脉冲爆震火箭发动机的原理性试验

脉冲爆震火箭发动机的原理性试验Ξ李　强,张　群,范　玮,严传俊(西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072) 摘　要:阐述了脉冲爆震火箭发动机(PDRE)性能特点、结构和工作过程。

采用航空煤油为燃料,氧气和压缩空气为氧化剂,分别进行了两相脉冲爆震火箭发动机原理性试验,所测得的爆震波压力接近充分发展的理想爆震波压力,说明采用煤油作为脉冲爆震火箭发动机的燃料是可行的。

关键词:脉动式喷气发动机;燃料性能;爆震波试验+中图分类号:V231122 文献标识码:A 文章编号:100124055(2004)0520450204An experimental study for pulse detonation rocket engineLI Qiang,ZH ANG Qun,FAN Wei,Y AN Chuan2jun(School of P ower and Energy,N orthwestern P olytechnic Univ.,X i’an710072,China)Abstract:　The performance characteristics,structure and w orking cycle of pulse detonation rocket engine(PDRE)were intro2 duced firstly.Then using kerosene as fuel,oxygen and compressed air as oxidizers,proof2of2principle experiments of PDRE were suc2 cess fully conducted.The results show that the measured detonation wave pressures are close to theoretical values.It als o indicate that using kerosene as the fuel of PDRE is feasible.K ey w ords:　Pulse jet engine;Fuel performance;Detonation experiments+1　引　言脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生高温、高压燃气发出的冲量来产生推力的新型推进系统,若发动机自带氧化剂,以火箭模式工作则称为脉冲爆震火箭发动机(Pulse Detonation R ocket Engine),简称PDRE[1]。

与目前常规推进系统中的爆燃波不同,PDRE中的爆震波由激波后面紧跟一道燃烧波组成[2],是以高超声速传播的。

由于爆震波的传播速度很快,其燃烧过程可近似认为是等容过程,因而与以等压燃烧方式工作的常规火箭发动机相比,具有循环热效率高(在压比为6时,比等压循环高30%～50%)、燃料消耗率低的特点;由于爆震波能自增压[1],故PDRE最主要的优点就是能将推进剂增压到极高的压力,而不需要常规火箭发动机中既笨重又昂贵的高压涡轮泵。

在典型的火箭发动机中,复杂的高压涡轮泵将燃料和氧化剂以高达130个大气压的压力压入发动机燃烧室,而PDRE的喷射压力仅为它的十分之一。

因此,可以降低推进系统的重量、复杂性、成本及体积。

同时, PDRE推力可从零连续调节到最大值。

由于PDRE的上述优点,它已成为国内外航空航天界动力研究的热点[1～6]。

PDRE一般由推进剂供给系统、燃料氧化剂支管、精密流量控制阀、爆震激发和控制系统、爆震室、热保护系统和喷管组成,图1所示的是多管PDRE结构示意图[1]。

2004年10月第25卷　第5期推　进　技　术JOURNA L OF PROPU LSI ON TECH NO LOGYOct12004Vol125　No15Ξ收稿日期:2003209225;修订日期:2004203215。

基金项目:国家自然科学基金(50106012,50336030);教育部优秀青年教师资助计划和西北工业大学毕业设计重点扶持项目的资助。

作者简介:李　强(1981—),男,硕士生,研究领域为燃烧学。

E2mail:liqstudy@vip1sina1comFig.1　Pulse detonation rocket engine component overview[1] PDRE工作循环由以下7个过程构成:(1)阀门打开,燃料2氧化剂混合物填充爆震室;(2)阀门关闭,封闭爆震室前端;(3)在爆震室封闭端点火;(4)爆燃波转变为爆震波并向开口端传播;(5)爆震波从开口端传出,膨胀波在开口端产生;(6)膨胀波向封闭端传播,排出爆震产物;(7)爆震室内压力降到填充水平,准备重新填充。

2　煤油Π氧气爆震燃烧试验研究因为煤油作为常温推进剂,使用方便、安全性好、无毒,价格便宜,而且煤油Π氧气组合密度比冲高,因此在研制先进的PDRE时,首选煤油作燃料。

本研究针对PDRE的需要,以煤油为燃料,氧气为氧化剂,在脉冲爆震火箭发动机模型试验装置上进行了爆震燃烧实验研究,并考察了稀释剂对PDRE 性能的影响。

本研究分别采用氧气和压缩空气作为氧化剂,进行了脉冲爆震波试验。

试验装置如图2所示。

它是由氧化剂供给系统、挤压式煤油供给系统、爆震管、爆震起爆及频率控制系统、压力测试系统等组成。

爆震管内径30mm,长度314m,传感器距推力壁215m,混合室长30cm,在其出口用火花塞点火,采用直射式喷嘴,煤油供给压力为014MPa。

利用压电晶体压力传感器来测量沿爆震室各轴向位置的爆震波的压力。

(1)煤油Π氧气的爆震波试验结果和分析采用煤油Π氧气为推进剂,进行了爆震波试验,测量了不同当量比下的爆震波后压力。

当量比为018和113时的压力波形分别如图3(a),(b)所示。

并且,Fig.2　Schem atic of the experimental arrangement12Fuel supply;22Oxidizer supply;32Fuel flowmeter;42Oxidizer flowmeter;52M ixing chamber;62Detonation chamber;72S park plug;82Initiation frequency controller;92Data acquisition and processing system;102Pressuretransducers;112Thrust wall在各当量比下,将实验测得的爆震波后压力与采用商业软件CE A计算的理论值进行了对比,比较图示于图4中。

