含硼推进剂固冲发动机补燃室内凝聚相燃烧产物特性试验研究①

王云霞，刘 宇，陈林泉，王增辉，张胜勇

(1.中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025;2.西安交通大学 材料科学与工程学院，西安 710048)

0 引言

随着冲压发动机技术的发展，固体贫氧推进剂应运而生。为适应新一代导弹技术的要求，固体火箭冲压发动机用贫氧推进剂将向高能化方向发展［1］。硼以其高的质量热值和容积热值被认为是固体贫氧推进剂的最佳燃料。由于硼粒子的燃烧效率低，固冲补燃室充斥着大量硼及其氧化物等凝聚相粒子，在补燃室的二次掺混燃烧过程中，颗粒的大小和成分对二次燃烧效率影响较大，这直接影响着发动机效率的提高，另外，两相流损失与燃气中凝聚相产物的浓度和颗粒的大小有直接关系［2］。因此，研究凝聚相产物的理化特性与粒度分布规律对研究硼颗粒的点火燃烧特性、提高硼的燃烧效率具有重要意义。

目前，国内外学者针对固体火箭发动机、固体燃料冲压发动机及超燃冲压发动机中的燃气采集已经开展了大量的研究工作［3－9］，本文提出了一种固冲发动机补燃室内凝聚相燃烧产物的取样方法，并设计了取样装置，对含硼推进剂固冲发动机中间燃烧产物的采集与分析进行深入研究，通过地面直连式试验收集凝聚相燃烧产物，分析了发动机补燃室长度、补燃室径向位置对燃烧产物特性的影响。

1 试验系统及试验方案

1.1 试验系统

针对固冲发动机补燃室高温环境特征和补燃室结构特点，设计了图1所示的水冷探针取样装置，并用该装置收集发动机补燃室凝聚相燃烧产物，研究高温下补燃室燃气凝相组分的特性。

图1 水冷探针取样装置Fig.1 Water cooled probe sampling system

水冷探针取样装置主要包括水冷取样探针、取样段、冷却水系统等。试验时，将取样段安装在补燃室出口(发动机喷管入口)位置处，并将水冷探针垂直安装在取样段壁面上，取样探针上的转接头与冷却水管相连，安装时注意保证取样槽正对来流方向。图2为水冷探针取样直连式试验系统。

图2 水冷探针取样直连式试验系统置Fig.2 Direct-connected test system

其基本思想是取样探针在冷却水系统作用下，一方面使取样探针在高温补燃室环境中保持较低的温度，不至于变形或损坏;另一方面，冷却高温凝聚相燃烧产物，中止产物间化学反应、防止失去产物的原有信息，真实重现补燃室内粒子特性。

水冷探针取样装置的工作原理:试验开始前，开启冷却水系统，发动机工作时，高温凝聚相燃烧产物遇到温度较低的水冷探针迅速熄灭、凝结、热沉冷却。至此，补燃室高速气流中的凝相燃烧产物在取样槽中沉积并凝结。

1.2 试验方案

影响固体火箭冲压发动机补燃室凝聚相燃烧产物特性的因素很多，由于导弹的飞行包络已经决定了发动机的主要参数，如补燃室压强和空燃比等，所以本文仅考虑发动机结构对凝聚相燃烧产物的影响。根据固冲发动机不同补燃室长度和径向位置，制定凝聚相燃烧产物收集实验方案，实验工况见表1。

表1 试验状态及来流条件Table 1 Experimental case and flow condition

为研究发动机补燃室径向位置对产物特性的影响，采用图3所示的标记，将取样探针平均分成3段。将工况1的3个样品分别记为1-1-1、1-1-2、1-1-3，工况2的3个样品分别记为1-2-1、1-2-2、1-2-3。

图3 样本标记Fig.3 Sample mark method

2 试验结果及分析

燃烧产物收集状态如图4所示。由图4可明显看出，补燃室内燃烧产物被成功收集在取样探针上，收集的产物约重0.1 g。产物收集完后，取样装置完好无损，说明该取样装置用于固冲发动机高温高压补燃室的燃烧产物收集是完全可行的。

凝聚相燃烧产物的外观形貌、粒度分布、成分结构是开展粒子特性研究的基本参数。推进剂燃烧后形成的凝聚相燃烧产物直径一般在微米级，属于微观范畴。本文采用高精度的现代仪器分析手段，研究凝聚相燃烧产物的燃烧特性和粒度分布。分析流程如图5所示。

