等离子体强化超声速燃烧研究进展

杨银军，窦志国，段立伟

（装备学院激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416）

等离子体强化超声速燃烧研究进展

杨银军，窦志国，段立伟

（装备学院激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416）

超声速点火和燃烧是超燃冲压发动机研究中的一项关键技术。论文总结了国内外在碳氢燃料的等离子体点火助燃方面研究进展，重点列举了国外在裸电极直接点火和喷注等离子体火炬两种等离子体点火方式的实验与数值研究，以便于我国的科研工作者与国际同行开展国际合作与学术交流。

等离子体；点火；超声速燃烧

0 引言

高超声速飞行是21世纪航空航天技术新的制高点，是航空航天史上继发明飞机、突破声障飞行之后的第三个里程碑。高超声速飞行技术的突破，将对国际战略格局、军事力量对比、科学技术、社会经济发展以及综合国力提升等产生重大和深远的影响[1]。近年来，随着航空航天技术的不断发展,高超声速发动机技术已经成为世界各国的研究热点[2]。该类发动机具有为飞行器提供高超声速飞行的能力，但也带来了另一难题：超声速燃烧。在超声速燃烧过程中，燃气流经飞行器燃烧室的速度极快，导致其滞留时间非常短[1]。实验研究结果表明，在毫秒量级以下的滞留时间内，只有氢气能够完全燃烧。然而，由于氢气能量密度很低，为了实现高比冲推进，必须采用高能量密度的碳氢燃料。随着来流马赫数的增大，燃料快速充分的混合和燃烧越来越困难，碳氢燃料的点火延迟时间通常要比氢气高一个量级，而其燃烧速度要比氢气低一个量级，从而不可能在低于毫秒量级的滞留时间内实现完全燃烧[3]。提高燃料的燃烧效率，可以增加发动机的比冲。比冲的增加，有助于减少燃料的携带量，增加飞行器有效载荷，减小飞行能耗，增大飞行器行程。因此，对于开发和研制基于碳氢燃料的高比冲超声速发动机，加速点火和提高燃烧速度是最为关键和迫切需要解决的问题。

1 国内外研究现状

目前，超燃冲压发动机的辅助点火主要有三种方法：施加引导火焰，添加活性燃料和安装火焰稳定器。前两种方法最大的缺陷在于需要增设引导火焰燃烧器或者单独储存活性燃料的设备，而安装支板等被动控制器件的缺点是作用有限且会增大总压损失。近年来，由于等离子体能够以很小的能量为代价极大地增加活性基浓度而被公认为是加速点火的最有效方法，因此有希望应用于超燃冲压发动机中，以实现碳氢燃料在超声速气流中成功点火。

表1 来流在燃烧段的迟滞时间和燃料的延迟时间

超燃冲压发动机内的燃料点火有两种方式：一是在超声速气流中直接点火，实现真正意义上的超声速燃烧；另一种就是借助凹腔等火焰稳定器，增大气流的滞留时间，这种情况更多的是亚声速燃烧。国外研究在超声速气流中实现等离子体点火主要采用以下两种方式：使用裸电极在凹腔中直接放电和喷注等离子体火炬。

1.1 裸电极直接点火

采用裸电极在凹腔中直接放电，其优势在于在放电的时候不仅在可燃气体中直接产生对燃烧增强起主要作用的活性基，而且可以加速燃料与主流之间的混合。美国的斯坦福大学和俄罗斯科学院是采用这种形式的主要代表。

2006年俄罗斯科学院的Sergey等人[4]采用多电极准直流放电与凹腔结合的方式，在马赫数为1.9的空气来流中实现了乙烯的稳定燃烧。如图1所示，放电时在凹腔的前台阶会出现5道电弧，这样就会在凹腔回流区内产生一个高温电离区，保证乙烯空气混合物的稳定燃烧。

2010年斯坦福大学的Breden等人[5]在超声速流中利用纳秒脉冲放电研究了等离子体的热力学效应。实验得到，激发出的氧活化粒子密度为1021m3；当等离子体脉冲宽度为100ns～1μs时，电压、电子碰撞离解是氧原子、氢原子和氢氧基的驱动源。Breden所在小组的Do在他的博士论文[6]中研究了超声速流动中氢和乙烯燃料采用纳秒脉冲等离子体放电的点火问题，非平衡等离子体由峰值电压15kV、脉宽20纳秒和重复频率50kHz的源产生，研究了马赫数1.7到3.0范围内的流动和激波结构。发现等离子体减少了点火延迟，增加了活化基的产生。图2为有无等离子体作用时OH基的PLIF测量结果。

1.2 喷注等离子体火炬

采用等离子体火炬喷注方式的主要代表是日本的东北大学、美国的维吉尼亚理工大学和韩国首尔大学。

（1）数值仿真。2002年日本东北大学的Takita[7]数值仿真了不同等离子体火炬的点火与稳定燃烧的效果。仿真过程中采用氧气、氮气和氩气三种不同的等离子火炬，燃料使用氢气。结果表明，局部的当量比是影响等离子体火炬稳定燃烧的重要因素，除此外，还观察到了低马赫数范围内的等离子体火炬与燃料之间的火焰传播。比较表明，氩气等离子体火炬的性能比氧气和氮气的都要差。

