固体燃料冲压发动机(Solid Fuel Ramjet, SFRJ)具有结构简单、比冲高、使用安全等优点, 是一种具有广阔应用前景的动力推进系统^[1]。当前, SFRJ技术研究中应用的固体燃料主要有聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate, PMMA)、聚乙烯(Polyethylene, PE)和端羟基聚丁二烯(Hydroxyl-Terminated Polybutadiene, HTPB)等碳氢类固体燃料和含有颗粒(金属颗粒铝、镁和非金属颗粒硼等)的贫氧推进剂。对固体燃料点火和燃烧性能进行研究, 对于揭示固体燃料的点火和燃烧机理、推动固体燃料的工程应用和研发新型固体燃料具有非常重要的意义。

从20世纪60年代至今, 已经有国内外专家对固体燃料的点火性能进行了相关研究^[2]。Zarzecki等^[3]对PMMA在低压和低氧浓度环境中的燃烧特性进行了研究, 结果表明:环境压强为0.018~0.1 MPa、环境氧浓度为12%~21%时, PMMA的燃速受环境压强的影响较小, 且与环境压强和环境氧浓度都呈指数关系, 但在低压环境中对流换热损失减少, 使点火延迟时间缩短。Hedman^[4]采用激光作为点火源, 对添加了炭黑、金属颗粒和少量氧化剂的HTPB燃速进行了研究, 结果表明:在燃料表面, 金属颗粒出现了烧结现象, 炭黑会出现积聚现象, 燃料表面分解层的组分是影响燃速的主要因素。聂芝侠等^[5]研究了不同组分的铝镁贫氧推进剂的燃烧性能, 结果表明:燃速随氧化剂高氯酸铵(Ammonium perchlorate, AP)粒度的增加而增加, 随氧化剂高氯酸钾(KP)含量的增加而减少, 金属含量对燃速的影响较大, 而金属Mg/Al含量的比值对燃速的影响较小。王鸿美等^[6]研究了激光点火方式对硝酸酯增塑聚醚(NEPE)高能固体推进剂在不同点火热流密度情况下的点火性能, 结果表明:在热流密度小于6.7×10⁵ W·cm^-2时, 点火延迟时间随热流密度的增加明显缩短, 而热流密度大于该值时, 点火延迟时间受热流密度的影响很小。

固体燃料PE具有力学性能好、机械加工性能优、化学稳定性高、成本低廉等一系列特点, 而且燃烧产物主要是二氧化碳和水, 增强发动机的隐身性, 在国内外被广泛应用于SFRJ燃烧机理研究^[7-10]。但是固体燃料PE在SFRJ中燃烧时会出现点火困难、燃烧不稳定等现象。根据Metochianakis等^[11]的研究, SFRJ工作过程中, 通过辐射传热反馈到固体燃料燃面的热量至少占总反馈热量的15%, 而炭黑(Carbon Black)是一种典型的增强辐射吸热系数的固体可燃物。在固体燃料PE中添加炭黑, 是一种提高火焰对燃烧表面的热反馈强度、增强燃烧稳定性的重要措施。国内外在该方面的研究很有限, 不能清晰地揭示炭黑对固体燃料点火和燃烧性能的影响。为此, 本研究设计并加工了固体燃料加工装置和样品药柱加工装置, 制备了不同炭黑质量分数的固体燃料药柱, 进行了一系列实验, 揭示了固体燃料PE的点火机理, 并进一步研究了炭黑质量分数和环境压强对固体燃料点火和燃烧性能的影响。

实验用样品的组分配比见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 实验样品的组分配比 Tab. 1 Composition ratio of experimental samples sample mass fraction/% density/g·cm-3 density standard deviation/g·cm-3 HDPE carbon black S1 100 0 0.966 0.008 S2 95 5 0.977 0.011 S3 90 10 0.991 0.005 S4 80 20 1.016 0.006 S5 70 30 1.051 0.006 S6 60 40 1.087 0.009 S7 50 50 1.122 0.011

