初始温度25℃的条件下进行。在同一实验模型上分别进行了爆震频率 f为5、10和15Hz的实验。

图3 电磁阀和点火的时序图Fig.3 Sequence of the solenoid valves and the ignition

2 实验结果与分析

2.1 压力波形

图4～6分别给出了工作频率 f为5、10和15Hz时发动机不同位置的压力波形。压力波形表明发动机的实际工作频率与实验设定的频率相一致。在3种工作频率下,在距推力壁570mm的p1位置,均得到了充分发展的爆震波;但在距推力壁1440mm的p5位置,随着工作频率的增加该处的压力是逐渐下降的。当工作频率为5Hz时,p5位置仍能得到充分发展的爆震波;而当工作频率为15Hz时,p5位置最大峰值压力已经分别下降到0.5MPa左右。在15Hz时,p5位置压力明显下降的原因与此处的填充度有关。填充系数指的是每次起爆时可爆混合物填充爆震室的体积与爆震室的总容积之比,在等截面爆震室中就是可爆混合物填充爆震室的长度与爆震室的总长度之比。随着频率的增加,PDRE每个循环的燃料和氧化剂填充时间缩短。当氧气和煤油流量一定,随着频率的提高,填充系数是不断减小的。在本实验中,对应于5、10和15Hz,爆震管的填充系数分别为2.12、1.06和0.71。当爆震室部分填充时,填充系数小于1,爆震波到达可爆混合物与不可爆气体界面转化为不带化学反应的激波。随着激波向爆震管下游传播,其强度逐渐减低,因此p5位置压力明显下降。多循环实验结果表明,煤油氧气两相爆震压力低于由CEA计算出的理想CJ气相爆震压力[8-9](4.16MPa),而多循环实验中爆震压力随着工作频率的增加而有所下降,当爆震管处于部分填充状态时,在未填充可爆混合物处的爆震管尾部压力明显减低。

图4 5Hz时PDRE不同位置的压力波形Fig.4 Pressure profiles with the operation frequency of 5Hz

图5 10Hz时PDRE不同位置的压力波形Fig.5 Pressure profiles with the operation frequency of 10Hz

图6 15Hz时PDRE不同位置的压力波形Fig.6 Pressure profiles with the operation frequency of 15Hz

2.2 尾焰温度

图7分别给出了工作频率 f为5、10和15Hz时爆震管尾部火焰温度的变化曲线。在较低的工作频率下,脉冲温度的变化均匀,但是随着工作频率的升高,温度脉动增大。这是由于频率的升高减少了隔离气体填充时间,前一次的脉冲对后一次脉冲的影响逐渐增大。将每个频率下的脉冲温度进行平均,得到如图8所示的不同频率下平均温度的变化曲线。工作频率为10Hz时,PDRE的尾焰温度达到了2144.7K,随着工作频率的上升,其尾焰温度相应增高。当煤油/氧气混合物当量比为1时,由CEA计算出的CJ气相爆震温度为3917.9K,明显高于实验测量值,这主要是由于理论计算未考虑液体燃料的雾化蒸发对爆震特性参数的影响。

2.3 瞬时推力

图7 不同频率,PDRE尾焰温度变化曲线Fig.7 Plume temperature profiles for different operation frequency of PDRE

图8 不同频率,PDRE尾焰脉冲平均温度Fig.8 Averaged pulse plume temperature profiles for different operation frequency of PDRE

图9 不同频率,PDRE瞬时推力曲线Fig.9 Transient thrustprofiles for different operation frequency of PDRE

图9分别给出了工作频率 f为5、10和15Hz实验测得的瞬时推力曲线。如图9所示,力传感器输出的瞬时推力信号表现为上下振荡曲线,看似存在明显的负推力。图10为氢氧脉冲爆震火箭发动机多循环工作过程一维数值仿真得到的推力壁处的瞬时推力曲线[10]。可以看出,数值模拟和实验得到的瞬时推力信号存在明显差异。根据动量方程可知,当推力壁压力高于外界压力,PDRE产生正推力;随着推力壁压力逐步减低,PDRE产生的正推力逐渐减小;如果爆震管内气体过度膨胀,推力壁压力会略低于外界环境压力,PDRE产生负推力。结合实验测得的压力信号,由于PDRE周期性的运行,在爆震管内压力排到环境压气附近,下一个循环开始,因此负推力值不会很大。上述分析表明,通过推力测试平台采集得到的力传感器响应曲线与实验模型实际所输出的瞬时推力存在明显差异,在实际工作过程中PDRE并没有产生明显的负推力。这种差异是由压电式力传感器的固有特性以及PDRE周期性脉冲工作方式引起的。

