推进剂入口压力响应时间对发动机起动过程的影响

王 迪，聂万胜，王 辉，石天一，安红辉

(1.装备学院 研究生院,北京 101416； 2.装备学院 航天装备系,北京 101416)

推进剂入口压力响应时间对发动机起动过程的影响

王 迪1，聂万胜2，王 辉2，石天一2，安红辉1

(1.装备学院 研究生院,北京 101416； 2.装备学院 航天装备系,北京 101416)

针对自主设计的气氧/煤油单喷嘴模型发动机，对煤油入口压力响应时间与起动过程点火时序设置进行了研究，以实现发动机安全平稳起动，作为后期液体火箭发动机高频燃烧不稳定性研究的准备。设置不同工况进行发动机热试车，获得了煤油入口压力、氧主入口压力、推力室总压，以及静压与时间的关系，用高分辨率高像素监控系统实时采集图像。基于试验数据分析了试验平稳起动和爆燃产生的原因。结果表明：点火时机对发动机起动过程有显著影响，错误的点火时机可导致极端不稳定燃烧出现；煤油入口压力响应时间影响发动机的起动过程，点火时序设置由煤油入口压力达到最小值的时刻决定；点火时刻处于氧主的稳定流动段。所得结果为后期燃烧不稳定研究提供了基础。

模型发动机； 煤油入口压力响应时间； 氧主入口压力； 推力室总压； 点火时序； 模拟试验； 爆燃； 发动机起动

0 引言

高频燃烧不稳定性是液体火箭发动机研究的技术瓶颈。它是由燃烧过程和声学振荡耦合的结果，也称声学不稳定性，振荡频率通常大于1 000 Hz[1]。国外研究机构对高频燃烧不稳定进行了大量研究[2-3]。由于液体火箭发动机正常工作在高温高压(分别大于3 500 K，大于15 MPa)条件下，全尺寸发动机热试车风险大、成本昂贵，因此寻找和发展各种低压缩尺模拟试验方法受到了广泛关注[4]。但燃烧不稳定问题涉及流体力学、燃烧学、热力学和声学等多个学科领域，属复杂的物理化学过程。

发动机的起动过程、推进系统流量的波动等都会引起液体火箭发动机燃烧室内流场参数的扰动，这些扰动与燃烧室内推进剂雾化、蒸发、混合等过程耦合时，极有可能激发燃烧不稳定，甚至是高频燃烧不稳定性[5]。因此，研究高频燃烧不稳定性的前提是发动机平稳起动。起动过程的成功与否直接关系发动机能否正常运行。已有的液体火箭发动机研制经验表明：在起动过程中，因发动机受控制推进剂管路电磁阀的响应时间影响，其参数(如供应管路中推进剂的压力，推进剂流量，推进剂入口压力响应时间，燃烧室压力，推力等)均会发生急剧变化，导致出现很高的压力峰，引起试验系统和发动机部件破坏，无法进行下一步的热试车试验，因此结合实际研究成本与风险对缩尺发动机的起动过程进行深入探索，以揭示其规律对后续阐明燃烧不稳定性机理有其重要意义。文献[6]指出了全流量补燃循环试验发动机起动过程的特点和难点，建立了管路模块、阀门模块、声速喷嘴模块、燃烧室模块等相应的动态数学模型，并提出了可行的起动方案。文献[7-10]分析了液体火箭发动机的起动过程，用C++，Simlink，ROCETS，Matlab等软件通过元件模块化进行仿真计算，得出控制阀门开启时间、起动速率、推进剂流量和推力室压力能有效判定发动机起动过程的规律，考虑了各阀门的打开时序对起动过程的影响，但未考虑系统本身因推进剂产生的压力对发动机起动是否产生波动的影响。文献[11]通过对富氧补燃循环、自身起动发动机的仿真研究，得出预燃室燃料流量、点火时间，以及燃烧室建压时间的合理选取利于发动机稳定的结论，文中是针对有预燃室的补燃循环发动机进行仿真研究，给出的结论中忽略了燃料入口压力对起动过程的影响。上述文献主要集中于建立专用的数学模型，采用动态过程仿真形式进行研究，并未详细阐述这些参数与点火时序设置间的关系及相关试验现象。另外，由于仿真研究无法完全考虑实际系统中各部分管路充填、阀门开启延迟时间、水击、瞬态两相流传热等复杂的工作过程，简化后的仿真结果不完全适于真实实验。

