工况1中,脉冲枪在初始时刻即开始工作,压力传感器测量得到的动态压力信号如图2所示。

图2 工况1的压力波形
Fig.2 Globe pressure traces in case 1

脉冲枪产生了1个峰值压力超过2 MPa的脉冲压力,经历了大约3 ms,环形燃烧室内产生了压力峰值较低的旋转爆震波,如图2(a)所示,持续了约20 ms后,旋转爆震波熄灭了。大约5 ms后旋转爆震波又自发形成了(未施加外界扰动),而且爆震波的峰值压力较初始时刻更高。判断形成旋转爆震波的依据是压力波形出现了较为明显的脉动信号,且通过压力波形计算燃烧波的传播速度明显高于0.5倍的爆震波C-J速度(约1 100 m/s)。如图2(a)所示,在初始的200 ms内,发生了爆震波起爆、爆震波熄灭、爆震波自发再起爆并稳定传播等过程,宏观上表现出较为明显的非稳态特性。若将时间尺度进一步拉长,如图2(b)所示,压力曲线上存在两个燃烧波峰值较低的区域(间隔1和间隔2),说明旋转爆震波熄灭了,而且持续的时间约为50 ms。通过上述实验结果可以看出,旋转爆震波在熄灭一段时间后,仍然能够再次自发转变为旋转爆震波,单次实验中多次发生该现象。这说明自燃推进剂虽然具有液液燃烧和自发燃烧这两个不利于爆震燃烧的因素,但其熄灭后自发再形成爆震波的能力较强,这又是利于爆震波自持传播的,上述特性与非自燃推进剂存在明显区别。

图2(a)中压力曲线的放大图如图3所示,图3(a)和图3(b)分别显示了较弱爆震和较强爆震的压力波形。两者的差别不仅仅体现在压力峰值数值的差异(一个为0.5 MPa,另一个为0.2 MPa左右),而且波形的差异也很明显。图3(a)中压力波形出现了明显的“双峰”现象,说明此时处于双波对撞模态。图3(b)中波形明显更为陡峭,显示出明显的单向旋转现象,爆震波沿逆时针方向传播。FFT显示图2(a)中弱爆震阶段和强爆震阶段的频率均为12 kHz左右,说明存在的是双波模态,根据测点处波峰到达的时间间隔计算得到的传播速度为1 178 m/s。

图3 起始阶段的爆震波压力波形
Fig.3 Enlarged pressure traces at early stage

从图3(b)还能看出:在前4个循环中,P7处的压力峰值明显大于P8处的压力峰值,说明旋转爆震波在从P8处逆时针向P7处传播的过程中爆震波强度是增强的,然后从P7处逆时针向P8处传播过程中的爆震波强度是减弱的; 中间4个循环中,P7和P8处的爆震峰值压力几乎相同,说明此阶段的爆震波传播过程中没有发生明显的强度变化; 后4个循环中,P7处的压力峰值又明显大于P8处的压力峰值。以上现象说明,虽然在宏观尺度上旋转爆震波的传播过程表现出非常明显的规律性,但是在较小的时间尺度下,旋转爆震波的传播过程呈现出非常大的不稳定性,不仅各个传播周期内爆震波强弱存在差异,而且即使在同一个旋转传播周期内,爆震波的强度也具有高度的瞬态特性,随时间变化迅速且剧烈。

图4(a)显示了旋转爆震波第一次熄灭50 ms后,缓燃向爆震自发转变的过程。该过程中压力峰值经历了一个逐渐增大的过程,压力峰值达到一个相对高峰后(形成了强爆震)又逐渐减弱(爆震波衰减为缓燃波)。然而,压力峰值较高的旋转爆震燃烧状态仅维持了约5 ms。图4(b)显示了旋转爆震波第二次熄灭后,缓燃向爆震自发转变的过程,此处自发重新形成的旋转爆震波持续的时间较长(约50 ms),最终旋转爆震波解耦变为缓燃波未发生第三次自发起爆的过程。

图4 燃烧室中爆震波的压力转变
Fig.4 Spontaneous evolution of chamber pressure

从图4(a)和图4(b)可以看出:旋转爆震波的两次解耦再起爆过程仍然存在一定的差异,图4(a)中旋转爆震波强度更大,但衰减更快; 图4(b)中的旋转爆震波压力峰值较低,但持续传播时间更长。图5中的压力放大曲线也反映出了两个阶段中旋转爆震波的相对强弱。

图5 工况1中不同强度的爆震波压力波形
Fig.5 Enlarged pressure traces of strong and weak detonations in case 1