图4 燃烧产物收集状态实物图Fig.4 Sample status of combustion products

图5 凝聚相燃烧产物分析流程Fig.5 Analysis flow chart of condensed combustion products

2.1 产物形貌特性

图6为收集到的样品。从图6可看出，从补燃室中收集到的凝聚相燃烧产物呈黑色，且燃烧产物残渣结块很严重。

图6 收集的样品Fig.6 Sample collected from test

采用FEI公司研制的Quanta-600FEG型场发射扫描电镜(SEM)，对凝聚相燃烧产物的形貌进行分析。图7展示了同一颗粒样本不同区域的电镜扫描照片。从图7可发现，样品呈无规则状，表面棱角多、不光滑，大部分颗粒呈片状，大颗粒上吸附着不规则的小颗粒，表面存在较多缺陷和位错，且产物中含有少量形状很规则的球状颗粒。这些球状颗粒是硼燃烧后的产物B2O3，其熔点较低，在燃气中是液态，由于液体的表面张力而成球状，因此，在产物收集的过程中被冷却，就形成了形状很规则的球状颗粒。

2.2 产物成分特性

高温下被加热后的硼粒子易发生团聚，为研究凝聚相燃烧产物的化学成分，先研磨成粉，再采用扫描电镜联用X射线色散能谱仪(EDS)对样品进行分析，获知样品中所含元素及其质量和原子百分含量，如图8和表2所示。

图7 凝聚相燃烧产物电镜扫描照片Fig.7 SEM photograph of sample

图8 能谱测试结果Fig.8 Testing result of EDS

由能谱分析结果可知，凝聚相燃烧产物成分非常复杂，含C量高是其突出的特点，至于除B、C和O以外的其他元素，含量很低，属于微量杂质。

在EDS分析的基础上，采用X射线粉末衍射仪(XRD)分析样品的物相构成。图9为样品的衍射图谱，上侧为样品衍射强度，下侧为分析出来的物相的标准衍射峰，图9中右下角为分析出来的物相的PDF编号及物相的名称。可看出，样品的主要成分为B2O3，此外，还检测出了少量的 B13C2、MgO2、Fe3O4和 Ti2O3。

表2 能谱分析结果Table 2 Analysis result of EDS

图9 样品的衍射图谱Fig.9 XRD spectrum of sample

2.3 粒度分布特性

由于测量的样品颗粒在采集时发生沉积，在沉积过程中颗粒之间会发生团聚现象，导致测量的粒径偏大。为消除这一现象对粒度分析造成的影响，对样品颗粒采用超声波打散后，再进行粒度测量。超声波只能打散那些吸附和团聚在一起的粒子，不会破坏融在一起或粘接在一起的粒子。因此，超声波打散后测量的粒径能够反映颗粒样品真实的粒度分布。本文采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪，对收集到的凝相燃烧产物进行了粒径大小和分布的测定。

2.3.1 补燃室长度对粒度分布特性的影响

针对2个试验工况，对比发动机补燃室出口水冷探针相应位置的粒度分布情况，如图10所示。由图10可发现，不同补燃室长度的2发试验的粒度测试结果具有相同的特征，即凝聚相燃烧产物的粒度均呈典型的三峰分布。颗粒分布较均匀，一致性良好，呈多尺度分布，粒度分布均在 0.03 ～100 μm，主要集中在 0.3 ～40 μm。

进一步观察发现，随发动机补燃室长度增加，燃烧产物的粒度分布有向主峰靠拢的趋势，大粒度峰(约4 μm)和小粒度峰(约0.15 μm)都有增强的现象。

图10 粒度分布对比Fig.10 Comparison curves of granularity distribution

2.3.2 补燃室径向位置对粒度分布特性的影响

为研究补燃室径向位置对粒度分布的影响，对比两取样装置相应位置产物的累积粒度分布曲线，如图11所示。从图11可看出，粒度随发动机径向位置的变化不明显。仔细观察发现，粒度先明显减小，后略微增大。

图11 累计粒度分布对比Fig.11 Comparison curves of granularity distribution

分析认为，由于试验发动机采用旁侧进气，两进气道成90°夹角，取样探针安装在两进气道中间位置。所以，从中心轴线到壁面的径向变化过程中，补燃室氧气含量逐渐增大，硼与空气的掺混燃烧逐渐增强，使得粒度明显减小。随后，由于粒子在壁面碰撞反弹等因素的作用，导致粒度略微增大。

3 结论

(1)含硼推进剂固冲发动机补燃室内凝聚相燃烧产物呈黑色，且燃烧产物结块很严重。电镜扫描照片显示，凝聚相产物的形态呈无规则状，大部分颗粒呈片状，只含有少量形状很规则的球状颗粒。

(2)凝聚相产物成分非常复杂，除B、O和C这些主要元素以外，还含有微量杂质。另外，XRD检测结果显示，产物的主要成分为B2O3。

(3)得到了产物粒径的分布规律及其分别与发动机补燃室长度和径向位置的关系。凝聚相产物的粒度呈多尺寸分布，主要集中在0.3～40 μm。随发动机补燃室长度增加，粒度逐渐减小;自发动机中心轴线位置向发动机壁面位置的径向变化过程中，粒度先明显减小，后略微增大。

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