多分支管脉冲爆震火箭发动机的实验研究＊
2010-12-07秦红强李建玲
秦红强，范 玮，李建玲，严 宇
（西北工业大学动力与能源学院，西安 710072）
0 引言
脉冲爆震火箭发动机［1－3］（pulse detonation rocket engine，PDRE）是一种利用周期性爆震波发出的冲量产生推力的非稳态新型推进系统。由于其具有结构简单、热循环效率高和工作范围宽等诸多潜在优势，因此世界上很多国家都开展了相关研究。由于小尺寸单管PDRE产生推力的有效面积小，而在大的爆震管中起爆又比较困难，因此发展多管PDRE成为研究实用型发动机的趋势。但目前所研究的多管PDRE大多是每个爆震管都有各自的供给系统和控制系统，结构十分复杂，而且重量大。美国的Paul［4－5］等人研究了爆震波在T型分叉管和Y型分叉管中的传播，发现在一定的结构下爆震波可以成功传播到两个分叉管中并继续传播。他们还利用跨接管实现了一个点火源起爆两个并接爆震管中的爆震。文中采用航空煤油为燃料，氧气为氧化剂，进行了一系列的煤油／氧气两相脉冲爆震实验［6］，考察了爆震波在单爆震管中以及从单爆震管进入多分支管（2管、3管和4管）的传播情况，并以单爆震管为基本构型，对比研究了分支管中的爆震波传播情况和发动机整体推力性能的变化，探索具有更高推进性能发动机的设计方案。
1 实验装置
两相脉冲爆震实验系统是由供给系统、控制系统、采集系统和发动机台架等构成，如图1所示。
图1 两相脉冲爆震实验装置示意图
选用单管PDRE作为基准，其长度为1.47m，内径30mm。预混室左端为封闭端，液态煤油由离心喷嘴从封闭端喷射入爆震管，氧气和隔离气沿封闭端轴向进入，其中氧气、煤油和隔离气的供给由电磁阀和控制系统控制。距离封闭端65mm处安装了一个火花塞，点火能量约为50mJ。氧气和煤油在爆震管内混合后，由火花塞点燃。起爆段总长350mm，内装有350mm长的Shchelkin螺旋作为湍流增强装置，以促进爆燃向爆震的转变，缩短DDT距离。在距离封闭端570mm、630mm、1320mm和1380mm处布置了4个压力测点（P1、P2、P3和P4），用于判断爆震在该处是否形成。使用的压力传感器为压电式传感器，使用DEWE -3020数据采集系统进行数据采集，采样率为200k。
多管PDRE总长仍为1.47m，分别为两管、三管和四管PDRE。如图2～图4所示，多管发动机的前面和单管是一致的，单管向多管分支的转接段长270mm，采用90°转角设计。每个分支爆震管上均布有两个压力测点，距离封闭端分别为1320mm和1380mm，空间位置分布如图5所示（每个分支管上数字编号小的测点在前端，大的在后端）。
图2 90°转角的双分支管PDRE示意图
2 实验结果与分析
图3 90°转角的三分支段
图4 90°转角的四分支段
图5 压力传感器空间分布示意图
实验的环境压力为1atm，环境温度为25℃，发动机的工作频率为5Hz。由CEA程序计算得到的理想煤油／氧气爆震压力为4.100MPa，爆震温度为3909.2K，爆震波速为2355.2m／s。在两相喷雾爆震中，考虑到液体燃料的混合、液滴的分布和液滴尺寸等对爆震波的影响，两相喷雾爆震的特性参数达到CEA计算值的70%即可认为产生了充分发展的爆震波。
2.1 单管PDRE基准实验
单管PDRE是本实验的基准，图6为发动机上4个测点处的压力波形。可以看出，4个测点处的压力波形相当整齐，而且压力峰值均在3.8MPa以上。这表明在爆震管中形成了充分发展的爆震波，而且爆震波能够稳定自持传播到爆震管出口。根据任意两个测点同一次爆震中出现压力峰值的时间差和两测点之间的距离，可以计算出爆震波的传播速度。根据实验数据，计算出P1和P2之间的爆震波平均速度为1699.6m／s。图7为测量的发动机推力曲线，可以看出，5次爆震过程中发动机所产生的最大瞬时推力均在800N左右。
2.2 双分支管PDRE实验
图6 单管PDRE连续工作1s的压力曲线
图7 单管PDRE连续工作1s的推力曲线