在工况1中未能形成稳定自持传播的旋转爆震波,原因可能是推进剂的混合比较高(化学恰当比对应的混合比为1.64),为贫燃燃烧状态,导致混合物准备过程未能达到旋转爆震燃烧需要的条件。因此在工况2中将混合比调整至1.67,但仍然出现了旋转爆震波自发形成又熄灭的过程,如图6(a)所示。再将脉冲激励的加入时间延后,以避开初始阶段燃烧室内的混乱期,期望通过人为激励的方式产生连续稳定的旋转爆震波。图6(a)中的第一个压力峰是燃烧室上供应阀门开启特性导致的,经历约7 ms的振荡燃烧过程,形成了旋转爆震燃烧,但仅维持了2 ms后爆震波消失了。

图6 工况2的压力波形
Fig.6 Globe pressure traces in case 2

从图6(b)中可以看出:在t=0.158 s时刻脉冲枪产生的激励到达燃烧室,产生近1 MPa的单次脉冲压力峰。在该外界激励的作用下,自持的旋转爆震波并没有立即形成,而是经过了约30 ms才形成了峰峰值约为0.5 MPa的规律压力峰。

图7为工况2中放大后的压力波形。从图7(a)和图7(b)中的压力局部放大图可以看出第一阶段自发形成的旋转爆震波强度更大。但是结合工况1中的情形来看,强度较高的旋转爆震波所能持续的时间往往很短。因为工况1和工况2的燃烧室都带有喉部,燃烧室的基础室压已经被提升(约0.3 MPa),此时较强的旋转爆震波会在燃烧室内部产生较高的反压,对撞击式喷注器的工作过程干扰非常大,导致喷注过程和旋转爆震燃烧过程未能建立良性的耦合关系。而强度稍弱的爆震波对上游喷注过程的干扰幅度小,因而能够稳定供给爆震燃烧所需要的混合物,旋转爆震燃烧得以持续。

仅依据工况2无法判断旋转爆震波是否在外界激励的作用下形成,因此开展了工况3中的实验。工况3中的实验工况与工况2完全一样,区别在于工况3中没有施加脉冲枪激励。

图7 工况2中放大后的压力波形
Fig.7 Enlarged pressure traces in case 2

图8为工况3的压力波形和FFT结果。从图8中可以看出,在没有外加扰动激励的情况下,工况3中仍然自发形成了较为稳定的旋转爆震波,尽管中间也经历了2次爆震波熄灭及自发再起爆的过程。最终形成的爆震波峰值压力约为0.5 MPa,而且FFT结果也显示旋转波的频率为12.102 kHz,表明此处形成的也是双波模态。

在工况4中能够自发形成自持稳定旋转爆震波的工况,在其稳定工作期间启动脉冲枪输入扰动,对压力波形的影响如图9(a)所示,说明在爆震波自持传播过程外界激励对爆震燃烧的影响是负面的,会干扰到旋转爆震波的正常传播,导致爆震波熄灭。自持工况中旋转爆震波的自我恢复能力很强,经过约10 ms后又形成了规律性的压力振荡。局部压力曲线放大图如图9(b)所示,压力峰值较小,只有约0.2 MPa,FFT显示传播频率为6.432 kHz。

在工况5中,流量参数与工况1相同,区别在于燃烧室结构不同。工况1的燃烧室有喉部, 工况5的燃烧室没有喉部,工况5中最终未能形成稳定自持的旋转爆震波。爆震熄灭后施加人为激励,依然未能激发出旋转爆震波,如图 10(a)所示。

图8 工况3的压力波形和FFT结果
Fig.8 Globe pressure traces and FFT results in case 3

图9 工况4的压力波形和放大结果
Fig.9 Globe and enlarged pressure traces in case 4

图 10(b)中的压力曲线局部放大图也表明此时的压力振荡为低值无序振荡,是一种宽频燃烧噪声。通过比较工况5和工况1的实验结果,工况1中为短时间稳定传播的旋转爆震波,而工况5中为缓燃燃烧状态,说明燃烧室喉部有利于自燃推进剂旋转爆震燃烧的起爆和传播。

图 10 工况5的压力波形和放大结果
Fig.10 Globe and enlarged pressure traces in case 5

从以上分析可以看出,在不能够产生旋转爆震的工况下,即使通过脉冲枪施加压力冲击也不能激发出旋转爆震燃烧; 在能够产生旋转爆震燃烧的工况下,脉冲枪施加的压力冲击对正常的爆震波传播过程起到了干扰和破坏的作用。因此,外界激励不是自燃推进剂旋转爆震燃烧产生及维持的主要原因,主要影响因素为燃烧室几何构型、推进剂流量、混合比等参数。