含石蜡燃料作为新型高退移速率的固液混合发动机燃料, 近年来受到广泛关注。石蜡密度、燃烧热值和HTPB相当, 而退移速率是端羟基聚丁二烯(HTPB)燃料的3~4倍[1]。在美国国防部先进研究项目局(DARPA)和美国航空航天局埃姆斯研究中心(NASA Ames)的支持下, 斯坦福大学(Stanford)配制了SP-La石蜡基燃料, 进行了超过300次发动机地面试车试验[2]。1999年, 斯坦福大学将直径50.8 mm, 长1.7 m的含石蜡燃料混合火箭发射至1829 m高度[3]。2003年, 斯坦福大学联合洛克希德·马丁公司又进行了两次飞行试验, 飞行高度分别为4600, 1670 m。2004年, 斯坦福研究生设计并制造了外径3 in的石蜡燃料混合探空火箭, 飞行高度为2871 m, 总冲达3500 N·s[4]。
对固液混合发动机中燃料的能量特性进行分析, 是研究燃料配方设计和组分选择的重要手段。吴俊峰[5]通过能量特性分析, 认为HTPB燃料和含石蜡燃料与同种氧化剂(液氧、98%H2O2、N2O)组合后, 能量特性基本相同, 燃料的不同添加物中, AlH3能显著提高发动机真空比冲, Al能显著提高燃料密度比冲。刘长宝[6]对HTPB推进剂进行能量分析得到, 随着固体含量(高氯酸铵、铝粉等)的增加, 推进剂理论比冲也不断增加。国内外对固液混合发动机固体燃料燃烧特性的研究有很多, 影响最深远的是Marxman[7]在19世纪60年代提出的扩散控制理论, 研究认为固液混合火箭发动机中促进固体燃料燃烧的主要原因是扩散火焰对燃料热解表面的换热作用, 并归纳得到燃料退移速率与氧化剂流率的关系式。陈灏[8]通过热平板导热实验研究, 得到固体燃料表面温度与燃速的变化关系。杨玉新[9]通过建立固液混合火箭发动机固体燃料瞬态退移速率预示的数值模型, 得到固体燃料热解表面的温度以及退移速率随着发动机的工作时间的关系。但以上文献均未对含石蜡燃料的退移速率及其影响因素进行研究。
本研究通过计算含石蜡燃料和HTPB燃料不同配方的能量特性, 采用固气矩形混合发动机端面燃烧法进行点火实验, 测量燃料试样在混合发动机内的压强、退移速率等参数, 分析不同组分燃料、氧气密流等因素对退移速率的影响。
2 燃料能量特性分析采用吉布斯最小自由能法[10], 对固气混合火箭发动机的燃烧室和喷管进行热力计算, 通过比较不同组分燃料配方的能量特性参数, 分析不同组分含量对燃料能量特性的影响。
本研究中能量特性计算条件:初始温度为300 K, 燃烧室工作压强为3.4 MPa, 喷管扩张面积比Ae/At=70, (其中Ae为喷管出口面积, At为喷管喉径), 氧化剂采用液氧。待计算的燃料配方如表 1所示, 燃料的配方主要由丁羟、石蜡、Al、Mg、AP和C组成, 其中H0~H3为HTPB配方燃料, S0~S5为含石蜡配方燃料。各燃料配方的能量特性计算结果如表 2所示:H1~H3和S1~S5的最佳氧燃比O/F=1.9, O/F=1.6为富燃时氧燃比, O/F=2.4为富氧时氧燃比(此时, H0和S0达到最佳氧燃比)。
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表 1 含石蜡燃料和HTPB燃料的配方表 Tab.1 Formulations of paraffin-based fuel and HTPB fuel |
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表 2 不同氧燃比条件下燃料能量特性 Tab.2 Energy characteristics of fuels at different O/F |
由表 2可以看出:
(1) 比较H1和H2, 在氧燃比为1.6时, H2的比冲比H1高26 N·s·kg-1, 在氧燃比分别为1.9和2.4时, H2的比冲比H1低6 N·s·kg-1和37 N·s·kg-1。可见, AP含量增加可增多燃料的氧含量、降低最佳氧燃比, 但比冲下降。
(2) 比较H2和H3, 在氧燃比为1.6、1.9和2.4时, H2的燃温分别比H3高43K、23K和8K。H2的比冲比H3低29 N·s·kg-1、36 N·s·kg-1和43 N·s·kg-1。随着氧燃比不断增加, C含量对燃温的影响逐渐减弱, 对比冲的作用也不断降低。
(3) 比较S0~S5和H0~H3, 在氧燃比为1.9时石蜡燃料和HTPB燃料比冲达到最大, 分别为3331 N·s·kg-1和3389 N·s·kg-1, 石蜡燃料和HTPB燃料的比冲效果基本相同。
