固体冲压发动机富燃燃气旋转爆轰波传播特性实验研究

摘 要：      为了研究固体冲压发动机富燃燃气的旋转爆轰特性， 本文以CH4/CO/H2混合气替代固体富燃燃气作为燃料， 常温空气为氧化剂， 研究了混合气的旋转爆轰波传播特性。  实验研究结果表明：  混合气质量比为1∶4.4∶0.67， 质量流量为54.5 g/s， 空气质量流量在370.9～782.3 g/s范围内， 能够起爆形成稳定的旋转爆轰波。  随着空气流量的增加， 旋转爆轰传播模态经历了单波、  双波对撞到四波对撞的变化过程。  爆轰波传播速度出现了先增大后减小的变化。  空气质量流量为484.9 g/s， 当量比为0.95时， 爆轰波速的最大值为1 167.8 m/s。

关键词：     固体冲压发动机；  富燃燃气；  混合气；  旋转爆轰；  传播模态

中图分类号：      V231.2+2

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2025）01-0014-09

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2024.0037

0 引  言

固体燃料具有易储存、  运输方便、  能量密度高等优点， 在军事领域有着广泛的应用。  固体冲压发动机^［1］采用贫氧固体燃料作为推进剂， 其工作方式为推进剂在燃气发生器内点火进行一次燃烧， 燃烧后生成的固体富燃燃气喷注进入燃烧室内与来流空气掺混并进行二次燃烧。  燃烧室内燃烧后所产生的高温气体经喷管加速膨胀后提供推力。  固体冲压发动机内的燃烧为常规的定压燃烧， 要进一步提升其性能较为困难。  鉴于爆轰燃烧能大幅提升热循环效率， 为了进一步提高固体冲压发动机的性能， 将固体冲压发动机燃烧室替换为旋转爆轰燃烧室（Rotating Detonation Combustor， RDC）， 形成一种基于固体冲压的新型旋转爆轰组合发动机。

该组合发动机以固体富燃燃气为燃料， 空气为氧化剂， 混合物在燃烧室内通过爆轰燃烧产生推力。  由于旋转爆轰波 （Rotating Detonation Wave， RDW）是一种由激波和燃烧反应区耦合而成的燃烧波， 燃烧波传播速度为千米每秒量级， 近似等容燃烧。  组合发动机具有放热速率快、  结构简单紧凑、  推重比大、  工作范围宽等优点^［2-3］。

研究人员对固体冲压发动机的掺混燃烧过程^［4-5］、  燃烧室整体构型^［6］、  发动机推力性能^［7-8］、  喷注结构^［9］、  火焰稳定性^［10］、  富燃燃气掺混燃烧效果^［11］以及发动机性能的关键因素^［12］等方面开展了大量研究， 针对固体冲压与旋转爆轰组合发动机的研究较少。

对于固体冲压旋转爆轰组合发动机， 一次燃烧后的固体富燃燃气的旋转爆轰起爆以及爆轰波稳定传播技术， 是发动机稳定工作的关键。  现有针对旋转爆轰发动机（Rotating Detonation Engine， RDE）的研究大多采用气态燃料H^［13-14］2、  C2H^［15-17］4或者液态燃料煤油^［18-19］。  在固体燃料的旋转爆轰方面， Xu等开展了在H2中添加煤粉的旋转爆轰试验^［20］， 还比较了铝粉/空气与H2/空气旋转爆轰差异^［21］。  在富燃燃气旋转爆轰研究方面， Bai等对富燃燃气的旋转爆轰进行了深入研究， 开展了大量实验，  研究了高温富氢燃气旋转爆轰波自起爆点火机理^［22-23］以及煤油富燃燃气旋转爆轰波传播特性^［24-25］。

固体富燃燃气由于其产生时反应复杂， 含有多种气态组分， 因此在研究其旋转爆轰特性时， 选取其中主要燃料成分CH4/CO/H^［26］2， 组成混合气， 替代原有的固体富燃燃气进行研究。  在混合气旋转爆轰方面，  Zhong等^［27］进行了C2H4/C2H2/H2混合气旋转爆轰实验，  发现随着C2H2和H2组分比例增加会增加混合气爆轰波稳定工作范围。  Xue等^［28］测试空气喷注环缝宽度、  燃烧室长度对CH4/CO/H2混合气旋转爆轰的影响， 爆轰波压力随着空气喷注环缝宽度增加而增大。  Yang等^［29］开展了低当量比下CH4/CO2/H2混合气旋转爆轰实验， 增加燃料流速可以降低稀薄燃料下的起爆延迟时间。  Wang等^［30］成功实现了摩尔比为9：  16的CH4/C2H4在常温空气中旋转爆轰。  Na等^［31］在H2/空气旋转爆轰中掺混CH4， 增加CH4会降低燃料反应性， CH4体积分数高于20%后将无法获得稳定旋转爆轰波。  Bykovskii等^［32］采用不同含量H2的CH4/H2混合气与空气进行旋转爆轰， 发现H2含量降低， 爆轰波稳定性减弱。  Zhou等^［33］对C2H4/C2H2/H2混合物进行旋转爆轰实验， 结果表明C2H4/C2H2/H2混合物形成爆轰波的当量比范围比相同质量流量的H2燃料窄， 爆轰波头高度与H2燃料相似。  Zhang^［34］对CH4/H2与O2爆轰极限进行研究， 认为单波模态是爆轰极限的独特特征， 可以作为爆轰极限的定性标准。

本文针对贫氧混合状态的丁羟（HTPB）和高氯酸铵（AP）推进剂， 采用CH4/CO/H2混合气体替代该贫氧固体燃料一次燃烧产物中的气态组分， 对混合气的旋转爆轰波传播特性、  工作当量比区间进行实验研究， 所得结果可以为固体冲压旋转爆轰组合发动机的研制提供技术基础。

