研究者采用NASA的CEA软件,先作计算基准假设:①平衡流; ②室压1.0 MPa; ③推进剂温度273 K; ④喷管面积比60:1。

从10个方面对候选的10种燃料(乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、丁烷、氨、甲醇、乙醇)提出了以下要求:

1)燃料的急性毒性应属于毒性危害III类或更高;

2)该燃料不应具有致癌、致突变和/或再氧化危险等级;

3)空气中燃料的自燃温度大于400 K;

4)燃料与氧化氩氮混合后推进剂温度应在273 K和临界温度之间;

5)燃料在低于7.2 MPa的压力下爆炸分解温度不得低于309 K;

6)预混合推进剂在跌落锤试验下的冲击敏感性应小于1 J;

7)预混合推进剂的年分解率应小于0.2%;

8)预混合推进剂的比冲应大于240 s;

9)预混合推进剂的体积比冲应大于249 000(kg·s)/m³;

10)在273 K和混合物的临界温度之间,预混合推进剂的蒸气压应大于1.5 MPa。

从8个方面对选择的燃料进行了评分:①比冲; ②饱和液体密度; ③尽可能小的蒸气压力; ④在沸点时气相组成; ⑤不满足需求的风险; ⑥最小点火能量; ⑦自燃温度; ⑧燃烧温度。

结果乙醇的评分最高,其次是甲醇、氨、丙烷、丙烯等。氧化亚氮与乙醇按照理论混合比下的推进剂物性如表1所示。

表1 氧化亚氮与乙醇混合物理论性质
Tab.1 Theoretical properties of the mixture of nitrous oxide and ethanol

点火试验选用氧化亚氮乙醇一体化推进剂,采用英国AEL公司(Airborne Engineering Limited)600 N铜热沉推力室,气氧气氢火炬点火,喷注器为莲蓬头结构形式。点火试验在AEL公司位于Westcott的试验区进行。首先进行了冷调试验,流量、温度、压力等参数正常。点火系统及预调试验如图1所示。

图1 点火系统及预调试验
Fig.1 Ignition system and pre-adjustment test

图2 点火试验及室压曲线
Fig.2 Ignition test and chamber pressure curve

表2 点火试验参数
Tab.2 Ignition test parameters

在最后的试验过程中,观察到发动机头部出现金属火星。结束试验后,分解发动机,检查喷注器,发现喷注器头部有烧蚀融化现象。分析认为出现此种现象的原因主要是传热冷却设计不够合理,造成烧蚀现象。烧蚀时试验现象及烧蚀的喷注器如图3所示。

从荷兰的研究可以看出,其燃料选择从源头上避免了回火现象的发生,给动力系统防回火设计减轻了压力; 但由于氧化亚氮体系的饱和蒸气压不够高,需要另外设计增压系统,以确保系统的压降满足需求。

图3 点火烧蚀现象
Fig.3 Ignition ablation

2016年,DLR的Werling研究团队对喷注器采用多孔材料进行了防回火研究。试验采用火花塞点火,燃烧室分为两部分,一部分为点燃室,另一部分为防回火室,如图4所示。点燃室配有石英视窗,以观察不同测试条件下的火焰传播行为。火焰传播行为采用高速摄影来记录。

图4 采用多孔材料的点火试验装置
Fig.4 Ignition test device using porous materials

图5 不锈钢和铜防回火材料
Fig.5 Fire-proof materials of stainless steel and copper

表3 不同防回火材料参数
Tab.3 Parameters of different fire-proof material

研究表明:两种烧结材料不同厚度和孔径对防回火过程均有影响:

1)多孔材料的淬熄火焰能力依赖于多孔材料的厚度,材料越厚,淬熄能力越强。对于7 mm厚多孔材料SIKA R200,临界淬熄佩科莱数高于40,对于10.5 mm厚多孔材料SIKA R200,临界淬熄佩科莱数高于80。

2)孔径越小,淬熄火焰能力越强。相同的孔径下,SIKA-B材料压降小于SIKA-R材料。相同孔径下,SIKA-B铜粉末烧结材料的淬熄能力弱于SIKA-R不锈钢粉末烧结材料。分析认为出现这种情况的原因在于铜基材料具有催化活性^[38]。

2018年,DLR研究人员采用毛细管防回火结构,研究了毛细管不同长度和孔径对火焰传播速度和火焰淬灭的影响。试验共进行了132次。点火装置如图6所示,预混好的氧化亚氮乙烯推进剂从右边进入,穿过毛细管后在左边的点燃室被点燃。在整个测试过程中,点火和火焰传播过程采用高速摄影来记录。点燃室和防回火室内径均为25 mm,长度91 mm。点火室和防回火室通过多根毛细管相连。毛细管作为阻火器,毛细管内径从0.1 mm到0.5 mm多种规格,每种规格进行切换,长度21 mm,毛细管装置如图7所示。

图6 采用毛细管的点火试验装置
Fig.6 Ignition test device with capillary tube

图7 配备毛细管的装置
Fig.7 Fittings with a selection of tested capillaries

1)从火花塞到毛细管前的固定位置,不同点火压力下火焰传播速度不同。压力越大,火焰传播速度越大,压力上升和速度上升呈线性关系。

2)在一个试验过程中,火焰传播速度可分为以下部分:①在电火花塞周围,球形层流火焰开始加速; ② 当火焰到达壁面时,在轴向方向,指状火焰进一步加速; ③ 在毛细管前方区域,火焰开始减速。

火焰在毛细管前方区域减速说明了毛细管对回火具有一定的抑制作用。

通过淬熄试验和临界淬熄佩科莱数计算,可以得到以下结论:

1)随着毛细管孔径从0.1～0.5 mm变化,临界淬熄佩科莱数分布为30～40。管径越小,临界淬熄佩科莱数越大。

2)相对于理论临界淬熄佩科莱数分布50～60,实际得到的临界淬熄佩科莱数值较小。

3)在低压范围内,火焰能穿过毛细管进入防回火室,但在该室内未燃烧的气体不会被点燃。管径越小,进入未燃烧气体中的火焰能量越小,存在一个能将未点燃气体加热到点燃状态的临界火焰能量。

4)当回火发生后,火焰速度以近音速(大约270 m/s)湍流状态前进。

德国人的研究表明,多孔材料和毛细管对抑制回火具有一定的作用,但多孔材料的孔径、厚度以及毛细管的孔径、长度,推进剂供应系统压力与防回火之间的耦合关系还需进一步探索和研究。

杨学森等^[39-40]综合运用MATLAB、FLUENT、AMESim 多种仿真模拟手段,从建立NOFBX物性参数着手,研究了贮箱自增压特性、系统流动特性以及管路气化特性,得到的结果如下:①当推进剂排出时,贮箱中液体推进剂发生气化,温度下降,饱和压力下降; 且质量流量与排出时间与多种因素相关,其中最主要的是管路直径与系统流阻。②推进剂在管路内的气化分数与管路长度和流阻密切相关,流阻越大,管路出口气化率越高。

魏豪等^[41]以氧化亚氮-C₂烃类燃料氧燃一体化推进剂为对象建立了包含26种组分、46个反应的简化燃烧化学反应机理模型,并与试验数据进行比较,误差低于10%; 郑东等^[42]建立了包含52种组分、325个反应的燃烧化学反应机理模型。王伟龙等^[43]基于GRI3.0和USC-Ⅱ机理,提出8种关键基元反应,并与试验相结合,较好地揭示了着火延迟时间与火焰传播速度关系。杨学森等^[40]建立了包含128种组分、800个反应的燃烧化学反应机理模型,准确计算了氧化亚氮受热分解一系列过程中各种重要组分分布情况,而且在较宽的温度、压力、化学计量比范围内准确预测了氧燃一体化推进剂体系着火延迟时间和层流火焰传播速度; 同时,杨学森将理论预测的层流火焰传播速度与实验得到的层流火焰传播速度进行了比较,误差为9.6%,说明该模型可信度较高。

魏豪等^[44-45]通过对不同质量流量、燃烧室长度、氧化剂与燃料化学计量比3个参数进行CFD仿真计算,分析不同参数对燃烧特性的影响,并对部分参数优化计算。最后对推力器再生冷却通道内的传热过程进行模拟,研究通道壁面传热特性,获得入口处不同温度下推进剂在通道壁面散热情况及在流通通道内的相变,对推力器设计提供理论参考。

王伟龙等^[46]对氧化亚氮乙烯一体化推进剂推力室喷注面板热反侵着火现象进行了数值模拟,发现喷注面板的孔板面积比对燃烧室向喷注面板及集气腔的传热有显著影响,并存在临界值,为氧化亚氮燃料一体化推进剂喷注器设计提供了新的约束准则。

张锋等^[47]开展了氧化亚氮乙烯一体化推进剂在室压0.7 MPa和1.0 MPa条件下、混合比6.2～10.6范围内的燃烧特性试验,获得了混合比、燃烧室特征长度等对特征速度和燃烧效率的影响规律。结果表明:当量孔径为65 μm、厚度为5 mm的不锈钢多孔材料具有良好的防回火效果; 随着混合比的增大,氧化亚氮/乙烯的理论特征速度和试验特征速度均减小,燃烧效率最高达到95.0%; 随着燃烧室特征长度的不断增大,燃烧效率先增大后减小。

李智鹏等^[48-50]采用PREMIX软件模拟氧化亚氮乙烯一体化推进剂在0.1～1.5 MPa下层流火焰传播速度,得到不同压力和化学计量比下该体系的火焰传播速度、火焰温度。同时,采用高速摄影仪对氧化亚氮乙烯一体化推进剂实际燃烧过程中的层流火焰传播速度进行测定,通过对比模拟计算值与真实测量值,验证了模型的准确性和计算方法可靠性。

曾祥敏等^[51]研究了加入惰性气体二氧化碳后氧化亚氮/乙烯/二氧化碳的火焰传播及爆炸特性,为解决氧化亚氮基氧燃一体化推进剂的自燃和防回火问题提供参考。试验采用长200 cm、内径1.5 cm的有机玻璃管,内含螺旋加速环装置,电阻丝点火方式,进行混合气体的燃烧爆炸试验; 利用压力传感器测量爆炸压力和爆轰速度,并利用高速摄影仪测量燃烧时的火焰速度。结果表明,加入惰性气体二氧化碳预混气体在燃烧管内快速燃烧,最大火焰速度为2 235.2 m/s; Zhang等^[52]研究了未加二氧化碳的氧化亚氮/乙烯体系燃烧转爆轰时的爆轰速度为2 349m/s,说明惰性气体二氧化碳的加入有利于降低火焰传播速度。Li^[53-54]研究了在氧化亚氮/丙烷/氨气体系中,氨气的加入则随着丙烷含量的不同,火焰传播速度呈现出不同的结果,分析认为与氨气在整个反应过程中与丙烷形成的中间产物有关。另外的研究表明火焰加速和危害性顺序为:氧化亚氮/乙烯>氧化亚氮/丙烷>氧化亚氮/氨。

曾祥敏和Li等的试验气体压力均未超过0.1 MPa,虽然与实际推进剂使用压力有一定差别,但对推进剂配方优化具有很好的参考意义。