(4) 比较S3和S4, 在氧燃比为1.6时, S4的比冲比S3大31 N·s·kg-1, 在氧燃比分别为1.9和2.4时, S4的比冲比S3低23 N·s·kg-1和39 N·s·kg-1, 且S4的燃温总高于S3。可见, 加入Al能提高燃烧室温度, 而比冲略微降低。但Al密度(2.7 g·cm-3)是HTPB密度(0.91g·cm-3)的2倍多, 加入Al能有效提高燃料密度比冲。
通过对表 2不同配方能量特性进行对比, 分析燃料中组分含量的不同对能量特性的影响。同时, 考虑到石蜡的高退移速率和制作工艺, 选取石蜡含量为35%的S3和其余组分含量与之相同的H2作为理想配方。对H2和S3进行不同氧燃比含量的计算, 进一步分析氧燃比对比冲性能的影响。设定条件如下:燃烧室初始温度为300 K, 燃烧室工作压强为3.4 MPa, 喷管扩张面积比Ae/At=70, 氧化剂采用液氧, 氧燃比O/F=1.5~3。H2和S3的氧燃比与比冲的关系如图 1所示。
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图 1 H2和S3比冲随氧燃比的变化 Fig.1 Curves of Is of H2 and S3 with the change of O/F |
由图 1可知, H2和S3在氧燃比为1.9时, 比冲达到最大分别为3353.0 N·s·kg-1和3303.1 N·s·kg-1, 最佳氧燃比为1.9。当O/F低于1.9时, 随着氧化剂质量流率的增加, 燃料反应充分, 燃烧释放的热量增多, 发动机的比冲随之增大。超过最佳氧燃比1.9后, 部分氧气不再反应, 增大氧化剂质量流率对燃料的反应几乎没有影响, 反而随着氧气的增多比冲降低。
3 固体燃料退移速率测试为了研究氧气质量流率对退移速率的影响, 采用固气矩形混合发动机对含石蜡燃料S3、HTPB燃料H2进行点火实验。通过测量“压强—时间”曲线确定燃料工作时间, 利用燃料肉厚和工作时间的比值得到燃料在当前工况下的平均退移速率[11]。通过分析不同配方和氧气质量流率对退移速率的影响, 得到氧气密流与退移速率的关系式。
实验装置图如图 2所示, 主要包括氧气瓶、减压阀、电磁阀、单向阀和流量调节器, 通过调节减压阀和流量调节器确保氧气质量流率在发动机工作过程中稳定进行。图 3为固气矩形发动机的点火实验, 发动机结构示意图见图 3a, 发动机工作过程图见图 3b所示。
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图 2 固气混合发动机测试系统 Fig.2 Gas-solid hybrid engine testing system |
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图 3 固气矩形混合发动机实验 Fig.3 Experiment of solid-gas rectangular hybrid engine |
先利用计算机控制电磁阀和流量调节器, 将氧气按预定质量流率喷入燃烧室。待氧气质量流率与燃烧室压强稳定后, 通过点火装置将固体燃料点燃, 利用压强传感器和热电偶测得燃烧室的压强与温度。
实验中所采用的燃料配方为表 1中的H2和S3, 选择实验的工作压强为1~2 MPa。为了减小压强变化对退移速率的影响, 在氧气质量流率为25, 30 g·s-1时, 选择喷管喉径为8 mm; 在质量流率为35, 40 g·s-1时, 选择喷管喉径为10 mm, 以保证燃烧室工作平均压强在一定的变化范围内。
4 结果与分析 4.1 实验重现性分析在氧气质量流率为40 g·s-1, 喷管喉径为10 mm工况下, 对肉厚相同的石蜡燃料S3进行三次退移速率测试, 三次实验测得的p-t曲线如图 4所示。
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图 4 石蜡燃料三次重复性实验的p-t曲线 Fig.4 Three repeated experimental pressure-time(p-t) curves of paraffin-based fuel |