由图3和4可见,采用煤油Π氧气混合物作为推进剂,能产生充分发展的爆震波,在各当量比下,实验值和理论值较为符合。

高的增压比在富油一侧达到,这与性能分析结果一致。

通过煤油Π氧气的爆震试验,说明采用煤油作PDRE的燃料是可行的。

同时,试验表明煤油Π氧气的可爆性强,极易早熟,产生连续燃烧。

故应在每次爆震间隙加隔离气体,即在再次填充氧气Π燃料之前填充一定量的惰性隔离气体,以防止高温的爆震产物提前引燃新鲜混气。

154第25卷　第5期脉冲爆震火箭发动机的原理性试验Fig.3Pressure traces at equivalence ration0.8and1.3Fig.4　Comp arison betw een measurement andcomputation for peak pressure (2)含有稀释剂的煤油Π氧气的爆震波试验在实际PDRE的使用过程中,有时需要改变推力的大小,而改变氧化剂成分是控制PDRE推力的方法之一。

为了探索氧化剂中含有惰性气体成分对爆震波特性的影响,本研究还进行了含有79%的氮气的空气Π煤油的爆震波试验。

目前国外采用煤油Π氧气成功产生爆震波的报道较多,而充入惰性气体后的成功的试验结果很少,其原因是采用后者的难度大得多。

从这两种混合物的爆震性来分析,根据参考文献[7],煤油Π氧气产生爆震波的胞格尺寸仅为煤油Π空气的1Π27,由爆燃向爆震的转变时间也仅是煤油Π空气的1Π14,并且从起爆能量来说,氧气混合物仅为空气混合物的1Π1000,说明煤油Π氧气比煤油Π空气要活泼得多,爆震性要强得多,这点也可以从参考文献[8]中得到佐证:美国海军研究生院用J P10Π氧气很容易获得爆震波,但得到的J P10Π空气混合物的爆震波后峰值压力为80psi,约为015MPa,并未形成充分发展的爆震波。

含有惰性气体的混合物可爆性较差,很难用一步起爆法产生充分发展的C2J爆震。

在脉冲爆震火箭发动机模型试验中,起初只能产生很弱的爆震波,虽然声音很大,但产生的压力却远远低于充分发展的爆震波压力。

大部分试验工作花在解决起爆问题以及得到稳定的爆震波上。

为了得到充分发展的C2J爆震,进行了强化爆震的各种实验尝试。

试验发现,同时采用在爆震室内加装强化爆震装置[9]和对供给的压缩空气和煤油进行预热,有利于形成爆震。

通过艰苦的努力,最终我们成功地实现了采用低的点火能量(50m J)、在较短的距离、一步起爆煤油Π空气两相混合物,获得了充分发展的C2 J爆震波。

图5表示采用50m J的起爆能量,煤油Π空气推进剂被加热到60℃左右时,在当量比为1时,起爆频率分别为6H z,8H z,10H z的爆震波后压力波形。

由图5 (a),(b),(c)这些结果可见,以含有惰性气体的煤油Π空气作推进剂的脉冲爆震火箭发动机试验模型工作稳定、可靠,图5(d)所示的波形放大图显示,这是一个典型的爆震波波形,上升沿是微秒级。

由图5(a)可见,最大峰值压力达到2MPa,平均峰值压力为117565MPa;利用商用计算程序ST AN JAN,计算得到的气相煤油(分子式取为C10H22)Π空气混合物的理想C2 J爆震波后压力为1.9297MPa。

考虑推进剂的两相影响会使压力降低10%～20%,说明采用煤油Π空气也成功地产生了充分发展的C2J爆震。

通过煤油Π空气的爆震波试验,可见稀释剂不仅会大大降低混合物的可爆性,而且产生的C2J爆震波的波后压力也会降低,可以用来调节PDRE的性能。

图6给出了计算得到的爆震波压力随稀释剂(氮气)含量的变化。

3　结　论脉冲爆震火箭发动机是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念动力装置。

本研究进行的煤油Π氧254　推　进　技　术2004年Fig.5Pressures traces of detonation wave at frequency 6H z ,8H z and 10HzFig.6　Peak pressures of detonation w avevs.N 2m ass fraction气爆震波试验结果表明:采用煤油Π氧气可很容易地产生充分发展的爆震波,但爆震波易早熟,产生连续燃烧,需要在爆震产物和下一循环的新鲜混气间加入隔离气体;含有稀释剂的煤油Π空气试验结果表明:采用煤油Π空气作为推进剂,爆震性很差。