试验装置由配气系统、燃烧管路系统、点火系统及高速摄影系统等组成。

配气系统用于配制试验所需的推进器气体组分,主要由气瓶、流量计、气袋、真空泵及若干导管组成,如图1所示。流量计型号为S48300HMT,由北京堀场汇博隆精密仪器有限公司生产,量程为0～200 mL/min或0～500 mL/min,可精确控制流量从而决定气袋中各组分的含量; 气袋为上海申源科学仪器有限公司生产的E-Switch品牌采样袋。

图1 配气装置示意图
Fig.1 A diagram of the gas distribution device

燃烧管路系统由透明有机玻璃管和不锈钢毛细管组成。其中,3为加速管(有机玻璃材质),5为不锈钢毛细管,6为验证管(有机玻璃材质)。前端加速管内径为15 mm,长度为2 000 mm。后端验证管内径为15 mm,长度为500 mm。中间的不锈钢毛细管内径共有5种规格,分别为0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.2 mm和2.0 mm,不同内径的不锈钢毛细管长度均为1 000 mm。试验装置如图2所示。

图2 试验装置示意图
Fig.2 A diagram of the test device

点火系统主要由电源、电阻丝等组成。电源为电压20 V、电流10 A的直流电源。电阻丝采用长100 mm、直径0.6 mm的镍铬合金丝。试验采用电极柱加热电阻丝的方式进行点火,接通电源后电阻丝表面温度可达1 200 ℃,利用电阻丝表面高温可迅速引燃预混气体。

高速摄影系统釆用日本PHOTRON公司生产的“FASTCAM”系列高速摄像机,如图3所示。该高速摄像机的曝光时间为100 ns,像素为1 280×800。本试验中将拍摄速度设置为10 000帧/s,即连续两帧之间的时间间隔为0.1 ms。利用高速摄影仪拍摄的预混气体火焰传播过程,可以直观地判断火焰是否通过不锈钢毛细管。

图3 高速摄影仪实物图
Fig.3 A physical image of high-speed photographers

试验气体包含N₂O/C₂H₄,N₂O/C₂H₄/St和N₂O/C₃H₈等配方,试验工况编号及混合配比如表1所示。St代表稳定剂,配比中数值x<y<z。

表1 预混气体配方
Tab.1 Formulation of the premixed gases

1)配气前用真空泵将气袋中的空气抽出,接着依次用氧化亚氮、燃料气清洗配气管路,最后将燃料气和氧化亚氮按先后顺序充入气袋中。上述工作完成后将气袋静置24 h,确保气体组分均匀混合。

2)安装并调试试验系统,确保燃烧管路、点火系统及高速摄影系统均处于良好状态。

3)检查管道的气密性。用真空泵将有机玻璃管和连接管内的空气抽出,使管道中保持负压,放置0.5 h观察真空压力表读数变化情况,确保管道具有良好的气密性。

4)将气袋中的气体充入管路,当真空压力表读数达大气压时停止充气; 随后用真空泵将有机玻璃管中的预混气体抽出。按照上述方法用配好的预混气体再次冲洗管道及管路。最后再次充入预混气体,管道内压力达大气压时关闭管道进气阀并做好气密,等待试验。

5)将充好预混气体的管道安装在试验架上,连接点火系统的线路,等待接通电源。随后开启数据采集仪以及高速摄像机并使其处于待机状态。使高速摄影仪和点火器按预设的时间依次触发,动态测量火焰传播过程中的火焰图像。

6)试验完成后,存储高速摄影的图像数据。更换新的燃烧管路系统并从步骤3)开始进行下一试验程序。

火焰未通过毛细管的高速摄像结果以工况 C2为例,如图4所示。试验工况C2的预混气体配方为N₂O/C₂H₄/St=9:1:y,毛细管内径1.2 mm。火焰在加速管中从右向左传播,在约2.6 ms时火焰传播速度明显增大,在约2.8 ms时发生爆轰并迅速传至中部毛细管前,此后火焰未能传过毛细管到达左侧验证管。说明该种配方的预混气体不能通过内径为1.2 mm的不锈钢毛细管。

火焰通过毛细管的高速摄像结果以工况 A3为例,如图5所示。试验工况A3的预混气体配方为N₂O/C₂H₄ =9:1,毛细管内径0.7 mm。火焰在加速管中从右向左传播,在约2.0 ms时火焰发生爆轰并迅速传至中部毛细管前,约0.6 ms后左侧验证管中出现火焰并传播至验证管末端。

图4 典型试验工况C2高速摄像图片(N2O/C2H4/St=9:1:y,φ=1.2 mm)
Fig.4 High-speed camera pictures of typical test condition C2(N2O/C2H4/St=9:1:y,φ=1.2 mm)

图5 典型试验工况A3高速摄像图片(N2O/C2H4=9:1,φ=0.7 mm)
Fig.5 High-speed camera pictures of typical test condition A3(N2O/C2H4=9:1,φ=0.7 mm)

