采用高金属粉丁羟推进剂消氢发动机低压点火燃烧特性研究①

余小波，王 健，邓康清,3，庞爱民,3，朱雯娟，王相宇，李 颖，向 进，刘 学，王鹍鹏，杨育文，刘俊明

(1.湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003；2.北京系统工程研究所，北京 100101；3.航天化学动力技术重点实验室，襄阳 441003)

0 引言

常规复合固体推进剂氧化剂含量高，金属粉含量一般在18%左右，这有利于推进剂的点火和燃烧。高金属粉含量推进剂主要是富燃料推进剂，其金属粉含量在40%以上，工作压强在1 MPa以上。目前，国内有较多的关于富燃料推进剂和金属粉的点火和燃烧研究[1-12]。

刘林林等[1]采用一定实验条件下的TGA实验，测试了不同含硼富燃料推进剂发火温度；黄海龙等[2]探索了点火能量、燃速、级配及粒度、点火建压速率等因素对冲压发动机燃气发生器点火起动性能的影响，解决了低燃速贫氧推进剂燃气发生器点火起动困难的问题；范红杰[8]采用CO2激光点火装置研究了常压及亚大气压强下点火能量、组分含量变化等对含硼富燃料推进剂点火延迟时间的影响，表明提高压强、增加高氯酸铵含量和减少铝粉含量有利于含硼富燃料推进剂的点火；肖秀友等[9]采用改进的靶线法燃速测试系统对多种含镁铝富燃料固体推进剂在常压和加压下的点火性能进行了研究，得到了镁铝富燃料固体推进剂组分对点火性能的影响；朱国强等[10]采用激光点火系统研究铝镁贫氧推进剂的点火特性，结果表明，铝镁贫氧推进剂点火机理为凝聚相点火，其点火延迟时间随着热流密度的增加而递减。

许涛等[11]研究了KP含硼富燃料推进剂的燃烧性能，表明KP可显著改善含硼推进剂的点火性能，提高推进剂的压强指数；庞维强等[12]研究了含硼富燃料推进剂的能量性能和燃烧特性，表明随着硼粉含量的增加，推进剂的能量增大，大粒径的团聚硼对富燃料推进剂的燃速和压强指数影响较大，无定形硼粉经团聚后燃烧效率明显提高；胥会祥等[13]建立了基于BDP模型的含团聚硼粉富燃料推进剂一次燃烧的物理和数学模型，该物理模型中，燃烧表面由团聚硼粉、AP和粘合剂的聚集区两部分组成,气相区形成了AP焰和FF(终焰)聚集区,团聚硼粉中团聚剂参与了PF(初焰)和FF；高东磊等[14]对含硼富燃料推进剂燃烧性能影响的研究表明，随团聚硼颗粒粒度的增大，推进剂的燃速增加，低压可燃极限降低，但燃速压强指数呈下降的趋势；包覆材料AP、LiF有利于提高推进剂的燃速，降低低压可燃极限,但不利于提高燃速压强指数；金乐骥等[15]对超细金属粉的燃烧特性进行了初步研究；邓康清等[16]对超细铝粉的燃烧特性进行了详细研究，提出了超细铝粉在推进剂燃面上直接点火燃烧放热的观点及燃面点火的两个条件，揭示了铝粉在中、高压区内的不同作用，提出了铝焰的概念，绘制了铝和超细铝粉的燃烧行为图。

虽然有较多关于富燃料推进剂和金属粉的点火和燃烧方面的研究，但对高金属粉特种推进剂在小于0.2 MPa特低压下的点火燃烧性能和要求具有喷射高温金属粒子流功能的特种发动机的点火和燃烧特性，国内外尚未有研究报道。本文通过理论分析和实验研究，发展了一种通过产生高温金属粒子流以消除火箭发射前低温氢气危险的新型高金属粉丁羟推进剂特种发动机，探讨了其在小于0.2 MPa特低压下的点火和燃烧特性。