表 1 实验样品的组分配比 Tab.1 Composition ratio of experimental samples

样品中使用的聚乙烯粉为美国埃克森美孚公司生产的高密度聚乙烯(HDPE)牌号HMA-018, 粒径100目(154 μm); 炭黑为天然枣木炭粉, 使用200目标准分样筛分样, 保证炭黑粒径小于200目(74 μm)。样品制备时, 将HDPE粉和炭黑放入V型双臂混料机中均匀混合, 然后放入加工模具(如图 1a所示)中, 将模具放在恒温熔锡炉中恒温225 ℃保持30 min, 将模具取出放在压力机中, 恒定施加3 MPa的压力30 min, 最后进行退模, 取出成型的固体燃料。固体燃料冷却至常温后, 使用车床将固体燃料加工成尺寸为Φ24 mm×6 mm的柱状, 然后使用样品加工冲头(如图 1b所示)将固体燃料加工成Φ5 mm×6 mm的柱状样品(如图 1c所示)。对所加工的固体燃料进行了密度测量, 结果如表 1所示, 计算了各组分配比固体燃料密度的标准差, 结果表明各组分固体燃料密度标准差均小于0.011 g·cm^-3。

图 1(Fig. 1)

图 1 样品加工模具和样品药柱 Fig.1 Sample processing mold and sample grain

实验系统主要由CO₂激光器、燃烧室、光路装置、控制装置和数据采集装置组成, 其组成示意图如图 2所示。

图 2(Fig. 2)

图 2 实验装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of experimental device

CO₂激光器作为点火源, 出光功率可调, 光斑直径为3.7 mm。燃烧室为102 mm×120 mm×240 mm的立方体空腔, 前后两侧有40 mm×70 mm的钢化玻璃视窗, 顶部有一个直径为20 mm的通光孔, 配合光路系统调节激光光斑直径; 燃烧室和高压气瓶相连, 通过调节燃烧室内的充气量调节燃烧室压强, 压强数值在减压阀表盘上读取。控制系统由计算机软件和控制卡组成, 通过控制系统控制激光加载功率和加载时间。考虑到激光传播过程中激光能量的损耗, 每次实验前使用CO₂激光功率计对激光功率进行标定。数据采集系统由两个光电二极管、数据采集卡和计算机组成。两个光电二极管分别采集激光出光信号和固体燃料火焰信号, 信号放大器将两路信号转化为电压信号并放大。高速摄影仪以240 fps的帧频记录实验过程。

对表 1中7种样品在0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 MPa的环境中进行实验, 共35组实验工况, 每组实验工况进行5次实验, 并对实验结果求平均值。

在使用高速摄影仪拍摄录像时, 将发光二极管(LED)放入拍摄视窗内。当激光开始加载时, 光电二极管将采集到的光信号转化为电信号, 并经过放大电路输出给发光二极管, 发光二极管发光并被高速摄影仪捕捉, 将此时刻定义为实验过程的零时刻。

在测量点火延迟时间时, 将激光加载功率设定为260 W·cm^-2, 两个光电二极管分别对激光加载信号和固体燃料火焰信号进行采集, 并转化为电压信号显示在计算机上。定义固体燃料初始火焰信号与激光初始加载信号的时间差为固体燃料的点火延迟时间。图 3为固体燃料点火过程电压信号曲线(实验样品为S5, 环境压强为0.3 MPa), 其中横轴表示时间t, 纵轴表示传感器测得电压U, 可准确读出固体燃料初始火焰时间与激光初始加载时间, 测得点火延迟时间为173 ms。

图 3(Fig. 3)

图 3 固体燃料点火过程的光电信号 Fig.3 Photoelectric signal of solid fuel ignition process

在测量固体燃料的燃速时, 有部分炭黑积聚在固体燃料燃面形成炭黑层, 所以燃速计算采用质量燃速。在实验过程中, 控制系统接收到固体燃料火焰信号达到最大值(4 V)时, 停止激光加载; 当固体燃料火焰信号持续8 s时, 高压氮气阀和空气出口阀门同时打开, 高压低温氮气将火焰吹灭。由于激光加载时间相比总燃烧时间很短, 可将整个燃烧过程视为无外加热源情况下自持燃烧。实验前后的固体燃料的质量分别为m₀和m₁, 得到燃烧质量(m₀-m₁); 通过读取高速摄影仪拍摄录像中初始火焰出现时间t₁和熄火时间t₂, 得到燃烧时间(t₂-t₁), 定义固体燃料的燃速为:

式中, ${{\dot r}_m}$为质量燃速, mg·s^-1; m为质量, mg; t为时间, s。

根据文献[12]可知, 固体燃料PE高温分解时的产物取决于分解温度, 但主要分解产物是可燃性气体乙烯。图 4所示是高速摄影仪记录样品点火和燃烧过程的几个关键时刻。从图 4可以看出, 所有样品在不同环境压强下的点火过程相似。以图 4a中炭黑质量分数为5%的样品S2为例分析点火和燃烧过程, 激光开始加载后(0 ms), 样品表面受热后快速融化为粘稠液体, 并逐渐有白烟状的大分子分解产物在空气中自然对流上升扩散(440 ms); 随着热量的积累, 固体表面上升到一定温度后, 分解气体主要为无色透明的小分子气体; 当分解气体温度达到其活化能并有充足的氧气, 初始火焰出现(536 ms)并快速向上下传播(540 ms), 直到达到稳定燃烧(594 ms); 当撤去激光后燃烧火焰高度瞬间降低(598 ms), 然后在无外加热源条件下逐渐稳定燃烧(6000 ms)。通过上文分析可知, 各样品的点火过程均为典型的气相点火, 燃烧火焰属扩散火焰。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同环境压强下固体燃料点火和燃烧过程 Fig.4 The ignition and combustion process of solid fuel at different environmental pressures

对比分析图 4a中不同样品点火和燃烧过程, 当环境压强为0.1 MPa时, 随着炭黑质量分数的增加, 样品中PE的初始分解时间缩短, 分解气体中伴随着更多的炭黑, 初始火焰和稳定燃烧火焰都更加明亮, 但稳定燃烧火焰高度更低。当环境压强为0.3 MPa(图 4b)和0.5 MPa(图 4c)时, 炭黑质量分数对固体燃料的点火和燃烧的影响与环境压强为0.1 MPa时相同。上述现象的原因是, 随着炭黑的加入, 固体燃料吸收了更多的激光辐射能量, 加快了激光辐照对固体燃料的加热进程, 使固体燃料表面更快达到HDPE的初始分解温度, 缩短了固体燃料初始分解时间; 随着固体燃料热解的进行, 分解气体将部分小粒径的炭黑吹离固体燃料的表面, 并随分解气体上升, 点火完成后, 炭黑相对热解气体更加难以燃烧, 未燃尽的碳炭黑随火焰向上运动, 燃烧火焰呈黄色且更加明亮^[13]。

环境压强为0.1 MPa时, S1~S3样品燃烧后的固体燃料表面形貌如图 5所示。由图 5可见, 样品S1燃烧后的燃面致密光滑(图 5a); 样品S2燃烧后的表面有少量的炭黑(图中绿色箭头所指位置)积聚(图 5b); 样品S3燃烧后的表面有大量的炭黑积聚(图 5c)。根据图 5可知, 分解气体只能够将部分炭黑吹离固体燃料燃面, 而剩余部分炭黑在燃面处积聚, 形成炭黑层, 炭黑层的厚度随着炭黑质量分数的增加而增加。炭黑层阻止其下方的炭黑脱离固体燃料燃面, 这也是图 4a中样品S2、S3、S5、S7分在440, 384, 296, 204 ms时刻分解气体顶部形成“黑帽子”的原因。而且, 随着炭黑质量分数的增加, 炭黑层厚度随之增加, 影响火焰反馈热进一步向固体燃料内部传导, HDPE分解速率减慢, 稳定燃烧火焰高度更低。

图 5(Fig. 5)