基于此，本文用自主设计的气氧/煤油单喷嘴模型火箭发动机对多种工况不同点火时序进行了热试车试验，测量了模型燃烧室的推力室总压、氧气和煤油入口压力响应时间等参数，分析和研究了煤油入口压力响应时间对发动机起动过程点火时序设置的影响。

1 试验系统

本文采用基于瑞利相似准则设计的气氧/煤油单喷嘴模型火箭发动机进行缩比试验，满足单喷嘴模型燃烧室的纵向振型与全尺寸发动机最易出现燃烧不稳定的切向固有频率相等的条件。本试验的目的是为进行高频燃烧不稳定性试验做前期准备工作，保证试验在起动过程平稳、顺利；若出现故障，及时排查原因调整试验方案，准确捕捉试验中可能出现的燃烧不稳定现象。试验装置为气氧煤油单喷嘴模型火箭发动机，由火炬点火器、喷注器、主燃室和水冷喷管组成，如图1所示。氢氧火炬点火器用于提供模型燃烧室点火能量，采用火花塞放电点燃混合气的形式。水冷喷管采用双圆弧设计。该模型发动机主要技术参数为：喷嘴1个；推进剂组合为氧气、煤油；氧喷嘴直径5.5 mm；煤油喷嘴直径9 mm；燃烧室设计压力2.5 MPa；燃烧室长度505 mm；燃烧室直径50 mm；喷管喉部直径16.4 mm。试验工质供应系统包括4个分系统：氧气供应分系统、煤油供应分系统、氢气供应分系统和氮气供应分系统，其中氧气供应分系统分别提供主燃室和火炬点火器所需氧气(以下简称氧主和氧点)。点火时序设置如图2所示，工况设置参数见表1。

试验工况总质量流量/(g·s-1)氧气质量流量/(g·s-1)油质量流量/(g·s-1)混合比118010080125220010010010032401401001404390230160144

2 结果与讨论

2.1实验结果

在4种工况发动机试验中，工况1～3均正常起动，未出现极端不稳定燃烧过程，燃烧室压力稳定建立，工况4发生爆炸，并对试验系统造成严重破坏，其过程如图3所示。

观察发现在开始爆炸时，形成的高压燃气团反向冲击推力室及氧主供应管路，由于试验所用软管耐压能力很高，但抗拉伸能力较弱，导致强大的燃气流将氧主管路“拉断”， 火焰“回收”至推力室内，此时氧气和煤油阀门尚未关闭，一部分继续喷入推力室，一部分反冲至氧主供给管路，已经形成的高温燃气引燃煤油，释放能量，燃烧至推进剂消耗结束为止。

2.2爆炸原因分析

4种工况下氧气入口、煤油喷前压力和推力室总压(图中虚线代表燃烧室实际点火开始时刻)随时间的变化如图4所示。

由图4可知：供应管路都存在一定的填充时间，4种工况的氧气填充时间基本一致，而工况 4煤油的填充时间明显少于其他工况，其原因一是煤油管路缩短导致；二是煤油质量流量偏大，导致集聚在软管中的燃料过多，阀门开启后在煤油喷前压力的作用下迅速充满推力室。

