凝胶自燃推进剂着火及火焰试验

2020-03-02夏益志王勇洪流杨伟东陈宏玉

航空学报 2020年1期

夏益志，王勇，洪流，杨伟东，陈宏玉

西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室，西安 710100

凝胶推进剂作为一种液体推进剂胶凝化形成的新型推进剂，对其燃烧特性的研究是优化发动机设计、提高发动机性能的基础，因而国内外对凝胶推进剂燃烧特性进行了大量研究。在理论研究方面，当前研究主要从单个液滴燃烧过程着手，建立燃烧过程理论模型，比较有代表的有Kunin等提出的基于时间的燃烧模型[1]，Antaki提出的金属化凝胶液滴蒸发燃烧过程的瞬态理论模型[2]，Lee和Law提出的凝胶液滴燃烧模型[3]。在试验研究方面，较为直接的是通过凝胶发动机热试测量比冲、特征速度、燃烧效率等参数，分析喷注类型、结构参数、推进剂物性等因素对凝胶动力系统的影响，如文献[4-7];另一方面是通过激光测试和高速成像技术观察推进剂在燃烧室内的运动及燃烧变化情况，进一步了解推进剂从雾化蒸发、着火燃烧到排放物生成的全过程，如普渡大学在自己建立的双组元凝胶自燃推进剂着火与燃烧光学观测试验系统上观察了凝胶甲基肼/红发烟硝酸的点火与燃烧特性[8-9]，获得了燃烧伪彩图，并和甲基肼/红发烟硝酸燃烧过程进行了对比分析。Varma和Jyoti在单互击式喷嘴燃烧室内采用CCD相机拍摄了凝胶偏二甲肼/红发烟硝酸燃烧室内的喷雾燃烧过程，分析了火焰颜色及金属颗粒的影响[10]。Connell等在大气环境下采用高速摄影拍摄了过氧化氢和凝胶烃类燃料喷雾燃烧的火焰图像，研究了点火延迟的影响因素[11-12]。Kampen等则在可视化加压燃烧室内观察了含铝颗粒凝胶燃料的喷雾和燃烧特性，证实燃烧室压力越高燃烧效率越高[13]。相关的研究还有文献[14]，而国内有关凝胶推进剂燃烧特性的研究目前主要集中在单液滴燃烧[15-18]和发动机热试车[19]上，有关凝胶推进剂，特别是凝胶自燃推进剂喷雾燃烧过程可视化的研究鲜有报道，因而有必要通过光学观测进一步分析凝胶推进剂着火和燃烧的特点，从而指导理论仿真及工程应用。

本文在单喷嘴矩形燃烧室内开展了凝胶一甲基肼(Monomethylhydrazine，MMH)和凝胶四氧化二氮(Nitrogen Tetroxide，NTO)喷雾燃烧过程试验，采用光学诊断技术获取了其着火及稳态燃烧过程的的纹影及火焰自然辐射发光图像，分析了喷嘴类型、燃料射流速度对着火距离、火焰轴向传播速度、火焰夹角、反应距离的影响，为凝胶MMH/NTO动力系统喷嘴设计提供了借鉴与参考。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验装置

试验采用图1所示单喷嘴矩形燃烧室，该燃烧室横截面尺寸为140 mm×120 mm，轴向长度为240 mm，可安装不同结构的单喷注单元，身部带有四面石英玻璃观测窗，可全面观测喷注面及其下游140 mm轴向距离内的雾化图像。试验采用两股互击式喷嘴及三股互击式喷嘴，其中两股互击式喷嘴如图2(a)所示，氧化剂孔孔径为0.4 mm，燃料孔孔径为0.32 mm，喷嘴长径比L/D为5，喷前自由射流长度为5.5 mm，撞击角β为75°、90°、105°；三股互击式喷嘴如图2(b)所示，其中两股燃料撞击一股氧化剂(Fuel-Oxidizer-Fuel，F-O-F)形式的氧化剂孔径d0为0.4 mm，燃料孔径d1为0.23 mm，两股氧化剂撞击一股燃料(Oxidizer-Fuel-Oxidizer, O-F-O)形式的氧化剂孔径d1为0.26 mm，燃料孔径d0为0.32 mm，其他参数和撞击角为90°的两股互击式喷嘴一致。

