脉冲爆震火箭发动机间接起爆实验研究

李建玲 范玮 严传俊 李强 胡承启
西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072

文章摘要:采用航空煤油为燃料、氧气为氧化剂、压缩氮气为隔离气体，进行了大量的两相脉冲爆震火箭发动机原理性实验。利用8个压力传感器测量了爆震室轴向沿程的压力，所测得爆震波压力接近充分发展的C—J爆震波。两个实验模型分别使用了0．45和0．9m的Shchelkin螺旋作为DDT（deflagration to detonation transition）间接起爆的增强装置。实验模型Ⅰ的DDT距离约为0．65m，爆震波速约为1873m／s；实验模型Ⅱ的DDT距离约为0．55m，爆震波速约为1838m／s。两种实验模型DDT距离的差异主要是由爆震室内Shchelkin螺旋长度不同引起的。虽然Shchelkin螺旋在缩短DDT距离上起到积极作用，但在形成充分发展爆震波后会降低爆震波的强度。
文章主题:脉冲爆震火箭发动机 DDT Shchelkin螺旋

文章内容：第6卷第3期2007年9月热科学与技术01.6.3.2007文章编号:67-8097(27)3一269一5脉冲爆震火箭发动机间接起爆实验研究李建玲,范玮,严传俊,李强,胡承启(西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072)摘要:采用航空煤油为燃料,氧气为氧化剂,压缩氮气为隔离气体,进行了大量的两相脉冲爆震火箭发动机原理性实验.利用8个压力传感器测量了爆震室轴向沿程的压力,所测得爆震波压力接近充分发展的-爆震波.两个实验模型分别使用了0.45和0.9的螺旋作为()间接起爆的增强装置实验模型的距离约为0.65,爆震波速约为1873/;实验模型的距离约为0.55,爆震波速约为1838/.两种实验模型距离的差异主要是由爆震室内螺旋长度不同引起的虽然螺旋在缩短距离上起到积极作用,但在形成充分发展爆震波后会降低爆震波的强度.关键词:脉冲爆震火箭发动机;;螺旋中图分类号:231文献标识码:引言脉冲爆震火箭发动机(,)是一种利用周期性爆震波发出的冲量产生推力的非稳态新型推进系统.具有热效率高,结构简单,尺寸小,重量轻,工作范围广等优点.较之吸气式,自带燃料和氧化剂,因此无需过多考虑飞行条件对可爆混气形成的影响_1].尽管使用爆震燃烧具有理论优势,但将爆震燃烧的热效率转变成实际的推进效率需要进行大量的理论分析,实验研究以及数值模拟,有许多富有挑战性的问题需要解决.在实际尺寸爆震管中,爆震的起爆和维持非常困难,如何快速,有效地起爆稳定的,充分发展的脉冲爆震波便成为研究的关键【3],也是使获得实用的最重要问题之一.爆震波的起爆的方法一般有两种:直接起爆和间接起爆.直接起爆能在起爆瞬间产生爆震波,但需要很高的起爆能量,这对于的使用是不实际的.间接起爆是一种基于爆燃向爆震转变(,)的起爆方法.距离为爆震波形成的位置与爆燃触发点(点火位置)之间的距离,它是衡量性能的一个重要参数.距离越小,说明爆震波形成得越快,从而可以缩短爆震管乃至发动机的长度.大多数研究均是采用气相爆震,但从实用研究出发,理想的燃料是液态碳氢化合物,因而两相爆震的意义更大,但也更难].针对所进行的大量多循环爆震试验,本文研究了煤油氧气两相脉冲爆震火箭发动机的爆震波问接起爆特性,分析涉及距离,爆震压力,爆震波速以及螺旋对距离和充分发展爆震波传播的影响.1实验系统两相脉冲爆震火箭发动机原理性实验模型装置由供给系统,点火及频率控制系统,爆震管,压力测量系统和数据采集系统等组成,如图1所示.