NOFBx推进剂的火焰传播特性试验及分析

施 伟，关 亮，王子模，蒋榕培，徐 森

(1.上海空间推进研究所，上海 201112； 2.上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112；3.北京航天试验技术研究所，北京 100074； 4.南京理工大学 化工学院，江苏 南京 210094)

0 引言

目前，单组元推进剂和双组元推进剂广泛应用于航天器姿轨控动力系统中，其中单组元推进剂普遍存在能量低、冰点高、毒性大等缺点；双组元推进剂存在系统复杂、可靠度不高等缺点。因此，国内外研究人员在氧化亚氮单组元推进剂[1]和氧化亚氮双组元推进剂[2]研究的基础上提出了氧化亚氮与烃类燃料共存、混合比可控的绿色高能单组元推进剂，即氧化亚氮基单元复合(NOFBx)推进剂[3-5]。相比于氧化亚氮单组元推进剂，NOFBx推进剂中烃类燃料的加入大幅提高了推进剂比冲[6]。推进剂采用氧燃混合的单组元供应方式，相比于以氧化亚氮为氧化剂的双组元推进剂，NOFBx推进剂的动力系统得到大幅简化[7-8]。更有研究人员致力于NOFBx推进剂供应系统的自增压特性研究，为进一步简化系统提供了可能[9]。

NOFBx推进剂中氧化剂和燃料共存，点燃后在孤立系统中也能持续燃烧。因此燃烧系统中存在火焰向推进剂供应端传播的可能，即发生“回火”[10]，继而引发严重事故。因此，其防回火设计已成为NOFBx推进剂研究的重要课题[11-13]。目前已经确认的湍流回火形式可以分为主流回火、边界层回火和燃烧导致的漩涡破碎造成的回火。依据主流回火和边界层回火原理，采用毛细管作为防回火材料，一方面可以提高推进剂流速从而抑制主流回火，另一方面毛细管壁面的热损失可以抑制边界层回火从而发生淬息。淬息管径是预混气体燃烧和爆轰的传播行为的重要参数[14]，火焰在小于淬息管径的燃烧管中传播时会发生熄灭，在大于淬息管径的燃烧管中可以稳定传播。

预混的NOFBx推进剂在大于燃烧管中传播，会从常规的爆燃波(即常规的燃烧传播)加速转化为爆轰波。爆轰波是一种以超音速传播并伴随有化学反应的冲击波，通过其前导冲击波压缩可燃气体实现自燃点火，并借助燃烧释放的化学能实现自持传播[15]。Chapman和Jouguet在20世纪初分别提出了关于爆轰波的平面一维流体动力学理论，简称爆轰波的C-J理论。C-J理论将爆轰波视为带有化学反应的冲击波，其波阵面上仍满足质量、动量和能量守恒。对于通常的气体爆炸物爆轰波的传播速度一般约为1 500～4 000 m/s，爆轰终了断面所达到的压力和温度分别为数兆帕和2 000～4 000 K。NASA开发的chemical equilibrium applications(CEA)软件[16-17]基于Zeleznik等[18]提出的计算方法提供了C-J爆轰速度的计算模块，可用于计算可燃预混气体的点火的C-J理论爆轰速度[19]。

本文搭建了NOFBx推进剂火焰传播特性试验平台，研究了不同配比NOFBx推进剂的火焰传播特性，试图得出不同配比的NOFBx推进剂的安全设计准则。

1 试验系统

1.1 试验装置

试验装置由配气系统、燃烧管路系统、点火系统及高速摄影系统等组成。

配气系统用于配制试验所需的推进器气体组分，主要由气瓶、流量计、气袋、真空泵及若干导管组成，如图1所示。流量计型号为S48300HMT，由北京堀场汇博隆精密仪器有限公司生产，量程为0～200 mL/min或0～500 mL/min，可精确控制流量从而决定气袋中各组分的含量；气袋为上海申源科学仪器有限公司生产的E-Switch品牌采样袋。

燃烧管路系统由透明有机玻璃管和不锈钢毛细管组成。其中，3为加速管(有机玻璃材质)，5为不锈钢毛细管，6为验证管(有机玻璃材质)。前端加速管内径为15 mm，长度为2 000 mm。后端验证管内径为15 mm，长度为500 mm。中间的不锈钢毛细管内径共有5种规格，分别为0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.2 mm和2.0 mm，不同内径的不锈钢毛细管长度均为1 000 mm。试验装置如图2所示。

1-进气管；2-电极柱；3-加速管；4-连接变径；5-不锈钢毛细管；6-验证管；7-点火电源；8-高速摄影仪；9-计算机。

点火系统主要由电源、电阻丝等组成。电源为电压20 V、电流10 A的直流电源。电阻丝采用长100 mm、直径0.6 mm的镍铬合金丝。试验采用电极柱加热电阻丝的方式进行点火，接通电源后电阻丝表面温度可达1 200 ℃，利用电阻丝表面高温可迅速引燃预混气体。