图1 单喷嘴矩形燃烧室Fig.1 Square combustion chamber with single injector

图2 互击式喷嘴示意图Fig.2 Sketch of impinging injector

1.2 拍摄方法与试验工况

试验首先采用反射式平行光纹影法拍摄凝胶MMH/NTO燃烧条件下的纹影图像，如图3所示。整个系统参考“Z”形布置减小轴外光线成像的影响，其中背景点光源由氙灯(ZOLIX公司生产，功率为500 W)发出的光通过小孔获得，透镜采用两个直径为100 mm的凹透镜，其中一个用于形成平行光照明试验扰动区，另一个将像聚焦到接收装置上，像接收装置采用Phantom V12型黑白高速相机，拍摄时相机速率为5 000 frame/s，图像分辨率为800 pixel×600 pixel，曝光时间为1 μs，通过实际标定，实际尺寸与像素点之比为0.132 mm/pixel。随后关闭背景光源，采用Phantom V640型彩色高速相机直接拍摄了凝胶MMH/NTO燃烧时的火焰自然辐射发光图像，拍摄时相机速率为5 000 frame/s，图像分辨率为1 280 pixel×800 pixel，曝光时间为50 μs，通过实际标定，实际尺寸与像素点之比为0.132 mm/pixel。

图3 纹影光路示意图Fig.3 Sketch of optical setup of schlieren

试验共采用了撞击角为75°、90°、105°的两股互击式喷嘴和O-F-O、F-O-F类型三股互击式喷嘴，单喷嘴的试验工况如表1所示，每次试验点火时间为3 s，稳态燃烧时间为2 s。试验时流量采用科氏力流量计测量，压力通过压力传感器测量，所有测量设备在试验前均经过专业机构鉴定并在有效期内，符合测量要求。

表1 试验工况Table 1 Test conditions

2 试验结果与分析

2.1 凝胶MMH/NTO纹影图像

图4给出了撞击角为90°的两股互击式喷嘴凝胶MMH/NTO着火及稳态燃烧时的纹影图像，从图中可明显观测到黑色液相推进剂阴影、凝胶MMH/NTO撞击燃烧产生的燃气流场以及两者的相对位置。同时从图中可以看出，撞击点下游21.4 mm处最先观测到流场扰动，说明该工况下凝胶MMH/NTO最先在撞击点下游21.4 mm处着火燃烧，该点可定义为着火点。随后燃气呈锥形向周围扩散，燃气分布区域逐渐增大，最终占据大部分视场，但着火后因为压力不稳定，导致视场内液相推进剂含量及形态波动较大，t=20 ms时可观察液相推进剂含量及雾化锥角达到最小，随后可观察液相推进剂含量及雾化锥角逐渐增大，在t=73 ms时达到最大值，随后又减小，并在t=166 ms后基本趋于稳态，燃气流场也从锥形逐渐转变为扇形，占据视场面积亦有所减小，而从稳态图像可以看出，燃气主要分布在液膜破碎成液丝之后，液膜区域化学反应可以忽略不计，为喷射雾化区[20]。

图5给出F-O-F形式三股互击式喷嘴凝胶MMH/NTO着火及稳态燃烧时的纹影图像，其中前8张表示着火阶段，后4张表示稳态燃烧阶段。从图中可以看出，采用F-O-F形式三股互击式喷嘴时，在撞击点下游20.28 mm处观察到流场扰动，与液膜长度相当，随后燃气向四周扩张，但和图4相比，此时燃气面积增长速度明显更快，主要原因是此时燃料射流速度为44 m/s，而图4中燃料射流速度只有23 m/s，说明燃气增长率与射流速度相关，而从稳态纹影图像可以看出，采用三股互击式喷嘴时，燃气仍然主要分布在液膜破碎成液丝之后，液膜区域的化学反应可以忽略不计，故凝胶MMH/NTO撞击雾化的燃烧主要发生在液膜破碎之后，但此时凝胶MMH/NTO推进剂撞击后的液膜长度为23.06 mm，比采用撞击角为90°的两股互击式喷嘴时更大，故燃烧区域距离撞击点的距离更远。

图4 采用两股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO推进剂燃烧过程纹影图像Fig.4 Schlieren images of gelled MMH/NTO bipropellants combustion process when using unlike-impinging injector g/s, β=90°)

图5 采用三股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO推进剂燃烧过程纹影图像Fig.5 Schlieren images of gelled MMH/NTO bipropellants combustion process when using triplet impinging injector g/s, F-O-F)

