基于凝相燃烧产物分析的固冲发动机补燃室硼燃烧特性研究①

刘道平，夏智勋，胡建新，黄利亚

(1．国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室，长沙 410073;2．国防科技大学航天科学与工程学院，长沙 410073)

0 引言

硼因较高的体积和质量热值，在固冲发动机中具有很好的应用前景，许多学者致力于硼在固冲发动机中的应用研究，取得了很大进展。硼在固冲发动机中的应用研究方面，Bayern Chemie公司的Besser H L等［1］自1970年开始系统研究含硼固体推进剂固冲发动机。Schadow K［2］只有当燃气中的气体燃料与掺混空气中的氧反应使温度升高后，硼颗粒才能补燃。Kubota N和 Miyata K等［3］采用含硼推进剂研究了硼的燃烧效率。结果表明，当使用多端口燃气喷嘴时，硼的燃烧效率可显著提高。Liu Tai-kang和Luh Songping［4］研究了含有无包覆硼颗粒和用 LiF、Viton A 或者硅烷包覆的硼颗粒的推进剂在氮气和空气环境中的燃烧行为。Natan B和 Gany A［5－6］通过数值求解给出了有利于硼颗粒点火和高效燃烧的粒径和喷射速度条件范围。

国内针对含硼富燃推进剂固冲发动机的研究始于20世纪90年代。夏智勋等［7－9］系统研究了进气道、燃气发生器及补燃室结构对发动机性能的影响。陈林泉等［10－11］研究了燃气发生器喷嘴出口布局、形状、硼颗粒粒径等对发动机掺混效果和燃烧效率的影响，对燃气进行取样分析。刘佩进等［12－13］研究了固冲发动机的工作特性和含硼推进剂的燃烧特性。李疏芬［14］、王英红［15］和范红杰等［16］在改善硼的着火燃烧、硼颗粒快速高效燃烧等方面做了大量研究。

本文将采用一套新的硼颗粒燃烧试验系统和凝相燃烧产物取样器对不同的轴向位置的燃烧产物进行取样，在对样品进行物理分析的基础上，采用基于产物成分的局部燃烧效率和完全燃烧效率分析方法，对试验系统不同轴向位置的硼颗粒燃烧特性进行研究。

1 试验

1．1 试验系统

试验系统结构如图1所示，主体部分为一个燃气发生器和一个补燃室，辅助系统包括空气、氧气和乙醇供应系统、硼颗粒供应装置、高速摄影系统、凝相燃烧产物取样器、冷却系统和测控系统等。

图1 试验系统结构示意图Fig．1 diagram of the experimental system

1．1．1 燃气发生器和补燃室

在含硼固冲发动机中，含硼推进剂在燃气发生器中完成一次燃烧，产生含大量硼颗粒的富燃燃气;富燃燃气喷射到补燃室后，与空气进行二次燃烧。含硼推进剂的主要成分是硼颗粒和固体烃基燃料，如HTPB或者DOS等，一次燃烧产物的成分有固体硼颗粒和H2、CO、CO2和H2O等气体成分。补燃室压强一般为0．3～0．5 MPa，温度高于硼的燃点温度，流动马赫数为0．3 ～0．4。

在试验系统中，使用乙醇与纯氧反应产生高温富燃燃气加热硼颗粒，获得与固冲发动机燃气发生器成分接近的富燃燃气。乙醇在纯氧中反应可产生高于3 000 K的高温，可实现对硼颗粒的充分预热。乙醇是液体烃类燃料，在富燃条件下燃烧产物的主要成分也为CO、CO2和H2O等气体，与固体碳氢燃料接近。相对固体燃料而言，其质量流量是很容易通过改变上游压力来调节。与气体燃料相比，还具有安全性好、使用方便等优点。

补燃室采用方形截面设计，方便开窗观察，上下两侧对称地布置空气入口和凝相燃烧产物取样器。试验过程中，压缩空气通过上下两侧的入口进入补燃室与燃气进行掺混燃烧，入口的位置可沿轴向变化。

1．1．2 凝相燃烧产取样器

凝相燃烧产物取样器结构如图2所示。为防止采样杆暴露在热气流中过久被烧坏，在硼颗粒加入到了燃气发生器后才开始取样。取样前，在弹簧的压力作用下，气动活塞和取样杆都处于上端位置(图2(a))。硼颗粒在加入到了燃气发生器后，压缩空气进入采样装置，向下推进气动活塞，将取样杆压入补燃室流场(图2(b))。燃气流中的热硼颗粒撞击到突然压入的取样杆后，被淬灭并冷却，附着在取样杆上。