由图 4可知, 工作稳定后实验的p-t曲线均没有出现大的跳跃, 三次重复性实验所得退移速率为1.08、1.09、1.16 mm·s-1, 平均值为1.11 mm·s-1, 相对误差分别为2.70%、1.80%、4.50%。考虑到固气混合发动机中, 影响退移速率的综合因素(氧气质量流率、燃料表面固相与气相反应等)较多, 认为上述实验结果相对误差在可接受范围内。
4.2 石蜡和氧气质量流量对退移速率影响在不同氧气质量流率下, 对两种配方燃料H2和S3分别作3次点火实验, 取其中有效实验的平均值作为燃料的实际退移速率, 结果如表 3所示。
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表 3 氧气质量流率对H2和S3燃料退移速率的影响 Tab.3 Effect of oxidizer mass rate on the H2 and S3 fuel′s regression rate |
由表 3可知, 在氧气质量流率分别为25, 30, 35, 40 g·s-1时, 石蜡燃料S3的退移速率分别是HTPB燃料H2退移速率的1.68, 1.74, 1.58, 1.63倍。可见, 在相同的质量流率下, 含石蜡燃料的退移速率高于普通的HTPB燃料。对相同配方, 随着氧气质量流率的增加, 燃料退移速率也不断增加。
在发动机工作时, 氧气通过喷盘均匀进入燃烧室, 与固体燃料反应生成大量的热, 使燃料表面融化形成一层液体薄膜, 在液体表面气流的作用下, 石蜡燃料快速雾化形成液滴进入气相[1]。而HTPB燃料燃烧时并不能快速雾化[12]。石蜡液滴的雾化极大地增强了燃料的质量输运, 从而提高了表面退移速率, 这种高退移速率属于石蜡燃料本身的一种属性。混合发动机中, 由于氧化剂质量流率的增加, 燃料表面气流速度增大, 向固体燃料表面扩散程度加剧, 导致固体燃料的表面温度升高、增加表面热反馈、燃烧反应更加剧烈, 从而退移速率增加[13]。
4.3 退移速率与氧气密流的关系已有文献研究成果表明[11-13], 固液混合火箭发动机的固体燃料退移速率一般受燃烧室压强影响较小, 而受燃料配方、燃烧室结构和氧化剂密流Go影响较大。其中, 燃料退移速率与氧化剂密流之间满足经验关系式[7]:
| $ r = a{G_{\rm{o}}}^n, {G_o} = \dot m/{A_{\rm{p}}} $ | (1) |
式中, a、n是实验得到的经验参数; Go为氧化剂密流, g·(cm2·s)-1;
根据表 3所得的数据, 可拟合得到H2配方和S3配方的退移速率与氧气密流关系曲线, 见图 5。
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图 5 燃料退移速率与氧气密流关系的拟合曲线 Fig.5 The fitting curves of fuel regression rate and Go |
由图 5及式(1)可得, H2和S3的退移速率:
rH2=0.1323Go0.7822 mm·s-1; rS3=0.249Go0.7103 mm·s-1。
燃料的退移速率随着氧气质量流率的增加而增加, 石蜡燃料的退移速率明显高于HTPB燃料的退移速率。本研究中石蜡燃料退移速率约为HTPB的2倍, 与文献[1]中结论基本相同。
5 结论(1) 在氧燃比为1.9时, 石蜡燃料和HTPB燃料达到最大理论比冲分别为3331, 3389 N·s·kg-1, 石蜡燃料和HTPB燃料的理论比冲效果基本相同; 加入AP使燃料中氧含量增多, 但最佳氧燃比和比冲下降; 加入Al能提高发动机燃烧室温度和密度比冲。
(2) 在氧气质量流率分别为25, 30, 35, 40 g·s-1的条件下, 石蜡燃料(S3)的退移速率分别为0.79, 0.92, 1.00, 1.11 mm·s-1, HTPB燃料(H2)的退移速率分别为0.47, 0.54, 0.63, 0.68 mm·s-1。在相同的氧气质量流率下, 含石蜡燃料的退移速率高于普通的HTPB燃料。在相同的配方下, 随着氧气质量流率的增加, 燃料退移速率也不断增加。
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The energy characteristics of paraffin-based fuel and HTPB fuel were calculated and experiment analysis was done for the rectangle solid-gas hybrid engine.