图10 数值模型得到的瞬时推力曲线Fig.10 Transient thrust profile obtained by simulation

为了了解推力测试平台对周期性脉冲力的动态响应,将推力测试平台简化为单自由度质量-弹簧-阻尼系统,用脉冲力来代替实验模型的实际瞬时推力。利用Matlab Simulink[11]模拟简化的单自由度质量-弹簧-阻尼系统。图11为单自由度质量-弹簧-阻尼系统脉冲力动态响应曲线。从图11可知,力传感器动态响应曲线与实际输入周期性脉冲推力存在很大的不同。输入的周期性脉冲推力没有负值,而动态响应曲线却表现为欠阻尼振荡曲线。也就是说,动态响应曲线中存在的负值区域并不意味着输入推力存在负值。对脉冲力动态响应曲线进行时间积分,可以得到响应积分冲量曲线,如12所示。从图12可知,周期性脉冲推力和动态响应曲线的积分冲量曲线虽然存在不同,但是,在整个时间过程两者的积分冲量数值是相同的。故通过将一定时间内(整周期)测得的力传感器动态响应曲线对时间积分来计算这段时间内输入周期性脉冲力所产生的冲量,两者结果是一致的。

图11 脉冲力响应曲线Fig.11 Response curve of pulse force

图12 脉冲力响应积分冲量曲线Fig.12 Impulse curve obtained by integrating the response curve of pulse force

2.4 平均推力和比冲

由上述分析可知,通过对时间长度1s内的力传感器测量曲线进行时间积分,可以得到PDRE实验模型在这1s时间内所产生的实际冲量I和平均推力Favg。以混合物为基础的比冲Isp可按下式计算

式中ρ0表示初始填充混合物的密度,g为当地重力加速度,这里g=9.81m/s2。相应的燃料比冲可按下式计算

wf为燃料的质量分数。

表1列出了不同频率工作时对应的发动机填充系数、平均推力、混合物比冲以及燃料比冲。从表1可以看出,在同一实验模型上,随着工作频率的增加,实验测得的平均推力、混合物比冲以及燃料比冲逐渐增大。

表1 不同频率下填充系数及性能参数Table 1 Fill Fraction and performance parameters of PDRE with different operation frequency

根据Wintenberger[12]给出的PDRE性能分析模型,当发动机的尺寸一定时,随着频率的增加,平均推力线性增大,而混合物比冲和燃料比冲并不随着工作频率的增加而变化。在本实验条件下,采用Wintenberger性能分析模型计算出的PDRE的比冲和燃料比冲分别为165s和736s。但是,值得注意的是该分析模型计算是针对发动机刚好完全填充的情况,没有考虑部分填充的影响,因此该理论值没能真实充分体现出脉冲爆震火箭发动机的性能优势。在爆震管完全填充的条件下,爆震燃烧释放出的能量并未充分利用来产生推力,未经膨胀做功的高温高压燃气被直接排出发动机外。

当频率为10Hz时,填充系数为1.06,混合物比冲为 167.7s,略高于 Wintenberger模型计算值(165s)。当频率为5Hz时,填充系数为2.12,混合物比冲明显低于模型计算值,这是由于发动机明显过填充,过填充部分的燃料氧化剂混合物被排到发动机外,对发动机推力的产生没有贡献。当频率为15Hz时,填充系数为0.71,混合物比冲明显高于模型计算值,这是由于发动机部分填充,爆震室未填充部分起到了等截面直喷管的作用,有利于将爆震后的高温高压燃气的内能进一步转化为排气动能,从而大大地提高了发动机的性能。

3 结 论

(1)随着工作频率的升高,爆震压力有所下降,尾焰温度脉动增大,尾焰脉冲平均温度升高。当爆震管处于部分填充状态时,在未填充可爆混合物处的爆震管尾部压力明显减低;

(2)压电式力传感器输出的响应曲线与PDRE实际瞬时推力信号存在明显差异,但在整个时间过程两者的积分冲量数值是相同的,因此可以通过将一定时间内(整周期)测得的力传感器动态响应曲线对时间积分,来计算这段时间内输入周期性脉冲力所产生的冲量;

(3)填充系数的变化对于PDRE比冲值有着显著影响。采用爆震室部分填充的策略,可以显著地提高发动机比冲。对同一实验模型,当油气的平均流量一定,可以通过改变频率来改变填充系数,频率越高,填充系数越小,混合物比冲以及燃料比冲都呈现出明显增大的趋势;

(4)实验测得煤油/氧气PDRE的尾焰温度在2000K以上,可以考虑在爆震室出口加装喷管,进一步提高爆震后的高温高压燃气的内能向排气动能的转化率,PDRE的比冲仍有进一步提高的潜力。

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