1 高金属粉含量特种发动机低压条件下点火和燃烧问题

低压特种发动机的工作原理是通过喷射高温金属粒子流，以燃烧掉火箭发射前排出的围绕火箭周围的低温氢气。因此，设计这种发动机时，要考虑如下几方面因素：

(1)高温金属粒子流的实现条件——低压；

(2)产生高温金属粒子流的推进剂配方条件——高金属含量推进剂；

(3)特低压点火的条件——推进剂表面高的换热系数(即高的热反馈)；

(4)特低压下高金属含量推进剂稳定燃烧的条件——合适金属含量的推进剂配方和发动机结构。

为此，设计了一种产生高温金属粒子流的0.2 MPa以下工作的低压特种发动机，其结构如图1所示，主要由燃烧室、喷管、药柱和点火器组成。燃烧室结构参数为φ117 mm×198 mm，长尾管喷管结构参数为φ71 mm×162 mm，收敛角为60°～75°，扩张角为0°～15°。

研制了一种高金属粉含量特种丁羟推进剂，其主要性能如表1所示。将这种特种丁羟推进剂用于图1所示的发动机中，试车试验时，起始阶段出现了点火延迟、“喘振”不稳定燃烧和无火焰闷烧现象，中后期稳定燃烧的火焰中未见高温金属粒子喷射，如图2所示。

图1 特种发动机结构示意图

表1 高金属粉丁羟推进剂主要组成

图2 高金属粉含量特种发动机点火燃烧的“喘振”现象

点火延迟主要是由特低压燃烧和推进剂配方中氧化剂含量低造成的。表2表明，这种高金属粉含量推进剂不能完全燃烧，热力学计算得到的燃气主要成分为不完全燃烧的CO和未燃烧的H2。一般为保证复合固体推进剂有满意的点火性能，点火压强至少要大于0.35～0.7 MPa[12]，而本文研究的高金属粉含量推进剂本身氧化剂含量很低，并且是在极低工作压强0.12～0.15 MPa下工作的，必然存在不易点燃和点火时间长的现象。

表2 燃烧产物主要成分和含量

“喘振”主要是点火峰值压强过高，工作压强过低，在引燃药完全点燃主燃药柱前，引燃药燃烧产生的高压气体就迅速排出了燃烧室，短时间内燃烧室形成了低压甚至负压。之后，主燃药柱全面点燃，工作压强逐渐上升。这样在点火器点燃推进剂药柱过程的p-t曲线上，有一个凹坑，形成了“喘振”现象。因此，这与普通发动机因工作在1～2 MPa下，及长尾管等因素导致燃气流动出现震荡的喘振是有区别的。为解决这些问题，开展了高金属粉含量推进剂消氢发动机的点火和燃烧特性研究。

2 高金属粉含量特种发动机低压点火特性理论研究

根据端面燃烧发动机点火启动过程的理论分析，得到了计算端面燃烧发动机点火延迟时间的式(1)[1，7-18]：

(1)

其中，换热系数h可由式(2)计算得到：

(2)

其中，Kc可由式(3)计算得到：

(3)

式中C为名义周长；λ为热导率；ρp为推进剂的密度；cp为推进剂的比定压热容；μ为粘性系数；T为温度；Tig为推进剂着火温度；T0为初温；Tg为点火药燃烧温度；A为密流截面面积；m为推进剂质量燃烧速率。

因为表2中的燃气成分主要是H2、N2和CO，可认为是“透明”的，对辐射贡献很小，所以换热系数计算中可忽略气相辐射换热。但由于燃气中有47%的凝相产物，所以换热系数计算中还需要考虑凝相辐射换热，换热系数为凝相辐射换热和对流换热之和。

根据上述公式预测了初温、点火药燃烧温度、推进剂着火温度、换热系数等因素对发动机点火延迟时间的影响，结果如图3～图6所示。

图3 点火药燃烧温度对点火延迟时间的影响

图4 推进剂着火温度对点火延迟时间的影响

图5 初温对点火延迟时间的影响

图6 换热系数对点火延迟时间的影响

随着点火药燃烧温度升高，点火延迟时间降低；推进剂着火温度增加，点火延迟时间增加；初温增加，点火延迟时间降低；换热系数增加，点火延迟时间降低。图6中，换热系数-时间曲线的斜率最大。因此，换热系数是最显著的影响因素。

