冲压发动机研制过程中需进行大量的地面直连试验以研究其点火起动和燃烧性能^[1-2]。发动机在直连试验时需要地面试验台为其提供高温来流空气,试验台常用的空气加热方式有燃烧加热、电弧加热、蓄热加热、激波加热等^[3-7]。其中燃烧加热是直接向空气流中喷注燃料进行燃烧以提高模拟空气流温度的一种加热方式,这种方式具有使用维护方便、试验准备周期短、运行成本较低以及可以长时间工作的优点,被广泛应用于国内外的冲压发动机试验台或高超声速高温风洞中。

为了实现发动机在大空域宽速域飞行包线范围内多个状态点的试验,试验系统燃烧加热装置需要为发动机提供流量和温度能够宽范围调节的模拟热空气,并保证空气中氧气组分的含量与环境大气一致^[8]。为了模拟宽范围可调的来流热空气,日本的超燃冲压发动机自由射流试验台(RJTF)的空气加热器采用蓄热加热和燃烧加热两级组合加热方式^[9],美国阿诺德工程发展中心(AEDC)APTU风洞的空气加热器采用更换喷油装置等部分组件的办法^[10-13],国内部分科研院所采用多台空气加热器组合的方式。这些方式虽然实现了空气流量和温度的宽范围变化,但在一定程度上增加了试验装置的复杂性以及维护难度。可见宽范围可调的空气加热器是冲压发动机试验系统具备宽范围试验能力的关键设备,目前有关宽范围可调的空气加热器详细的技术方案及试验研究结果未见文献报道。

为了实现试验系统长时间运行,减小供应系统规模,燃烧空气加热器常使用液体推进剂组合(如液氧/酒精,液氧/煤油等),而液体燃料的雾化主要是通过喷嘴来实现。喷嘴的形式多种多样,其中直流喷嘴和离心式喷嘴应用最为广泛。这两种喷嘴均属于压力雾化式喷嘴,其流量变化范围较大时,喷嘴压降会变得很高,这就限制了单台加热器的流量调节范围^[14]。为了实现流量大范围调节而研制的双路离心式喷嘴在低工况下由于介质压降低雾化效果仍然较差,使得燃烧性能恶化,影响来流品质。为了解决来流空气温度和流量大范围调节以及加热器低工况下燃烧不完全的问题,本文采用一种经过优化的直流喷嘴来组织燃烧,研制了宽范围变流量燃烧加热器,并对其进行了试验研究以获得该加热器的点火和燃烧特性。

本文研究的宽范围变流量燃烧加热器为空气/液氧/酒精三组元富氧燃烧加热器,采用等离子点火器进行点火。为了获得燃烧加热器宽范围变流量工作特性,通过调节总流量使其流量变化范围达到10倍。加热器工作参数范围如表1所示。

表1 燃烧加热器工作参数范围
Tab.1 Range of working parameters of combustion heater

燃烧加热器试验系统包括空气供应系统、燃料供应系统、液氧供应系统、氮气供应系统、冷却水供应系统、数据采集系统、控制系统以及等离子点火系统等,试验系统原理简图如图1所示。燃烧加热器在试验台上水平安装固定,如图2所示。其中空气和氮气均采用高压储罐储存、落压式供应,采用经过标校的音速孔板保证流量,试验过程中通过测量音速孔板入口压力和温度计算供应流量。酒精和液氧采用氮气挤压方式供应,通过控制储箱压力保证流量,试验过程中采用涡轮流量计测量流量。冷却水采用落压式供应,通过保证入口压力满足加热器冷却要求。数据采集系统用来采集各路介质沿程供应压力、流量及温度,以及加热器室压等。控制系统主要实现加热器的时序控制,保证各路介质按预定时序供应和切断以及加热器的起动和关机。等离子点火系统主要包括气体供应系统、电源系统和测控系统,用来实现加热器的重复可靠点火。

试验主要测量参数包括:介质流量(液氧和酒精)、供应系统压力(各贮箱箱压及管路压力)、加热器各部位压力(各集液腔压力、集气腔压力及燃烧室室压)及温度(液氧贮箱及管路温度、加热器液氧集液腔温度、音速孔板前温度)。主要测量手段和设备包括:①压力采用压电式压力变送器进行测量,精度等级0.25级; ②液氧路温度采用低温热电偶进行测量,精度±1.5 ℃或±1.5%t,其他路温度采用常温热电偶进行测量,精度±2.5 ℃或±0.75%t; ③流量采用涡轮流量计进行测量,精度等级0.5级。

图1 试验系统原理简图
Fig.1 Schematic diagram of test system

图2 加热器安装结构图
Fig.2 Installation structure chart of heater

燃烧加热器的点火起动过程是一个非稳态、参数大范围急剧变化的过程,在这个过程中燃料与氧化剂在很短的时间内喷射进入燃烧室,经过雾化、蒸发、混合和燃烧等一系列极为复杂的物理化学变化,燃烧加热器工作过程参数如流量、温度和压力等发生大幅度的变化^[15],并且包括热冲击、压强及加速度等在内的各种载荷作用在加热器上,使加热器处于一种高温、高压和强冲击的恶劣工作环境,因此起动过程最为关键。

该燃烧加热器为空气/液氧/酒精三组元燃烧器,需要合理设置3种介质进入燃烧室的先后顺序^[16]。考虑到该加热器大部分空气位于边区,对点火影响较小,因此在液氧和酒精进入燃烧室之前,空气先进入燃烧室并且保持压力稳定。对于液氧和酒精,一般先进入燃烧室的介质为沸点较低的介质,这样设置主要是考虑到沸点较低的介质更容易汽化,从而减少燃烧室内的介质积存量。因此,液氧/酒精介质组合中可采用沸点较低的液氧先进入燃烧室的方案^[17]。

关机过程要求燃烧加热器内的火焰尽可能快地熄灭,同时保证推进剂不在燃烧室内大量积存^[18]。由于燃烧加热器为富氧加热器,在关机过程中如先关闭液氧阀,再关闭燃料阀,存在富氧程度降低的过程,热流密度和燃烧室温度会升高,而且后关闭燃料阀,还会造成液体燃料在燃烧室内的大量积存。如果先关闭燃料阀,再关闭液氧阀,由于加热器燃料流量小,在燃料阀门关闭后,燃料流量迅速减小,燃烧室内混合比偏向更富氧状态,导致火焰无法稳定,加热器迅速熄火,并且这样不会造成燃料的积存,更有利于加热器重复使用。综合比较采用富氧关机模式,即先关闭燃料阀,再关闭液氧阀更合理。另外在关机过程中还采取了吹除措施,目的是将加热器集液腔和系统管路内残留的介质吹除干净,防止介质积存,影响重复起动。

通过对宽范围变流量三组元燃烧加热器的试验研究,得到以下几点结论:

1)燃烧加热器在10倍多的流量变化范围内实现了高效燃烧,其中设计点燃烧效率达到了97%。

2)燃烧加热器采用经过优化的直流喷嘴结构组织燃烧实现了低喷注压降下的可靠点火和稳定燃烧,其中加热器点火成功率100%,稳定工作过程室压波动小于1%。

3)燃烧加热器采用等离子点火火焰先进入燃烧室,随后氧化剂、燃料依次进入燃烧室的点火程序合理。