高速摄影系统釆用日本PHOTRON公司生产的“FASTCAM”系列高速摄像机，如图3所示。该高速摄像机的曝光时间为100 ns，像素为1 280×800。本试验中将拍摄速度设置为10 000帧/s，即连续两帧之间的时间间隔为0.1 ms。利用高速摄影仪拍摄的预混气体火焰传播过程，可以直观地判断火焰是否通过不锈钢毛细管。

图3 高速摄影仪实物图

1.2 试验气体配方

试验气体包含N2O/C2H4，N2O/C2H4/St和N2O/C3H8等配方，试验工况编号及混合配比如表1所示。St代表稳定剂，配比中数值x

表1 预混气体配方

1.3 试验步骤

1)配气前用真空泵将气袋中的空气抽出，接着依次用氧化亚氮、燃料气清洗配气管路，最后将燃料气和氧化亚氮按先后顺序充入气袋中。上述工作完成后将气袋静置24 h，确保气体组分均匀混合。

2)安装并调试试验系统，确保燃烧管路、点火系统及高速摄影系统均处于良好状态。

3)检查管道的气密性。用真空泵将有机玻璃管和连接管内的空气抽出，使管道中保持负压，放置0.5 h观察真空压力表读数变化情况，确保管道具有良好的气密性。

4)将气袋中的气体充入管路，当真空压力表读数达大气压时停止充气；随后用真空泵将有机玻璃管中的预混气体抽出。按照上述方法用配好的预混气体再次冲洗管道及管路。最后再次充入预混气体，管道内压力达大气压时关闭管道进气阀并做好气密，等待试验。

5)将充好预混气体的管道安装在试验架上，连接点火系统的线路，等待接通电源。随后开启数据采集仪以及高速摄像机并使其处于待机状态。使高速摄影仪和点火器按预设的时间依次触发，动态测量火焰传播过程中的火焰图像。

6)试验完成后，存储高速摄影的图像数据。更换新的燃烧管路系统并从步骤3)开始进行下一试验程序。

2 试验结果和分析

NOFBx推进剂火焰传播特性试验的具体工况及试验结果如表2所示。

表2 试验工况及试验结果

注：“○”表示火焰通过；“×”表示火焰未通过；“―”表示未做。

分别从高速摄像结果、不同配比结果比较、相同配比结果比较、爆轰速度和毛细管防回火临界直径等方面对试验结果进行分析。

2.1 高速摄像结果分析

火焰未通过毛细管的高速摄像结果以工况 C2为例，如图4所示。试验工况C2的预混气体配方为N2O/C2H4/St=9∶1∶y，毛细管内径1.2 mm。火焰在加速管中从右向左传播，在约2.6 ms时火焰传播速度明显增大，在约2.8 ms时发生爆轰并迅速传至中部毛细管前，此后火焰未能传过毛细管到达左侧验证管。说明该种配方的预混气体不能通过内径为1.2 mm的不锈钢毛细管。

图4 典型试验工况C2高速摄像图片(N2O/C2H4/St=9∶1∶y，φ=1.2 mm)

火焰通过毛细管的高速摄像结果以工况 A3为例，如图5所示。试验工况A3的预混气体配方为N2O/C2H4=9∶1，毛细管内径0.7 mm。火焰在加速管中从右向左传播，在约2.0 ms时火焰发生爆轰并迅速传至中部毛细管前，约0.6 ms后左侧验证管中出现火焰并传播至验证管末端。

图5 典型试验工况A3高速摄像图片(N2O/C2H4=9∶1，φ=0.7 mm)

火焰锋面在组合管道中的传播位置与速度如图6所示。图中火焰锋面位置/速度图线均分为两段，第一段为加速管中火焰锋面位置/速度随时间的变化曲线，第二段为验证管中火焰锋面位置/速度随时间的变化曲线；2.0～2.6 ms为火焰通过中间毛细管的时间。火焰锋面的速度图线中，0～1.4 ms阶段，火焰处于缓慢加速阶段，速度由约100 m/s增至约800 m/s；1.4 ms后火焰速度出现跳跃式增长，最大速度增至2 400 m/s以上，此时预混气体由爆燃转为爆轰。随后，预混火焰进入中间的不锈钢毛细管，经过毛细管到达验证管后继续向前传播，验证管中初始火焰速度同加速管中点火初期火焰速度相同，均约为100 m/s；经过毛细管后火焰速度急剧下降，说明火焰在毛细管中传播时热损失大于热释放，能量损耗后火焰速度下降。2.6～3.6 ms，火焰速度由约100 m/s持续增加至约600 m/s。在此种条件下，预混气体火焰形成的爆轰波能通过内径为0.7 mm的不锈钢毛细管。