图8为双分支管PDRE连续工作1s中5次循环时其中4个测点处的压力波形。由图可知，P1和P2两个测点每次爆震的压力峰值均在4.0MPa左右，5次爆震平均的压力峰值分别为3.88MPa和4.00MPa，说明在分支前主爆震管内已经形成了充分发展的爆震波。分支后P4和P6位置5次爆震平均的压力峰值分别为3.43MPa和3.49MPa。P3 -P4之间和P5 -P6之间的爆震波平均速度分别为1928.5m／s和1942.8m／s。可以看出，爆震波从单管分支传播进入双管后，爆震波强度稍有衰减，但仍能够在两个分支管中自持传播。双管PDRE的推力测量曲线如图9所示，5次爆震所产生的最大瞬时推力均在1600N左右，为单管PDRE的两倍，其1s内的平均推力较之单管基准构型增益达73.28%。这是因为相对单管构型，双分支结构产生有效推力的面积增大，而且爆震波在分支之后强度变化不大，因此产生的推力近乎加倍。
2.3 三分支管PDRE实验
图8 双分支管PDRE连续工作1s的压力曲线
图9 双分支管PDRE连续工作1s的推力曲线
图10为三分支管PDRE其中5个测点处1s内的压力波形，其中P1和P2两个压力测点每次爆震的压力峰值均高于4.0MPa，P1 -P2之间的爆震波平均速度为1542.9m／s。说明分支前已经形成了爆震波。分支后P4、P6和P8三个对应位置5次爆震平均的压力峰值分别为 2.43MPa、2.41MPa和1.54MPa。P3-P4间、P5-P6间以及P7 -P8间的爆震波平均速度分别为1141.4m／s、1116.4m／s和1157.9m／s。爆震波从单管分支传播进入3个管后，爆震波强度明显衰减，CJ爆震退化为不稳定的弱爆震在3个分支管中传播。在分支的3个爆震管中，左右两侧的分支管中爆震波压力基本相同，而上侧分支管中爆震波压力更低一些，这说明上侧管中的爆震衰减较为严重，这是由于油气混合物受重力作用，更容易进入左右两侧分支，所以两侧的填充比上面的充分，从而造成爆震波压力大小的差异。三管PDRE的推力测量曲线如图11所示，5次爆震所产生的最大瞬时推力进一步增大，均在1700N左右，计算出的平均推力较之基准构型推力增益为18.38%，较之双管分支则有所下降。这是由于三管分支后爆震波强度降低较大，压力和速度均大幅度降低，因此推力增益不大。
2.4 四分支管PDRE实验
图10 三分支管PDRE连续工作1s的压力曲线
图11 三分支管PDRE连续工作1s的推力曲线
图12是四分支管PDRE其中6个压力测点位置5个工作周期内的压力波形。P1和P2两个压力测点每次爆震的压力峰值均高于4.0MPa，可看出分支前已经形成了充分发展的爆震波。分支后P4、P6、P8和P10四个对应位置5次爆震平均的压力峰值分别为1.55MPa、1.74MPa、1.09MPa和1.36MPa。爆震波从单管传播进入4管后，爆震波强度明显衰减，能够自持传播的CJ爆震退化为不稳定的弱爆震在4个分支管中传播。四管PDRE推力测量曲线如图13所示，5次爆震中发动机所产生的最大瞬时推力均在1800N以上，计算出的1s内平均推力较之单管基准构型降低了4.89%。这是因为爆震管分支成4支后，填充已经没有之前充分，所以主爆震管内的爆震波传播到4个分支管后爆震波强度大幅度降低，能量损失较大，因此推力性能降低。
3 结论
针对单管PDRE和3种多分支管PDRE进行了实验研究，分析得到如下结论：
1）利用煤油和氧气，在一定的供给条件下，利用低能量的点火装置就可以实现稳定的两相爆震，发动机稳定工作。
2）爆震波从单管分支传播到多管后，爆震波强度降低，而且分支数越多，爆震波衰减越厉害。
3）增加分支爆震管的数目会影响PDRE的推力性能，其中双分支管PDRE和三分支管PDRE的推力有所提高，最高增益达73.28%，而四分支管PDRE的推力则有所降低。
图12 四分支管PDRE连续工作1s的压力曲线
图13 四分支管PDRE连续工作1s的推力曲线
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