工况1～3的燃烧室内点火时间都在煤油填充完之前，而工况 4的点火在煤油填充完成2 s后。此处，本文定义煤油入口压力响应时间为开始打开电磁截止阀到煤油充入推力室的时间，即煤油入口压力下降开始至煤油压力上升至平稳数值为止。则可认为：工况 4点火前燃烧室内集聚大量煤油，在富氧条件下点火时形成爆炸。图4中氧喷前压力在点火前出现明显升高，说明发生爆燃后形成的冲击波瞬间堵塞了推力室出口，也进一步表明大量煤油的存在导致氧的喷前压力升高。由于4种工况中，点火时刻均发生在氧主入口压力达到平稳状态后，说明发动机起动过程出现的爆炸与氧主入口压力无明显关联，因此只需保证点火时刻处于其稳定阶段即可。

综上所述，为实现稳定起动，必须依据供应系统响应时间设定合适的点火时机。通过对比可知：点火时间应在煤油填充完之前，即煤油入口压力响应时间完成前。为验证分析结果的可行性，实验中对时序进行了调整，如图5所示，点火时间在煤油充填结束前0.5 s(依据上述实验阀门开启时间与煤油充填管路时间确定)。

试验时序调整后，分别进行了氧气质量流量100 g/s、煤油质量流量100 g/s；氧气质量流量230 g/s、煤油质量流量100 g/s两个试验，结果如图6所示。

图6中黑色虚线位置为调整后点火时间，在煤油入口压力响应时间结束前，可发现：点火后推力室压力稳定建立，未出现爆炸现象，验证了之前的结论。

综合上述实验结果可确定发动机稳定起动过程的时机，获得良好的发动机起动特性，为设计和实验提供可靠的理论依据，同时采用缩尺模型发动机也节省了大量的人力和成本支出，保证了后续研究燃烧不稳定性的进程。

3 结论

本文通过试验研究了缩比模型发动机中煤油入口压力响应时间与起动过程点火时序的关系，得到如下结论：一是点火时机对发动机起动过程有显著影响，错误的点火时机会导致极端不稳定燃烧的出现。二是在煤油入口压力平稳时点火(即煤油入口压力响应时间结束后点火)，会导致煤油集聚在管路中过多，打开阀门瞬间填满整个推力室，遇氧气即刻燃烧，更容易激发不稳定，严重时可发生爆燃，损坏试验系统部件；发动机起动点火时刻处于氧主入口压力的稳定段。三是在煤油入口压力开始上升前(即煤油入口压力响应时间范围内)点火，燃烧室压力稳定建立，未出现爆炸。

点火时刻的正确选择可保证发动机实现稳定点火，为完成整个燃烧过程提供前期基础，防止因起动问题影响发动机系统，同时也保证了后续研究燃烧不稳定的进程。

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InfluenceofInletPressureResponseTimeonEngineStartingProcess

WANG Di1， NIE Wan-sheng2， WANG Hui2， SHI Tian-yi2， AN Hong-hui1

(1. Department of Postgraduate, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

For gas oxygen/kerosene single nozzle design model of the engine, the kerosene entrance pressure response on timing setting time and starting process of ignition was researched to realize the safe and smooth starting of the engine in this paper, which could be served as the preparation for the fucture study. By carrying out the different working conditions of engine hot test, the kerosene entrance pressure, oxygen pressure of the main entrance, thrust chamber total pressure and the relationship between pressure and time were obtained. The pictures were sampled by using high pixel monitoring system for real-time image acquisition. According to the test data, the test start smoothly and exploding generated were analyzed. The results show that the entrance pressure response time of kerosene engine starting process has obvious influence on the starting process. The ignition timing is set by the kerosene entrance pressure reaching the minimum value of the moment decision. The ignition time shall be in steady flow oxygen of the lord. The study has provided a solid base for the study of combustion stability in the future.

model engine; pressure response time of kerosene inlet; oxygen inlet pressure; thrust chamber pressure; ignition timing; simulation test; explosion; engine starting

1006-1630(2017)05-0083-05

2017-04-26；

2017-06-24

国家自然科学基金资助(91441123)

王 迪(1991—)，女，硕士生，主要研究方向为液体火箭发动机推进理论与技术。

聂万胜(1969—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为液体火箭发动机推进理论与技术。

V434

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.05.013