图6 试验工况 A3的火焰锋面位置/速度图线

2.2 不同配比结果分析

针对不同配比的工况 A3、B2和C1的火焰锋面位置和速度变化趋势进行对比，如图7所示。

图7 试验工况 A3、B2和C1的火焰锋面位置和速度图线

3种工况的配方差异包括是否添加稳定剂St及稳定剂的添加比例，由表1可知，工况 A3的配方中未添加稳定剂St，工况 B2和C1的配方中添加了稳定剂且工况 C1中添加的比例更高。根据图7中火焰锋面位置图线可知，工况 A3的火焰锋面行进速度最快，仅耗时约2.0 ms到达加速管末端；工况 B2的火焰锋面次之，耗时约2.3 ms；工况 C1的火焰锋面耗时约2.7 ms。火焰锋面速度曲线表现出类似的差异化：工况 A3的火焰锋面速度曲线最早发生突变，工况 B2和工况 C1 次之。这说明稳定剂St的加入对预混气体的火焰传播特性产生了明显的影响，且稳定剂的添加量更多时，影响效果更为强烈。

2.3 相同配比结果分析

针对工况 C1和C2、工况 E2和E3这两组相同配比的试验结果进行分析，得到两组火焰锋面位置和速度曲线，如图8和图9所示。

图8 试验工况 C1和C2的火焰锋面位置和速度图线

图9 试验工况 E2和E3的火焰锋面位置和速度图线

可以明显看到，相同配比的试验，其火焰锋面位置和速度曲线高度重合，认为相同配比试验的火焰传播特性一致性较好。工况 C1、E2中火焰通过毛细管传至验证管中而工况C2、E3中火焰未能传播至验证管的现象，可以归因于毛细管直径的差异。

2.4 爆轰速度分析

对部分工况的爆轰速度进行整理，并利用CEA软件分别计算了对应配比预混气体的C-J理论爆轰速度，计算时环境参数选取与实际试验环境一致，即298 K、1 atm。试验实测结果和计算结果如表3所示。

表3 典型试验工况的C-J理论爆轰速度和实测速度

通过表3可以发现预混气体配方变化引起的实测爆轰速度的变化趋势与C-J理论爆轰速度的变化趋势相一致，即稳定剂的加入会降低预混气体的C-J理论爆轰速度，且在本文的研究范围内，随着稳定剂占比的增加，预混气体爆轰速度逐渐下降。

此外，实测爆轰速度均比相应的C-J理论爆轰速度要大，这是由于加速管出口处毛细管管径较小，加速管几乎处于密封状态，光滑管道中预混气体形成了过驱爆轰[20]。过驱爆轰速度超过气体的C-J理论爆轰速度，如果管道足够长，爆轰速度会下降并稳定至C-J爆轰速度。

2.5 毛细管防回火临界直径

根据上述试验结果，对于长度1 000 mm的不锈钢毛细管，得到各配方预混气体的毛细管防回火临界直径和加速管最短耗时如表4所示。

因此，按照9∶1配比的N2O/C2H4的预混气体防回火临界直径在0.5～0.7 mm之间，即预混气体火焰无法通过小于该临界直径、长度1 000 mm的不锈钢毛细管。

配方中添加稳定剂St后，预混气体临界直径增加。而且随着稳定剂所占比例的增加，预混气体临界直径和加速段最短耗时均呈增加趋势，这也进一步说明稳定剂的加入能够有效抑制预混气体的火焰传播能力。

3 结论

本文对NOFBx推进剂的火焰传播特性进行了常温常压下的燃烧试验研究，通过开展不同推进剂配方、不同毛细管直径的系列对比试验，得到结论如下：

1)稳定剂St的加入对预混气体的火焰传播特性产生显著影响。在本文的研究范围内，稳定剂的添加量越大，其对预混气体的火焰传播特性抑制效果越强，表现为不锈钢毛细管防回火临界直径的增大。

2)预混气体配方变化引起的试验实测爆轰速度的变化趋势与C-J理论爆轰速度相一致，即稳定剂的加入会降低预混气体的爆轰速度，且在本文的研究范围内，稳定剂占比增加，预混气体爆轰速度下降。

3)通过对比试验，得到几种不同配比NOFBx推进剂的毛细管临界直径范围。例如，9∶1配比的N2O-C2H4预混气体在长度1 000 mm的毛细管中的防回火的临界直径在0.5～0.7 mm之间，而9∶1∶x配比的N2O-C2H4预混气体在长度1 000 mm的毛细管中的防回火的临界直径在0.7～1.2 mm之间。针对实际发动机所采用的较短毛细管，需要开展进一步的试验确定其防回火临界直径。