不锈钢加工而成的爆震管由推力壁,混合室,爆震室等组成,爆震管头部封闭,尾端敞口.本文所研究的两种实验模型除爆震室内的螺旋长度不同外,其他结构完全相同,如图2所示.两实验模型爆震管内径均为50,总长1.1.实验模型中螺旋长0.45,而实验模型中螺旋长0.9.收稿日期:2007—07—11;修回日期:2007—08—14.基金项目:国家自然科学基金(50106012,50336030);新世纪优秀人才计划(一04—0960);西北工业大学博士论文创新基金和2006年西北工业大学本科毕业设计(论文)重点扶持项目.作者简介:李建玲(1983一)女,四川仪陇人,博士生,研究领域为燃烧,推进技术和流体力学.热科学与技术第6卷1.氧供应系统2.隔离气供应系统3.挤压式煤油供给系统4.流量计5.电磁阀6.火花塞7.爆震管8.推力传感器9.压电式压力传感器10.台架11.控制和点火系统12.数据采集系统图1两相脉冲爆震火箭发动机实验装置示意图.1—本实验采用普通汽车火花塞来点火,点火能量约为50,点火位置距离推力壁0.15.实验采用航空煤油为燃料,氧气为氧化剂,压缩氮气作为隔离气体.采用电磁阀精确地控制氧气,燃料和氮气的间歇式供给以及点火的相位,电磁阀开关和点火的时序如图3所示.供气,供油由相应的调节阀门控制,供油量,供气量由流量计测定.沿爆震管轴向位置分别放置压电式压力传感器来测量爆震室内压力分布,8个压力传感器安装位置分别距离推力壁0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1.0,如图2所示.受到爆震管安装和连接的限制,压力传感器安装座无法非常靠近点火位置.压力传感器测量到的信号经电荷放大器后由0数据采集系统采集.由于爆震后的温度非常高,长时间在高温环境下工作会缩短传感器的使用寿命,同时高温也极易导致传感器"温度漂移",影响测量精度;在实验中特别设计了水冷循环装置,具体的装置如图4所示.()实验模型()实验模型1.推力壁2.点火位置3.螺旋4.传感器安装座图2爆震管示意图.2图3电磁阀和点火的时序图.3图4脉冲爆震火箭发动机照片.4第3期李建玲等:脉冲爆震火箭发动机间接起爆实验研究2712结果与分析本研究的实验均在初始压力0.10325,初始温度25℃左右的条件下进行,混合物当量比为0.5,爆震频率10.在此条件下,由计算得到的理想爆震波后压力为2.89,爆震波速为2044.9/.实验模型在上述8个位置的峰值压力分布如图5所示,图5给出了5次试验的结果.距推力壁0.3处峰值压力最高,这主要是由于头部反射使得该处的压力很高——随后3个位置处的峰值压力逐渐降低证实了这点.但从距推力壁0.6处开始到距推力壁0.8处,峰值压力有一个突跃,在0.6处约为1.71,在0.8处约为2.22,上升了0.51.在现有实验条件下,很难进行测量雾化特性的热态实验.采用离心喷嘴,轴向进气,通过冷态实验测量出的稳态工况的液滴平均索太尔直径为3～50[5].此外液滴之间的相互碰撞或者管壁碰撞都可能使得已经雾化的液滴再次变成较大的液珠.在实际脉冲爆震火箭发动机的多循环工作过程中,雾化条件比冷态实验更恶劣.由于计算值是针对气相可爆混合物假设进行的,同时考虑到两相以及一些损失,特别是真实雾化的条件较为恶劣,较之当量比为0.5时的计算值(2.89),可认为在0.8处已产生充分发展的爆震波.0.9处峰值压力较0.8有所下降,约为2.05,1.0处峰值压力与0.9处接近,约为2.09.可以推论实验模型中发生在距推力壁0.8