图2 凝相取样器结构示意图Fig．2 diagram of sampling device

为保证凝相燃烧产物的快速冻结和防止取样杆烧坏，取样结束后，取样杆的温度应当足够低。因此，取样时间不能太长。经传热计算和试验验证，取样杆直径12 mm，取样过程保持1 s左右，可保证取样杆完好，同时收集到足够多的凝相燃烧产物。

1．2 试验过程

试验工况见表1。试验分3组进行，每组重复5次。使用的硼为河北省保定市中普瑞拓有限公司生产的无定形硼，初始粒径为2～5 μm。

表1 试验工况Table 1 Test program

第1组试验中，硼颗粒供应装置中加入2 g硼颗粒，不加流化空气，燃气发生器工作后，燃气进入硼颗粒供应装置，与硼颗粒反应，收集产物作为样品2。第2组试验中，硼颗粒供应装置中加入8 g硼颗粒，燃气发生器工作2s后，硼颗粒被流化空气输送到燃气发生器内加热，随燃气喷射进入补燃室，不加补燃空气，在空气入口处(取样点3)收集凝相产物作为样品3。第3组试验中，在补燃室加入160 g/s空气，并在取样点4、5、6 收集凝相燃烧产物，分别作为样品 4、5、6。试验前后硼颗粒供应装置的质量变化除以供应时间(2 s)作为硼的质量流量。第3组试验中，对燃气发生器压力和补燃室的总压、静压、温度等参数进行了测量，用式(1)计算了流动马赫数(γ=1．33)，结果如表2所示。

表2 试验系统流场参数Table 2 Flow field parameters of the experimental system

由表2可知，试验系统补燃室的总压、静压值和马赫数都接近真实固冲发动机补燃室相关参数值。温度测量位置接近壁面，壁面采用水冷却，温度的值比补燃室中心位置低。由流场参数值可知，该试验系统可为硼颗粒点火和燃烧提供接近真实固冲发动机补燃室的流场条件。

2 结果与分析

2．1X-射线衍射(XRD)结果

对样品进行XRD测试，测试结果如图3所示。样品中的主要晶体物质为B(HO)3，因为试验使用的是无定形硼而非晶体硼，所以没有检测到单质硼。硼和氧反应的最终产物是B2O3，反应方程为4B+3O2→B2O3，但B2O3在空气极易吸收水蒸气，转化为晶体硼酸(B2O3+H2O→2B(HO)3)。因此，样品中的B(HO)3的含量可表征B2O3的含量。

2．2 扫描电镜(SEM)结果

样品的SEM照片如图4所示。样品2中，所有颗粒被粘在一起，颗粒之间的界限很模糊。产生这种形貌的原因可能是因为在第1组试验中，硼颗粒被放置在燃气发生器的富燃燃烧产物中，被高温燃气加热，部分氧化，硼颗粒上覆盖着液态氧化硼，试验结束后，冷却的氧化硼凝结在颗粒表面上或填充在颗粒之间。

图3 X-射线衍射(XRD)谱图Fig．3 X-ray diffraction patterns

图4 场发射扫描电镜(SEM)测试结果Fig．4 SEM photographs

样品4粒径总体比样品3大。在第3组试验中，空气被加入到补燃室，掺混过程会增加颗粒碰撞的概率，从而使颗粒产生结团。在第2组试验中，补燃室没有加补燃空气，颗粒接团现象较轻。

样品5和6的形貌较接近，都有一些鳞状物，其中样品6比样品5多。这是因为硼和氧的反应的最终产物是B2O3，B2O3吸收空气中的水蒸气形成晶体硼酸(B(HO)3)，晶体(B(HO)3)是鳞状的。

2．3 电子衍射谱(EDS)测试结果

样品的EDS分析结果如表3所示。样品中的主要元素是硼、氧和镁。硼元素质量含量从样品1到样品2、3都有所减少，这表明硼在燃气发生器中被部分氧化。

硼和氧的曲线有2个平直段，分别为样品3到样品4和样品5到样品6，这意味着在取样点3到4和5到6之间硼的氧化量很少，而从样品4至样品5，硼含量急剧下降，这意味在取样点4到5之间的距离内硼的氧化量很大。

表3 电子衍射谱(EDS)测试结果Table 3 EDS results %

2．4 物相成分定量分析

XRD测试得到了凝相燃烧产物的晶体结构的物相成分的定性结果，EDS测试得到了各元素的百分含量，但这两种测试未能定量得到物相成分。下面将这2种测试结果结合起来，对凝相燃烧产物的物相成分做定量分析。

无定形硼由镁还原氧化硼得到(B2O3→+3Mg

2B+3MgO)，所以无定形硼粉中会含有少量的MgO，而MgO与空气中的H2O和CO2反应，生成碱式碳酸镁(5MgO+4CO2+6H2→O4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)。因此，样品中除了B、O和Mg外，还有H和C元素，但这2种元素属于轻量元素，而且在样品中含量很低，不能被EDS检测出来。