图 5 固体燃料燃烧后表面形貌 Fig.5 Surface morphology of solid fuel after combustion

根据图 4进一步分析, 环境压强对不同组分配比固体燃料点火和燃烧的影响相似。对比分析图 4中S2样品在环境压强为0.1, 0.3, 0.5 MPa情况下的点火和燃烧过程, 随着环境压强的增大, 固体燃料初始分解时间缩短, 分解燃气扩散上升速度减慢, 初始火焰更加靠近固体燃料燃面, 火焰传播速度减慢, 稳定燃烧火焰高度增加, 燃烧火焰伴随着更多的絮状炭黑, 火焰中的黄色光增强, 火焰更加明亮, 火焰顶部聚集更多的炭黑, 激光热流对固体燃料燃烧的影响减弱。上述现象的原因是, 随着环境压强的增加, 分解气体在空气中的扩散混合速率减慢, 在燃面处最先达到点火氧浓度和点火温度, 初始火焰出现在固体燃料燃面处, 并且缓慢向上扩散。气相反应高温区域更加靠近燃面, 增强了火焰对固体燃料的热反馈, 固体燃料的分解速率加快, 点火热源的作用减弱, 同时固体燃料分解速率增大、稳定燃烧火焰更高。而火焰中心区域缺乏足够的氧气, 分解气体不能充分燃烧, 会有中间反应产物炭黑生成, 这也是火焰呈黄色的主要原因^[14]。

不同环境压强下点火延迟时间随炭黑质量分数变化情况如图 6所示。由图 6可以看出, 在相同的环境压强下, 随着炭黑的加入, 点火延迟时间急剧缩短; 当炭黑质量分数大于20%时, 随着炭黑质量分数的增加, 点火延迟时间缓慢缩短, 并很快趋于平缓; 在炭黑质量分数相同情况下, 随着压强的升高, 固体燃料的点火延迟时间急剧缩短, 当环境压强高于0.2 MPa时, 压强增大对点火延迟时间的影响很小。该现象的原因是, 随着炭黑的加入, 使固体燃料辐射吸收系数增加, 单位时间内吸收了更多的激光辐射能, 加快了固体燃料的受热分解, 使点火延迟时间急剧缩短。虽然炭黑会提高辐射吸热能力, 但是这种提高效果存在极限, 随着炭黑质量分数的增加, 提高效果逐渐减弱, 炭黑质量分数对点火延迟时间的影响也越来越弱。

图 6(Fig. 6)

图 6 不同炭黑质量分数和环境压强下的点火延迟时间 Fig.6 Ignition delay time under different mass fraction of carbon black and environmental pressures

由上述分析可知, 影响固体燃料的点火延迟时间的因素主要包括固体燃料表面热量积累时间、固体燃料分解时间和分解气体扩散时间。根据文献[15]可知, 固体燃料PMMA点火延迟时间与激光热流密度的关系符合式(2) :

式中, t_ig为点火延迟时间, ms; q为激光热流密度, W·cm^-2; A、B为常数。

由于炭黑的加入主要增加固体燃料对激光能量吸收的强度, 故引入修正系数k对热流密度进行修正, 得到点火延迟时间t_ig与炭黑质量分数φ_C的函数关系式:

式中, t_ig为点火延迟时间, ms; φ_C为炭黑质量分数; a、b、k为常数。

根据公式(3), 采用最小二乘法对图 6中不同环境压强下点火延迟时间与炭黑质量分数的关系进行拟合, 分别得到在不同环境压强下的拟合曲线(图 6中曲线)和拟合参数(表 2)。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同环境压强下点火延迟时间与炭黑质量分数的拟合结果 Tab. 2 Fitting results of ignition delay time with mass fraction of carbon black at different environmental pressures p/MPa a b k correlation coefficients 0.1 7.06×107 277.80 4.10×103 0.995 0.2 5.87×107 164.89 4.84×103 0.999 0.3 5.25×107 143.66 4.62×103 0.998 0.4 4.59×107 129.66 3.93×103 0.998 0.5 4.22×107 125.67 3.61×103 0.997

表 2 不同环境压强下点火延迟时间与炭黑质量分数的拟合结果 Tab.2 Fitting results of ignition delay time with mass fraction of carbon black at different environmental pressures

分析表 2中不同环境压强下点火延迟时间与炭黑质量分数关系的拟合结果可知, 常数a和b都随着压强的增大而减少, 且满足指数关系, 即a∝p^-3.082, b∝p^-0.548。