2.2 凝胶MMH/NTO火焰图像

2.2.1 着火过程

图6给出了凝胶MMH/NTO着火过程火焰自然辐射发光图像，从图中可以看出，在距离喷注面最近18.6 mm的区域初始观察到火焰自然辐射发光，随后火焰向下游发展，着火面积增大，在t=21 ms时发展到视窗边缘，定义沿喷嘴下游轴向方向火焰长度的变化率为火焰着火时的轴向传播速度，则当前工况下，凝胶MMH/NTO着火时火焰在21 ms内长度变化量约为92.5 mm，火焰平均轴向传播速度为4.4 m/s，远低于液体推进剂喷射速度。同时从图中可以看出，凝胶MMH/NTO棕色火焰中夹杂大量银白色液雾，大量推进剂撞击后未及时气化燃烧，这也和图4纹影图像相对应，一定程度上造成了燃烧效率下降。凝胶MMH/NTO着火时火焰边缘呈现出明显的红棕色，按照文献[21]可以认为火焰边缘主要是四氧化二氮高温下分解产生的NO2气体。

图7(a)给出了不同工况下凝胶MMH/NTO推进剂着火距离与燃料喷射速度的关系曲线，其中着火距离定义参考图6，定义为初始观察到火焰自然发光时火焰距离撞击点的最小距离，γ表示氧化剂和燃料的质量混合之比。从图中可以看出，对于凝胶MMH/NTO推进剂，撞击角为105°的两股互击式喷嘴着火距离最短，平均长度约8 mm，撞击角为90°的两股互击式喷嘴和O-F-O三股互击式喷嘴着火距离相当，平均长度约13 mm，撞击角为75°的两股互击式喷嘴和F-O-F三股互击式喷嘴着火距离最长，平均长度约17 mm。但因部分工况未能观测到有效数据，从当前试验数据，未发现射流速度对着火距离的影响规律。

图7(b)给出不同工况下凝胶MMH/NTO推进剂着火过程火焰轴向传播速度与燃料喷射速度的关系曲线。从图中可以看出，保持混合比不变，着火过程火焰轴向传播速度随燃料射流速度增加而增加，但火焰轴向传播速度远低于燃料喷射速度，其最低只有4 m/s左右，最高亦只有20 m/s。而燃料射流速度最低亦有23 m/s，氧化剂速度更高。同时不同撞击角下火焰轴向传播速度亦存在差异，总体而言，撞击角为90°时火焰轴向传播速度快于撞击角为75°和105°时的火焰轴向传播速度，其中F-O-F形式三股互击式喷嘴火焰轴向传播速度最快，O-F-O形式次之，90°两股互击式喷嘴最小。主要原因是火焰产生于燃料和氧化剂为化学计量值的位置上，撞击角为75°时推进剂雾化、混合和燃烧较差[22]，相同的区域需要更长的时间组织燃烧，撞击角为105°时虽然不存在这样的问题，但撞击角过大，撞击横向动量分量较大，影响了推进剂轴向运动速度，自然导致火焰轴向传播速度降低。而三股互击式喷嘴则因为中间路推进剂直接沿喷注面轴向喷出，相对而言推进剂轴向运动速度较大，特别是F-O-F喷嘴，较难雾化的燃料从两侧喷出后，氧化剂才从中路以更高速度喷出，促使氧化剂和燃料在下游以更快速度混和并达到燃烧条件，火焰传播速度最快。

图6 凝胶MMH/NTO推进剂着火过程火焰自然辐射发光图像Fig.6 Natural flame images of gelled MMH/NTO bipropellants ignition process

图7 凝胶MMH/NTO推进剂着火特性与燃料喷射速度关系曲线(γ=2.0)Fig.7 Curves of ignition characteristics of gelled MMH/NTO bipropellants vs jet velocity of fuel(γ=2.0)

2.2.2 稳态燃烧过程

图8给出了凝胶MMH/NTO推进剂稳态燃烧时火焰的自然辐射发光图像，从图中可以看出，不同喷嘴的火焰形态及亮度均存在差异，当撞击角为75°时，火焰整体较暗淡，空间分布不连续，中间夹杂白色液雾，说明推进剂混合燃烧不充分。同时在火焰边缘明显观测到四氧化二氮高温下分解产生的NO2烟雾。当撞击角为105°时，可以看出此时火焰颜色与撞击角为75°时不同，火焰呈浅黄色，火焰相对亮度更高，空间分布更均匀，一定程度上说明此时推进剂混合燃烧更充分。当采用O-F-O形式三股互击式喷嘴时，火焰亮度与采用撞击角为75°的两股互击式喷嘴时相似，但射流速度Vj=23，28 m/s时火焰亮度空间分布不均匀更明显，火焰内部存在大片区域未观察到火焰自然辐射发光，火焰尾部主要是NO2烟雾，传感器探头下方也积聚了大量液体推进剂，说明推进剂混合燃烧较差。而采用F-O-F形式三股互击式喷嘴时，火焰亮度与O-F-O形式三股互击式喷嘴时类似，但火焰更加细长，分布也比较均匀。