假设样品中的单质硼(B)、硼酸(B(HO)3)和碱式碳酸镁(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)的含量分别为mB，i、mBA，i和 mMA，i，则 B、O 和 Mg 元素的含量可分别表示为 mB，i+0．174 9mBA，i、0．776 6mBA，i+0．628 1mMA，i和0．247 9 mMA，i。由 EDS 检测到的元素质量含量，可求解出 mB，i、mBA，i和 mMA，i，得到各样品中单质硼、硼酸和碱式碳酸镁的含量。根据B(HO)3的含量mBA，i，还可计算得到生成 B(HO)3所需的硼的量 mB，O，i，计算结果见图5。

在燃气发生器内，一部分硼被氧化;在补燃室出口，还有一部分硼没有消耗完，而碱式碳酸镁的含量基本保持不变。

2．5 燃烧效率讨论

通常燃烧效率通过测量压力来计算，但在本文中，希望能了解固冲发动机中不同位置的局部硼燃烧效率。本文引入了一种基于燃烧产物成分分析的局部燃烧效率计算方法。

图5 样品中单质硼、硼酸和碱式碳酸镁的含量及生成相应硼酸所需的硼量Fig．5 Mass units of B，B(HO)3and 4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O

首先做如下定义:

定义1:取样点i的局部燃烧效率为

定义2:取样点i的燃烧效率为

硼与氧气的反应过程中会产生BO、BO2等气相中间产物，这些中间产物进一步与氧气反应，生成B2O3，硼的热值才会完全释放。有必要了解每个点的硼的完全氧化比例，完全燃烧效率。

定义3:取样点i的局部完全燃烧效率为

定义4:取样点i的完全燃烧效率为

计算结果如图6所示，局部燃烧效率的最低点出现在样品4，表示在取样点3到4之间，硼燃烧最少，这一段距离内，η2，i出现了一个平稳段。这可能是由于样品3取样位置在空气的入口处，而样品4取样位置在进气口下游0．23L处，在这一段距离内高温燃气与补燃室空气进行掺混，气相燃料还没有补燃，温度比较低，硼颗粒不能点火燃烧，硼的燃烧效率较低。局部燃烧效率的峰值点出现在样品5，局部燃烧效率η2，i在样品4到5之间出现明显的上升段，说明在取样点4到5之间，硼的燃烧效率最高。这可能是因为在这一段内，燃气完成了与空气的掺混，气相燃料补燃，温度升高，硼颗粒大量点火燃烧。在取样点5到6之间，η2，i值变化又较平缓，相应的η1，i的值较小，这说明硼的燃烧效率较小。这是因为经过取样点4到5之间的剧烈燃烧反应后，这段距离内的氧气浓度下降，燃烧效率降低。

图6 燃烧效率计算结果Fig．6 Values of η1，i，η2，i，η3，i，and η4，i

完全燃烧成B2O3的硼与消耗的硼的比例随试验系统轴向位置的逐步增加，完全燃烧效率η4，i沿轴向有一定增大。局部完全燃烧效率 η3，i与局部燃烧效率η1，i存在一定的负相关，即当 η1，i处于峰值时，η3，i处于谷值(样品3、4、5和6)。这可能是因为气相中间产物BO、BO2的进一步反应主要与氧气浓度有关，受温度影响较小，而硼的消耗受温度影响较受氧气浓度大。因此，当温度较低时(取样点3到4)，硼点火燃烧较少，氧气浓度较大，η1，i较小，而 η3，i较大;当温度较高时(取样点4 到 5)，硼大量点火燃烧，η1，i较大，BO、BO2大量产生，空气的氧气浓度却没有增大，η3，i较低。在取样点5到6之间，硼消耗较少，BO、BO2的浓度变小。因此，能够充分与氧气反应，硼的完全燃烧效率较高。

3 结论

(1)由XRD测试可定性得到凝相燃烧产物的物相成分，EDS测试可定量得到凝相燃烧产物的元素含量。将这两种测试结果结合起来分析，可得到凝相燃烧产物的物相成分的定量含量。

(2)在燃气发生器中，硼颗粒只有一部分被氧化，大部分的硼在补燃室中燃烧。在补燃室中，在空气入口附近下游区域，硼的燃烧效率最低。在随后区域内，硼燃烧效率达到最高值。

(3)在整个试验系统内不同的轴向位置，完全燃烧的硼与所消耗的硼的比例变化不大。当局部燃烧效率增大时，局部完全燃烧效率减小;当局部燃烧效率减小时，局部完全燃烧效率增大。

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