模拟过载条件下燃烧室凝相颗粒形态参数试验研究①

白彦军，许团委，刘 洋

(1.中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025；2.西北工业大学 航天学院，西安 710072)

模拟过载条件下燃烧室凝相颗粒形态参数试验研究①

白彦军1，许团委1，刘 洋2

(1.中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025；2.西北工业大学 航天学院，西安 710072)

通过地面模拟过载粒子收集试验装置，完成了推进剂在3种不同压强工况下的粒子收集试验，初步获得了粒度分布特性、微观形貌特性及成分分布等形态参数。研究结果表明，粒子中径分布明显高于非过载状态，5.6～11.5 MPa范围内，d(0.5)主要分布在120～190 μm之间。同时，针对某飞行试验发动机残骸故障处残留凝相粒子进行了收集与分析，并与地面同种压强状态下粒子形态参数进行了对比，两者分布较为一致，均呈双峰分布，粒子d(0.5)约为100～130 μm。

模拟过载；固体火箭发动机；燃烧产物；凝相颗粒形态参数

0 引言

导弹的高机动性对固体火箭发动机工作安全性带来了巨大影响，大多固体推进剂含金属铝粉，含量可达18%以上。铝粉的加入使固体发动机的燃烧和流动过程变得异常复杂，铝粉在燃烧过程中会形成大量的Al2O3颗粒，对于铝粉含量18%的推进剂，凝相颗粒Al2O3生成量高达约35%。燃烧室内粒子流运动过程中，会发生颗粒间碰撞、聚合和破碎的现象，碰撞频率与颗粒聚集程度有直接关系[1]。新一代战术导弹发动机一般会承受复杂的过载情形，过载对燃烧室内Al2O3颗粒最直接的影响就是增加颗粒聚集程度，改变粒子运动轨迹，使颗粒间碰撞、聚合和破碎概率大大增加，形成复杂的局部高浓度粒子流[2-3]。这种聚集现象虽然发生在局部，但会加剧绝热层烧蚀、影响推进剂燃速、诱导不稳定燃烧、增加推进剂燃烧产物凝相沉积量等。因此，有必要开展地面模拟过载状态下发动机燃烧室内凝相颗粒形态参数试验研究，为提高发动机推进剂热力计算和两相流计算精度提供可靠数据，为发动机设计和推进剂性能改善提供重要参考数据。

目前，国内外对非聚集状态下燃烧室内颗粒形态参数测量已开展了较多研究[4]。然而，系统针对过载状态下的颗粒粒度分布研究鲜有报道。国外采用类似O′Rourke的液滴碰撞模型，对变截面流动通道内的两相流动过程进行了数值模拟[5]。结果表明，流动通道面积的变化，可直接导致颗粒粒径的变化。国内从宏观研究上，针对聚集状态粒子特性分析提出了3种分析方法[6]：(1)聚集下粒子收集分析法，本质是通过改变收敛段通道面积模拟粒子聚集环境，以研究粒径分布规律；(2)基于飞行试验发动机残骸的粒子收集与分析法，以获取飞行环境下燃烧产物中颗粒粒度分布规律；(3)基于飞行试验发动机故障位置反算分析法，主要开展不同颗粒粒度分布参数下的过载流场反算。

综上所述，尽管研究者针对燃烧室内凝相颗粒粒度分布规律已开展了大量研究工作。但由于在试验方法、试验设备、粒度分析方法上存在的差异，导致聚集因素对粒径变化的影响规律仍不清楚，以致绝热层烧蚀计算时，仍缺乏关键输入数据。颗粒聚集在发动机内部是一种局部状态，常规方法很难对其进行测量，文中利用收缩管使颗粒流聚集形成高浓度颗粒流的试验方法进行粒子收集。针对某常用复合推进剂，开展了不同工作压强下的粒子收集试验，获得了不同聚集状态下的凝相燃烧产物，相继利用粒度分析仪、X射线粉末衍射仪、扫描电镜等，对凝相燃烧产物进行了分析。此外，针对某飞行发动机残骸局部残留的粒子进行了收集分析，并与地面同种压强状态下粒子特性参数进行了对比，分布较一致。

1 凝相燃烧产物收集试验原理及装置

聚集状态颗粒收集原理如图 1所示，该试验装置由燃烧室、收敛段、试验段、喷管和收集腔组成。收集腔入口正对颗粒流，聚集状态的颗粒流在惯性作用下直接进入盛有冷却介质的收集腔，颗粒进入后，瞬间被冻结，保持了在燃烧室中的颗粒聚集几何形态；而燃气则经过试验段的转折从喷管流出。

2 颗粒收集试验及数据分析

2.1 颗粒收集试验

采用HTPB复合推进剂，含铝量为17.5%，燃气温度约3500 K，药柱直径为φ62 mm，端面燃烧形式。本次共完成了5发试验，其中试验1与试验2均存在一定程度漏气，导致工作压强过低，判定为异常。试验3～试验5发动机工作正常，粒子收集过程规范，样本筛选有效，后续粒子形态分析工作正基于此开展，试验状态参数如表1所示。