根据上述分析，提高点火药燃烧温度、降低推进剂着火温度、增加换热系数和提高初温，均可改善发动机的点火性能，降低点火延迟时间。

3 高金属粉含量特种发动机低压点火和燃烧特性改进实验研究

3.1 低压点火和燃烧特性改进方法

前面的分析表明，提高换热系数、降低推进剂着火温度和提高点火药燃烧温度均可降低点火延迟时间，改进点火性能。因此，改善推进剂配方以降低推进剂着火温度和提高推进剂燃速都是有效的方法。但高金属粉含量的推进剂氧化剂含量低，并且在低压下工作，推进剂着火温度的降低和推进剂燃速的提高是有限的。为此，设想引入一种新的高燃速高燃温的推进剂作为引燃药，从而大大提高质量燃速，而换热系数与质量燃速的0.8次方成正比(见式(2))。因此，换热系数也得到大幅度提高，从而达到大幅度降低推进剂点火延迟时间的目的，如图7所示。无引燃药时，发动机的总点火延迟时间为点火器和推进剂点火延迟时间之和，引入引燃药后，发动机的总点火延迟时间变为点火器和引燃药点火延迟时间之和，而引燃药本身点火延迟时间远小于本文的高金属含量推进剂。因此，发动机的总点火延迟时间也将大幅度缩短。

图7 推进剂质量燃速对点火延迟时间的影响

3.2 引燃药的选择

特种发动机点火系统中引入引燃药环，其工作原理是通过电点火器点燃引燃药环，再点燃主燃推进剂药柱，生成燃气和金属粒子。因此，提高引燃药的燃速和燃温、优化引燃药型式是降低点火延迟时间的重要途径。

表3列出了三种不同燃速引燃药配方对点火延迟时间的影响。表4是表3中引燃药配方主要组成，表3中的三种引燃药配方不同之处在于催化剂含量不同。从中可知，引燃药可大幅度降低点火延迟时间，将点火延迟时间由大于3 s，缩短到1.2～1.5 s；提高引燃药的燃速也可明显降低点火延迟时间，可由1.2～1.5 s进一步缩短到0.6～0.7 s。

表3 引燃药燃速对点火延迟时间的影响

表4 引燃药配方主要组成

3.3 降低点火峰值压强技术研究

发动机最初采用了I型点火器。采用该点火器的发动机的点火峰值压强较高(点火峰值达2.7～3.0 MPa)，这与发动机的目标工作压强小于0.2 MPa相差很大，点火不匹配。因此，需要开展降低点火峰值压强技术研究。

(1)点火峰值压强过高的原因分析

发动机点火峰值压强过高的主要原因是：

1)点火器能量高，产气量大直接导致点火压强过高；

2)点火器与点火空间不匹配，点火器能量过大，而相对应的点火空间偏小，点火器在点火瞬间(数毫秒时间内)释放的大量燃烧气体无法迅速排出燃烧室，造成点火峰值过高。

因此，需要开展点火器与点火空间的匹配工作，以降低点火峰值压强。

(2)点火器的影响

I型点火器的点火峰值压强较高。为降低点火峰值压强，方法之一是采用点火压强较低的点火器。为此，筛选了可能符合发动机要求的点火器，其性能参数见表5。以III型点火器试验压强最低，预估压强也最低，适用于要求低点火峰值压强的发动机的点火。

表5 点火器的性能参数

(3)降低点火峰值压强方法

要将燃烧室压力维持在较低压下，有两种方法：一是根据理想气体方程，增加燃烧室初始自由容积；二是根据平衡压强公式，降低点火器燃速或扩大喷管喉径。但因为点火器是外购的定型产品，一定自由容积下，其出口压强是一定的，改变点火器内装药，降低点火药燃速是不现实的，而喷管喉径是要同时满足低压下推进剂燃烧的条件，才能稳定燃烧，在小于0.2 MPa特低压下，推进剂燃速已很低(小于1 mm/s)，若减小喷管喉径，推进剂燃速就要进一步降低，这就有导致推进剂点不着或点燃后不能持续燃烧的风险。因此，这里只采用了增加燃烧室初始自由容积一种方法。