图9为凝胶MMH/NTO推进剂稳态燃烧过程火焰均值图像，其采用50张连续拍摄的瞬时图像灰度化(采用加权平均法)后进行算术平均，再进行伪彩处理而得。从均值图像可以看出，喷嘴下游20.3 mm内整体灰度值较低，从图5可以看出该区域主要是液膜，化学反应可忽略不计，为喷射雾化区。同时从图9中可以看出，该工况下火焰两侧亮度明显高于中心区域，一定程度上说明燃气主要集中在两侧，与文献[17]采用MMH/NTO进行试验时所得火焰图像相似。

定义火焰均值图像中火焰两侧的夹角为火焰夹角θ，火焰均值图像中撞击点到火焰前端的平均距离为反应距离(Induction Distance)[17]，如图9所示，则不同工况下的火焰夹角如图10(a)所示，反应距离如图10(b)所示。从图10(a)可以看出，对于所有试验所用喷嘴，保持混合比不变的条件下，增加燃料射流速度时凝胶MMH/NTO稳态燃烧时的火焰夹角随之增加，但不同类型喷嘴火焰夹角的大小存在较大差异，采用撞击角为90°的两股互击式喷嘴时火焰夹角最大，采用F-O-F形式三股互击式喷嘴时火焰夹角最小。而对于撞击角为75°和105°的两股互击式喷嘴及O-F-O形式三股互击式喷嘴，当燃料射流速度为23 m/s时撞击角为105°的两股互击式喷嘴火焰夹角最大，撞击角为75°的两股互击式喷嘴火焰夹角最小，当燃料射流速度为28 m/s时三者无明显差异，随着燃料射流速度的进一步增加，采用撞击角为75°的两股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO稳态燃烧的火焰夹角最大，采用撞击角为105°的两股互击式喷嘴时次之，采用O-F-O形式三股互击式喷嘴时火焰夹角反而最小，主要原因是三股互击式喷嘴能量利用率低于两股互击式，而撞击角为105°时，高射流条件下推进剂会附着在喷注面并影响液膜横向铺展，造成雾化及对应的火焰夹角变小。从图10(b)可以看出，除了采用F-O-F形式三股互击式喷嘴时凝胶MMH/NTO稳态燃烧的反应距离无明显变化外，采用其他类型喷嘴时凝胶MMH/NTO稳态燃烧的反应距离随燃料射流速度增加而减小。整体而言，对于凝胶MMH/NTO推进剂，不同试验喷嘴的反应距离由大到小排序依次是F-O-F形式的三股互击式喷嘴、撞击角为75°的两股互击式喷嘴、O-F-O形式的三股互击式喷嘴、撞击角为90°的两股互击式喷嘴、撞击角为105°的两股互击式喷嘴。

图8 凝胶MMH/NTO推进剂稳态燃烧火焰瞬时自然辐射发光图像Fig.8 Instantaneous natural flame images of gelled MMH/NTO bipropellants during process of steady combustion

图9 凝胶MMH/NTO推进剂稳态燃烧过程火焰均值图像Fig.9 Mean natural flame images of gelled MMH/ NTO bipropellants during process of steady

图10 凝胶MMH/NTO推进剂稳态燃烧过程火焰特性与燃料喷射速度关系曲线(γ=2.0)Fig.10 Curves of flame characteristics of gelled MMH/NTO bipropellants vs jet velocities of fuel during process of steady combustion(γ=2.0)

3 结论

1) 采用纹影图像能有效识别液相推进剂与燃气相对位置，对于凝胶MMH/NTO推进剂，燃烧主要发生在液膜破碎成液丝之后，推进剂射流速度越快，着火时燃气扩散速度越快。

2) 对于凝胶MMH/NTO推进剂着火过程，采用撞击角为105°的两股互击式喷嘴时着火距离最短，采用撞击角为90°的喷嘴时火焰轴向传播速度最快。

3) 凝胶MMH/NTO推进剂稳态燃烧时的火焰夹角随燃料射流速度增大而增大，燃料射流速度相同时，撞击角为90°的两股互击式喷嘴火焰夹角最大，F-O-F形式的三股互击式喷嘴火焰夹角最小。而反应距离随燃料射流速度增大而减小，燃料射流速度相同时，F-O-F形式的三股互击式喷嘴反应距离最大，撞击角为105°的两股互击式喷嘴反应距离最小。