表1 粒子收集试验结果统计

2.2 试验结果分析

2.2.1 粒子形貌分析

运用扫描电镜对收集到的不同工况样本开展形态分析，以掌握凝相颗粒的具体形态及颗粒间相互作用的具体方式，由于扫描电镜照片数量较大，而各次试验的分析结果相差不大，因此只给出了几种典型的形貌图片。如图 2～图 4所示，展示了试验3、4、5样本不同区域的扫描电镜照片。其中，图(a)～(d)为不同颗粒在不同放大倍数下的电镜照片。

(1)试验3

图 2为试验3样本不同区域的扫描电镜照片，图2(a)中的颗粒均出现破碎，产生尖锐棱角形态，基本没有圆整球形颗粒存在，图2(b)中的大颗粒约为132.7 μm，图2(c)是针对图2(b)中颗粒132.7 μm的放大图，在其表面粘结、镶嵌及聚合了许多小粒子，最大粒子直径为30.2 μm，图2(d)中的大颗粒约为65.3 μm，在其表面出现了明显的球形凹坑，这可能是由小颗粒的撞击所致。

(2)试验4

图 3为试验4样本不同区域的扫描电镜照片，图3(a)和(b)中的颗粒部分出现破碎，产生尖锐棱角形态，在破碎的颗粒内部含有小尺寸颗粒，最大颗粒分别约为588 μm和600 μm，图(c)中的大颗粒约为116.3 μm，图3(d)是针对图3(c)中颗粒116.3 μm的放大图，在其表面出现了开裂现象。

(3)试验5

图 4为试验5样本不同区域的扫描电镜照片，图4(a)中单个最大颗粒约为263 μm，图4(b)是针对图4(a)中颗粒263 μm的放大图，表面较粗糙，色泽暗淡呈灰色。

从图 2～图 4中可看出，颗粒群是典型的多尺寸分布，小粒子呈规则球形，且表面较光滑，大颗粒也基本呈球形，但不够规则，表面粗糙，一般由多个小颗粒聚集粘附而形成，且很多大颗粒上还嵌有若干个细颗粒。分析认为，颗粒在进入冷却介质时，由于相变引起的热应力并未对其造成破坏。从颗粒颜色上来看，小粒子一般呈白色居多，而大颗粒表面一般为黑色或灰色。

试验用推进剂原始铝粉级配为Q1(即29 μm)，经过燃烧、流动、碰撞、聚合之后，存在小于29 μm与大于29 μm尺度的粒子，由于推进剂燃烧温度(2800～3800 K)高于Al2O3的熔点温度(2327 K)，而低于其沸点温度(3800 K)，这初步说明推进剂的燃烧温度足以让粒子熔化，处于熔融状态的粒子在燃烧过程中会蒸发生成更小的粒子，在流动过程中会发生碰撞、聚合生成更大的粒子。由此表明，聚集条件下颗粒的形貌更加复杂多样，颗粒之间碰撞概率及碰撞聚合作用更加剧烈，凝相颗粒的碰撞会对颗粒的形貌及粒度分布产生影响。

2.2.2 粒子粒度分布分析

对收集的不同工况粒子样本开展了粒度分布测量，鉴于收集到的粒子凝聚现象十分明显，残渣中出现了很多毫米级大粒径粒子，对测量结果产生较大影响。因此，对凝相燃烧产物进行过筛处理，选取了40目(网格宽425 μm)的筛子，只对通过筛子的小粒径粒子进行粒度分析。

表2给出了粒子平均直径不同种表征参数对比。结合图 5可看出，最小粒径均小于l μm，最大粒径均超过900 μm，所有试验样本的颗粒体积平均直径均大于160 μm。高压与低压条件下，粒子直径均趋大，压强大小对粒度分布的影响规律暂不明确，后续将开展更细化的压强因素影响试验分析。

本文使用的推进剂铝粉含量为17.5%，图 7为基于等动力试验装置、17%含铝推进剂下燃烧产物凝相粒子的粒度分布曲线[7]，基本呈单峰分布。试验4工作压强与该状态较接近，表 3为试验4与等动力试验结果粒度关键分布关数的具体对比。可看出，聚集状态下粒径分布参数显著大于等动力试验条件下，进而表明受过载影响，燃烧室凝相粒子分布发生了较大改变，产生大直径颗粒概率增大。因此，在进行过载流场计算时，粒径变化对绝热层烧蚀影响不容忽视。分析认为，小直径颗粒群随流行较好，易随燃气流出喷管，对绝热层烧蚀影响较小；大直径颗粒群随流行较差，飞行中承载方向或量值变化时，颗粒运动轨迹难以及时改变，易与绝热层发生局部碰撞或粘附，增大局部热增量与剥蚀效应，会加剧绝热层烧蚀。

表2 燃烧产物凝相粒子平均直径统计

试验类型压强/MPad43/μmd32/μmd(0.1)/μmd(0.5)/μmd(0.9)/μm聚集7.35161.8633.0615.79104.53397.04非聚集6.2295.252.4118.0263.97