2005年日本Minato等人[8]三维数值仿真氧气作为等离子体火炬工质气体，火炬置于氢气喷口前且都采用横向入马赫数为2.5的超声速来流。数值研究表明氢气喷口位于等离子体火炬下游时，即使注入氢气压力比火炬小，也能产生更高的渗透高度。高温等离子气体与氢气相遇时分成左右两部分绕流，并在界面上生成火焰。

2009年日本东北大学的Watanabe等人[9]数值仿真了在超声速内流中，放置等离子体火炬影响氢燃料点火和燃烧的特性，对比分析了不同的等离子体火炬能量、不同燃料喷射位置对氢燃料燃烧的影响。当燃料喷注位置在等离子体火炬下游时燃烧较弱，而在等离子体火炬上游时，燃烧得到了强化，燃料喷注上游产生伪激波，强烈影响主流与燃料的混合。图3表明随着等离子体炬能量的不断增大，氢燃料喷流上游逐渐产生系列激波串，强化了混合过程。

（2）实验研究。2003年日本东北大学的Murakami等人[10]实验研究了超声速流中甲烷和乙烯燃料使用等离子体火炬点火助燃特性，并和氢气进行对比。实验是在马赫数为2.3，压强和温度与大气环境相一致的来流中进行的，通过测量下壁面的压力来判断是否成功点燃燃料。结果表明，在相同当量比下，燃烧后的壁面压力增量大小依次是：氢气、乙烯和甲烷。这也证明了在超声速流中，碳氢燃料由于不完全燃烧，释放的热量很少。同时，他们还实验研究了不同工质的等离子体火炬对甲烷和氢气点火助燃的影响[11]，实验结果显示氧气作为火炬工质时效果最好，而且将燃料喷射置于火炬位置上游更容易实现稳定燃烧，这是因为燃料喷注上游产生了激波串，加速了燃料与来流在展向上的混合。

2007年日本东北大学的研究小组[12]在超燃冲压发动机模型中又进行了双等离子体火炬的点火助燃实验，实验结果表明O2-O2等离子火炬的效率最高，但是H2/N2-O2和O2-O2等离子火炬前方比O2-O2等离子火炬更早的出现了激波串。经过与单等离子体火炬的实验比较发现，它们的效果几乎相同，双等离子体火炬没有明显优势。

2010年韩国首尔大学的研究人员[13]应用等离子体火炬技术在马赫数为2的超声速气流中进行了氢燃料混合及点火研究，其研究背景是双模超燃冲压发动机。如图5所示，燃料采用平行喷射方式。他们认为等离子体火炬的作用是提供一个热源，所以只有流经等离子体火炬上方的燃料才能被点燃。实验是在冷流条件下进行，其结果是虽然燃料被成功点燃且燃烧室出现了热壅塞，但燃烧区域仍没有侵入到主来流之中。

国内研究人员也进行了一定的研究工作，工作起步较晚，基础薄弱，相关研究较少。西北工业大学宋文艳等人[14]研究了超燃冲压发动机在较低飞行马赫数 （Ma＜4）下的点火启动问题，采用等离子体点火和先锋氢燃料，实现了煤油的可靠点火和稳定燃烧。郭向阳等人[15]通过数值仿真分析了等离子体产生的主要活性基对燃烧过程的影响，开展了等离子体助燃化学反应机理。

2 总结分析

目前，在碳氢燃料的等离子体点火助燃方面，实验结果已经表明：等离子体能够强化点火与促进燃烧，但其中所涉及的机理却仍不清楚，有待进一步的探索。例如：由于等离子体会导致系统热量和化学反应活化能同时变化，目前还很难区分和确定助燃过程中等离子体带来的热效应和化学效应。同时，涉及到等离子体和燃烧的详细化学反应机理还很少被应用于等离子体助燃的定量研究中，对等离子体化学反应与燃烧化学反应的耦合作用还不清楚。

美国和俄罗斯是以主被动结合，即在凹腔中放电的形式进行等离子体点火助燃，主要优点是除燃料外不需要携带其他工质气体，使得发动机整体更加简单可靠，重量更轻；缺点是凹腔会产生很大的总压损失，且电源要求高，现在他们已经将研究重点由电弧等离子体转换为高压纳秒脉冲放电等离子体。日本和韩国的研究重点放在了等离子体火炬的使用上，研究了不同的放电工质和等离子体火炬喷射位置及加入后向台阶对燃烧的影响，优点是燃烧比较可靠，但缺点也比较突出，需要携带放电工质气体，必然会使得结构更加复杂且增大发动机的重量。

通过分析超燃冲压发动机的碳氢燃料点火助燃本身的需求，以及对国内外各类解决方案的研究进展，认为等离子体对碳氢燃料的点火助燃具有广阔前景，值得深入研究。

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Progress of Plasma Enhancing Supersonic Combustion

YANG Yin-Jun，DOU Zhi-Guo，DUAN Li-Wei
(State Key Laboratory of Laser Propulsion and Application,The Institute of Equipment,Beijing 101416,China)

Supersonic ignition and combustion is a key technology in scramjet research.This paper has summarized the research progress of plasma ignition and combustion with the hydrocarbon fuel at home and abroad,listed a great amount of experimental and numerical simulations carried out in abroad by nonuniform electrical discharges and plasma torch,so that China's research workers could carry out international cooperation and academic exchanges with international counterparts.

plasma； ignition； supersonic combustion

V43

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2013.03.007

1002－6673 （2013） 03－015－03

2013-03-21

杨银军 （1988-），男，四川巴中人，在读硕士研究生。研究方向：航空宇航科学与技术。