火焰锋面在组合管道中的传播位置与速度如图6所示。图中火焰锋面位置/速度图线均分为两段,第一段为加速管中火焰锋面位置/速度随时间的变化曲线,第二段为验证管中火焰锋面位置/速度随时间的变化曲线; 2.0～2.6 ms为火焰通过中间毛细管的时间。火焰锋面的速度图线中,0～1.4 ms阶段,火焰处于缓慢加速阶段,速度由约100 m/s增至约800 m/s; 1.4 ms后火焰速度出现跳跃式增长,最大速度增至2 400 m/s以上,此时预混气体由爆燃转为爆轰。随后,预混火焰进入中间的不锈钢毛细管,经过毛细管到达验证管后继续向前传播,验证管中初始火焰速度同加速管中点火初期火焰速度相同,均约为100 m/s; 经过毛细管后火焰速度急剧下降,说明火焰在毛细管中传播时热损失大于热释放,能量损耗后火焰速度下降。2.6～3.6 ms,火焰速度由约100 m/s持续增加至约600 m/s。在此种条件下,预混气体火焰形成的爆轰波能通过内径为0.7 mm的不锈钢毛细管。

图6 试验工况 A3的火焰锋面位置/速度图线
Fig.6 Flame front position/speed graph of test condition A3

针对不同配比的工况 A3、B2和C1的火焰锋面位置和速度变化趋势进行对比,如图7所示。

图7 试验工况 A3、B2和C1的火焰锋面位置和速度图线
Fig.7 Flame front position/speed graph of test condition A3,B2 and C1

3种工况的配方差异包括是否添加稳定剂St及稳定剂的添加比例,由表1可知,工况 A3的配方中未添加稳定剂St,工况 B2和C1的配方中添加了稳定剂且工况 C1中添加的比例更高。根据图7中火焰锋面位置图线可知,工况 A3的火焰锋面行进速度最快,仅耗时约2.0 ms到达加速管末端; 工况 B2的火焰锋面次之,耗时约2.3 ms; 工况 C1的火焰锋面耗时约2.7 ms。火焰锋面速度曲线表现出类似的差异化:工况 A3的火焰锋面速度曲线最早发生突变,工况 B2和工况 C1 次之。这说明稳定剂St的加入对预混气体的火焰传播特性产生了明显的影响,且稳定剂的添加量更多时,影响效果更为强烈。

针对工况 C1和C2、工况 E2和E3这两组相同配比的试验结果进行分析,得到两组火焰锋面位置和速度曲线,如图8和图9所示。

图8 试验工况 C1和C2的火焰锋面位置和速度图线
Fig.8 Flame front position/speed graph of test condition C1 and C2

可以明显看到,相同配比的试验,其火焰锋面位置和速度曲线高度重合,认为相同配比试验的火焰传播特性一致性较好。工况 C1、E2中火焰通过毛细管传至验证管中而工况C2、E3中火焰未能传播至验证管的现象,可以归因于毛细管直径的差异。

图9 试验工况 E2和E3的火焰锋面位置和速度图线
Fig.9 Flame front position/speed graph of test condition E2 and E3

对部分工况的爆轰速度进行整理,并利用CEA软件分别计算了对应配比预混气体的C-J理论爆轰速度,计算时环境参数选取与实际试验环境一致,即298 K、1 atm。试验实测结果和计算结果如表3所示。

表3 典型试验工况的C-J理论爆轰速度和实测速度
Tab.3 Theoretical C-J detonation velocity and measured velocity of typical test conditions

通过表3可以发现预混气体配方变化引起的实测爆轰速度的变化趋势与C-J理论爆轰速度的变化趋势相一致,即稳定剂的加入会降低预混气体的C-J理论爆轰速度,且在本文的研究范围内,随着稳定剂占比的增加,预混气体爆轰速度逐渐下降。

此外,实测爆轰速度均比相应的C-J理论爆轰速度要大,这是由于加速管出口处毛细管管径较小,加速管几乎处于密封状态,光滑管道中预混气体形成了过驱爆轰^[20]。过驱爆轰速度超过气体的C-J理论爆轰速度,如果管道足够长,爆轰速度会下降并稳定至C-J爆轰速度。

根据上述试验结果,对于长度1 000 mm的不锈钢毛细管,得到各配方预混气体的毛细管防回火临界直径和加速管最短耗时如表4所示。

表4 不同配方预混气体的临界直径及加速特性
Tab.4 Critical diameter and acceleration characteristics of premixed gases with different formulations

因此,按照9:1配比的N₂O/C₂H₄的预混气体防回火临界直径在0.5～0.7 mm之间,即预混气体火焰无法通过小于该临界直径、长度1 000 mm的不锈钢毛细管。

配方中添加稳定剂St后,预混气体临界直径增加。而且随着稳定剂所占比例的增加,预混气体临界直径和加速段最短耗时均呈增加趋势,这也进一步说明稳定剂的加入能够有效抑制预混气体的火焰传播能力。