2.2.3 粒子成分分析

颗粒成分分析采用日本理学公司D/MAX-2400型X射线粉末衍射仪。X射线粉末衍射仪(XRD)又叫X射线多晶衍射仪，主要用来分析多晶聚集态结构。可针对颗粒的物质种类进行分析，继而给出燃烧产物中凝相颗粒的物质构成。

3种试验工况下，样本颗粒衍射分析结果如表 4所示，图 8给出了试验4样本X射线粉末衍射分析曲线。可看出，各次试验的颗粒成分均有所不同，但都含有Al2O3和单质铝。部分试验中，还含有单质碳或碳的化合物，与颗粒为灰黑色的结果相符。成分中含有氮化物，这可能与空气成分中有N2有关，铝在燃烧过程中，与氮气发生反应，从而生成了氮化物。从表4中可看出，颗粒成分主要成分是铝的氧化物及单质铝，同时还夹杂有其他杂质(C、CaCO3、SiO2等)。

表4 颗粒成分分析结果

3 飞行试验下粒子特性分析

针对某固体发动机飞行过载下燃烧室后封头局部残留的颗粒进行了收集，并开展了粒子特性参数分析，如图 9所示，呈现显著的双峰分布，粒径主要分布范围为8～562 μm，第一峰值75.4 μm，第二峰值106.4 μm。粒度分布数据表明，其中表面积平均粒径d32=34 μm，体积平均粒径d43=184 μm,特征直径d(0.1)=17 μm、d(0.5)=127 μm与d(0.9)=432 μm。

4 结论

(1)文中采用的聚集下凝相粒子收集试验装置可近似模拟过载条件下固体发动机燃烧室的工作状态，基本能获得全面、可信的凝相粒子分布数据。

(2)颗粒群基本呈典型的多尺寸分布，小粒子呈规则球形，且表面较光滑，大颗粒也基本呈球形，但不够规则，表面粗糙，一般由多个小颗粒聚集粘附而形成，而且很多大颗粒上还嵌有若干个细小颗粒。

(3)针对收集到的样本进行40目筛网过滤，将过滤后的粒子做粒度分布分析，粒度总体上呈单峰分布的规律。粒子中径分布明显高于非过载状态，5.6～11.5 MPa范围内，d(0.5)主要分布在120～190 μm之间。

(4)针对某飞行试验发动机残骸故障处残留凝相粒子进行了收集与分析，并与地面同种压强状态下粒子特性参数进行了对比，两者分布较为一致，均呈双峰分布，粒子d(0.5)约为100～130 μm。

[1] 李江，何国强，陈剑，等．高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究(II)收缩管聚集法[J].推进技术，2004，25(3):196-198.

[2] 刘洋，何国强，李江，等.聚集状态下凝相颗粒的收集与测量[J].推进技术, 2005，26(3):447-480.

[3] 李江，娄永春，刘洋，等.聚集状态对固体火箭发动机颗粒粒度分布的影响[J].固体火箭技术, 2005，28(4):265-267.

[4] 张胜敏，胡春波，徐义华．固体火箭发动机燃烧室凝相颗粒燃烧特性分析[J].固体火箭技术，2010，33(3):256-259.

[5] Averin V S， Arkhipov V A， Vasenin I M，et al． Effect of a sudden change in cross-sectional area of the solid rocket motor duct on coagulation of condensed particles[J〗． Combustion，Explosion，and Shock Waves，2003，39( 3):316-322．

[6] 田维平，许团委，王建儒. 过载下燃烧室粒子特性与绝热层烧蚀研究进展[J].固体火箭技术，2015,38(1):30-36.

[7] 许宏涛，陈林泉. 固体火箭发动机燃烧室内粒子取样方法研究[D].航天动力技术研究院，2007.

(编辑：崔贤彬)

Parameters of combustor condensed phase particles form analysis for overload simulation test

BAI Yan-jun1, XU Tuan-wei1，LI Yang2

(1.The 41st Institute of the Fourth Academy of CASC,Xi'an 710025,China；2.College of Astronautics,Northwestern Polytechnic University,Xi'an 710072,China)

Complete the propellant particles collection test under three different working conditions through the overload ground simulation particles collection device,preliminarily obtain the form parameters of particles size distribution,micro topography and composition distribution.Result indicate that particles diameter distribution is obviously higher than non-overload condition,d(0.5)particles are distributed mainly from 120 μm to 190 μm when pressure within 5.6 MPa to 11.5 MPa.Meanwhile,collect and analysis the residual condensed phase particle at the fault point of a flight experiment motor wreckage,compare the results with the particle form parameters under the same pressure condition on the ground,the results coincidently show the diauxie curve distributions,d(0.5)particles are nearly from 100 μm to 130 μm.

overload simulation;solid rocket motor;combustion products;condensed phase particles form parameters

2016-07-15；

2016-08-10。

白彦军(1977—)，男，研究员，主要从事固体运载火箭发动机总体设计研究。E-mail：xutuanwei525@163.com

V435

A

1006-2793(2017)04-0409-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.04.002