环境压强为0.1, 0.3, 0.5 MPa情况下, 不同组分配比固体燃料的燃速如图 7所示。根据图 7可知, 相同环境压强时, 固体燃料的燃速随炭黑质量分数的增大而减小。碳黑质量分数相同时, 固体燃料的燃速随环境压强的增大而增大。当炭黑质量分数增加大于5%时, 固体燃料的燃速随压强的增大缓慢增大, 此时炭黑质量分数为影响固体燃料燃速的主要因素。这是因为, 以HDPE为基底的固体燃料的燃烧方式为扩散燃烧, 而炭黑只能部分随着分解气体与空气掺混, 随着燃面的退移, 剩余部分炭黑逐渐在燃面积聚, 形成炭黑层(如图 5b和图 5c所示), 影响火焰反馈热进一步向固体燃料内部传导, 固体燃料中HDPE的分解速率降低。随着环境压强的增大, 分解气体扩散速率减慢, 气相反应区变薄, 使高温区更加接近燃面, 增强了高温火焰对固体燃料的热反馈, 固体燃料分解速率加快。随着炭黑质量分数的增加, 炭黑层的厚度增加更快, 进一步影响火焰对固体燃料的热反馈, 固体燃料中HDPE的分解速率降低, 所以当炭黑质量分数大于5%时, 固体燃料的燃速随压强的增大缓慢增大, 炭黑质量分数成为影响固体燃料燃速的主要因素。通过计算可知, 样品S2(炭黑为5%)在环境压强分别为0.1, 0.3, 0.5 MPa情况下, 燃速比在相同环境压强时样品S1分别降低13.76%, 20.76%和26.07%, 而文献[4]表明当在HTPB中添加质量分数为1%的炭黑时, 燃面退移率降低27%, 产生这种差别的原因可能是HTPB与HDPE的燃烧性能不同、实验工况不同等。

图 7(Fig. 7)

图 7 不同炭黑质量分数和环境压强下的燃速 Fig.7 Burning rate under different mass fraction of carbon black and environmental pressures

此外, 本研究中固体燃料是在辐射作用下点火燃烧, 由于炭黑的作用辐射吸收系数增加, 点火延迟时间缩短; 扩散过程主要为自然对流驱动, 环境压强的增加使得火焰高温区更靠近燃料燃面, 使热量反馈增强。在SFRJ工作过程中, 高温燃气与固体燃料之间为强迫对流换热, 并且对固体燃料表面也存在着一定的剪切作用, 炭黑颗粒可能不会积聚在固体燃料表面, 炭黑对点火燃烧过程的影响可能与本研究得到的成果存在一些差别。因而, 在本文研究基础上, 还需要对固体燃料在强迫对流环境下的点火燃烧过程进行研究, 进一步分析环境压强和炭黑质量分数对固体燃料的点火燃烧的影响。

(1) 以高密度聚乙烯为基底添加炭黑固体燃料的点火方式为典型的气相点火, 火焰属扩散火焰。随着炭黑质量分数的增加, HDPE初始分解时间缩短, 但是在燃烧表面形成的炭黑层厚度增加; 随着压强的升高, 初始火焰更加靠近燃烧表面, 火焰传播速度减慢, 火焰中新生成炭黑和黄色光的比例增加; 压强是影响稳定火焰高度的主要因素。

(2) 随着炭黑的加入, 固体燃料的点火延迟时间急剧缩短, 当炭黑质量分数大于20%时, 炭黑质量分数对点火延迟时间影响很小; 随着压强的增大, 点火延迟时间缩短, 但当环境压强大于0.2 MPa时, 压强大小对点火延迟时间的影响很小; 当激光加载热流密度为260 W·cm^-2、炭黑质量分数小于50%、环境压强为0.1~0.5 MPa时, 点火延迟时间t_ig和炭黑质量分数φ_C符合函数关系t_ig=a/(260+k×φ_C)²+b, 常数a和b都随着压强的增大而减少, 且满足指数关系, 即a∝p^-3.082, b∝p^-0.548。

(3) 环境压强相同时, 固体燃料的燃速随炭黑质量分数的增大而减小; 碳黑质量分数相同时, 固体燃料的燃速随环境压强的增大而增大; 当炭黑质量分数增加大于5%时, 炭黑质量分数为影响固体燃料燃速的主要因素。

(4) 本研究中分解气体扩散过程主要为自然对流驱动, 而SFRJ中高温燃气与固体燃料之间为强迫对流换热, 并且对固体燃料表面也存在着一定的剪切作用, 炭黑对点火燃烧过程的影响可能与本研究得到的成果存在一些差别, 还需要进一步研究在强迫对流环境下环境压强和炭黑质量分数对固体燃料点火燃烧的影响。