1 实验装置与测控系统

混合气旋转爆轰实验系统如图1所示， 主要包括燃料/氧化剂供给系统、  控制系统、  数据采集系统、  热射流点火起爆系统以及旋转爆轰发动机等。  燃料供给系统供应CH4/CO/H2混合气， 混合气的种类和质量比根据丁羟和高氯酸铵推进剂燃烧后产生的富燃燃气组分确定。  固体推进剂一次燃烧后主要产物及其质量分数如表1所示， 选取其中主要气态燃料组分CH4/CO/H2代替固体富燃燃气组成混合气， 三种燃料气体质量比为1∶4.4∶0.67。  氧化剂供给系统为RDE提供常温空气。  数据采集系统包括静态压力传感器（PT301SW-5MPa）、  高频动态压力传感器（PCB-113B24）以及涡轮流量计。

RDE由混合气集气腔①、  空气集气腔②、  喷注结构以及旋转爆轰燃烧室③组成。  RDC环形燃烧室内径和外径分别为70 mm和110 mm， 宽度为20 mm， 长度为180 mm。在燃烧室出口位置设置有收敛段， 燃烧室出口宽度为8 mm， 阻塞比为0.55。  混合气和空气采用非预混的喷注结构， 其喷注结构剖面示意图如图2所示。  混合气由均匀分布在内壁面的120个1 mm圆形喷孔， 喷注进入旋转爆轰燃烧室。  空气通过环缝喷注进入旋转爆轰燃烧室， 喷注环缝采用收缩扩张的拉瓦尔型流道， 减少爆轰反压对气体喷注的影响。  根据空气流量， 选择1.5 mm宽度的空气喷注环缝， 保证空气的喷注压力在有利于旋转爆轰的范围内。  实验采用氢/氧热射流管进行点火， 点火位置在红色圆点处。

在热射流管壁面安装高频动态压力传感器（PCB0）， 在RDC外壁面安装高频动态压力传感器（PCB1、 PCB2、 PCB3和PCB4）， 安装位置如图3所示。 PCB1～PCB3安装在与点火位置平齐的圆周平面上， PCB4安装在RDC出口方向与PCB1轴向距离30 mm的位置处， 实验中的采样频率为500 kHz。 在混合气集气腔、 空气集气腔以及RDC外壁面上各布置一个静态压力传感器， 编号P1、 P2、 P3， 位置如图1所示。

2 实验结果与分析

实验研究了混合气/常温空气的旋转爆轰波传播特性， 实验中保持混合气质量流量稳定在54.5 g/s， 空气的质量流量范围从188.7 g/s增加至906.8 g/s， 当量比范围从2.44减小至0.51。

2.1 旋转爆轰发动机工作过程

对RDE的工作过程进行分析， 实验装置各腔室静态压力曲线如图4所示。  在1.1 s时刻， 空气开始喷注， 空气腔压力迅速上升至3.8 bar后稳定。  在2.5 s时刻， 混合气开始喷注， 混合气腔压力迅速上升至2.6 bar。  待到空气和混合气腔室压力稳定后， 即燃料和氧化剂供应稳定， 达到RDC点火起爆条件。  随后热射流管填充， 点火产生高温高压热射流进入RDC， RDC内形成旋转爆轰波。  在RDE工作时， RDC内静态压力为2.4 bar， 此时由于爆轰反压的影响， 混合气集气腔和空气集气腔压力分别上升至3.1 bar和4 bar。  在2.7 s时刻， 混合气断供， RDC熄爆， 空气延迟3 s断供， 进行RDC内残余气体吹扫， 实验结束。

2.2 混合气旋转爆轰波传播模态分析

表2所示为CH4/CO/H2混合气与常温空气旋转爆轰的实验结果。  实验中保持混合气质量流量稳定， 改变空气的质量流量进行实验， 能够在0.59～1.24的当量比范围内起爆， 随着当量比的降低， 出现多种RDW传播模态， 包括：  稳定单波（Single Rotating Detonation Wave， SRDW）、  双波对撞模态（Two-counter Rotating Detonation Waves， TCRDW）和四波对撞模态（Four-counter Rotating Detonation Waves， FCRDW）。  下面将详细分析不同传播模态下旋转爆轰的特性。

2.2.1 单波模态分析

在0.95～1.24当量比范围内， 即空气流量在370.9～484.9 g/s范围内时， RDW以单波模态传播。  下面以工况9为例对混合气旋转爆轰波的传播过程进行分析。  混合气质量流量为54.5 g/s， 空气质量流量为484.9 g/s， PCB1所采集到的动态压力曲线如图5所示。

对PCB1压力数据进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform， FFT）和短时傅里叶变换（Short Time Fourier Transform， STFT）所得到的频域分析图如图6所示， 取样时间长度为RDC工作全程。  从图6（a）中可以看出旋转爆轰波在RDC内传播的主频为3 381 Hz。  依据式（1）可以计算出爆轰波传播的平均速度为1 167.8 m/s， 其中f为主频， D为RDC外径。  通过CEA软件计算此工况下的理论C-J速度为1 815.8 m/s， 实验获得的波速为理论值的64.3%。  RDW波速较低的原因， 其一是由于混合气组分中含有不易起爆的CH4， 其二是因为混合气与空气在RDC内掺混不均匀造成爆轰波速度损失。  由图6（b）可知， RDW全程以3 358 Hz的频率传播， 直至实验结束时， 在2.7 s后， 由于混合气断供导致传播频率下降。