3.4 低压发动机燃烧性能改进

低压下，发动机燃烧需要解决两个问题：喘振和金属粒子流发生问题。喘振已通过引入高燃速高燃温引燃药解决，这里主要讨论粒子流发生问题。

通过理论分析和试验验证，发现粒子流产生的条件与配方有很大的关联性。

(1)推进剂配方组成条件

发动机要产生金属粒子流，配方中需要加入金属粉，且越多，金属粒子流量也越多。同时，引入合适的金属粉(如低燃点的金属粉)，有利于引燃高燃点金属粒子，促进燃烧。本文采用较高燃点的金属粉Al和低燃点金属粉Mg满足了使用要求。

(2)推进剂配方燃温条件

要点燃金属粉颗粒，推进剂配方需要有合适的燃气温度。理论上，燃烧温度低，很难点燃金属粒子；而燃温过高，则大量的金属粉快速燃烧，形成火焰，产生不了金属粒子流。图8分别给出了采用与表1类似的燃烧温度为1700、1850、2200 ℃的推进剂的试验发动机的粒子流喷射状态。推进剂燃烧温度的调节通过改变粘合剂和AP的配比实现。大量试验表明，对于高金属粉含量的推进剂配方，其燃烧温度在1850～1900 ℃时，有利于金属粒子流的产生。

(a)1700 ℃ (b)1850 ℃ (c)2200 ℃

(3)发动机结构条件

为了产生着火的金属粒子，采用了长尾管喷管，从而增加了金属粒子在发动机中的停留时间和加热时间，确保了金属粒子温度和出发动机后继续燃烧。长尾管喷管较合适结构参数为φ71 mm×162 mm，收敛角约71°，扩张角0°～5°。

3.5 低压发动机点火和燃烧性能改进后效果

引入引燃药，采用I型和III型点火器，发动机试车情况见图9。试验结果表明，引入引燃药后，两种点火器均有效解决了发动机点火延迟和燃烧中的“喘振”问题，点火延迟时间均已减小到600 ms左右，试车曲线平稳，喷射出大量高温金属粒子流，金属粒子流温度1141 K，满足消除氢气的要求。

(a)Type I igniter

由于这种低压发动机燃烧室中的燃气处于低温和低氧含量，金属粉只有少量点燃，金属粒子从喷管喷出后与空气中的氧气进一步燃烧，产生高温金属粒子流。

4 结论

研究了采用高金属粉丁羟推进剂的消氢特种发动机在小于0.2 MPa特低压下的点火和燃烧特性。结果表明：

(1)高金属粉含量推进剂消氢特种发动机在0.2 MPa特低压下存在点火延迟和“喘振”不稳定燃烧现象的特性。点火延迟主要是由配方中氧化剂含量低和低压燃烧造成的；“喘振”主要是由点火器点火峰值压强过高，与低压燃烧的推进剂不匹配造成的； 燃烧室中的高金属含量推进剂产生低温低氧燃气，金属粉只有少量点火燃烧，喷出的金属粒子与空气中的氧气进一步燃烧反应产生高温金属粒子流。

(2)研究了初温、点火药燃烧温度、推进剂着火温度和换热系数对发动机点火延迟的影响，得到换热系数是最显著的影响因素，说明普通压强下端面燃烧发动机点火理论也适合极低压强下工作的发动机点火。

(3)通过引入高燃速高燃温的引燃药和降低点火峰值压强，解决了发动机点火延迟和“喘振”问题，发动机点火延迟时间由大于3 s降低到600 ms左右，推进剂燃烧稳定。

(4)通过采用含有高燃点金属粉Al和低燃点金属粉Mg、燃温为1850 ℃左右的推进剂配方，选用扩张角为0°～5°的长尾喷管，解决了金属粒子流发生问题，改善了发动机低压燃烧性能。