2.1 推进剂静置点火
图2展示了0号推进剂在静置状态下的电点火及燃烧图像。HAN基液体推进剂在加载电压的作用下首先产生分解气体,分解气体以气泡的形式运动至推进剂表面。同时气泡随着分解的进行不断膨胀,在气泡运动至液体推进剂表面后破裂释放出气泡内分解气体。分解气体运动至点火电弧被点燃产生火焰。从图2中可以看出0号推进剂分解过程剧烈,分解气体迅速充满整个燃烧室,在燃烧室中间电弧处点燃气体并产生火焰,火焰向未燃混合气处扩散。
图2 0号HAN基液体推进剂静止状态下在(0.3 mL, 50 V,0.1 MPa)工况时的电点火及燃烧图像
Fig.2 The electric ignition and combustion images of No.0 HAN-based liquid propellant for static stateon conditions of(0.3 mL, 50 V, 0.1 MPa)
电点火方式将HAN基液体推进剂视为电路中的一部分,其导电能力可视为等效电阻。使用电流钳实时监测并记录电路中电流值,图3为流经0号推进剂电流值随时间的变化关系。HAN基液体推进剂以阳离子和阴离子形式存在[21],推进剂内部离子团在加载电压的作用下发生碰撞不断分解成更活跃的离子团,分解过程中推进剂内部短时间内出现大量带正负电荷的离子[15],这增强了推进剂的导电能力,所以在点火初期电路中等效电流出现大幅上升。根据欧姆定律,初始电压低则电流小。所以,50 V初始电压工况下产生的电流峰值要小于其余高电压产生的电流峰值。
图3 0号HAN基液体推进剂电流随时间变化关系
Fig.3 The current of No.0 HAN-based liquid propellant as a function of time
图4展示了1号推进剂在静置状态下的电点火及燃烧图像。从图4中可以看出,HAN基液体推进剂在通电后分解缓慢,且由于分解产生的气泡只在蓄液池上面积累,分解过程缓慢。分解气体在燃烧室下面不断积累,在5.10 s时分解气体接触点火电弧,在5.13 s时产生向下传播的火焰。由于1号推进剂分解缓慢且分解气体量少,推进剂被点燃产生向下传播的火焰。火焰维持时间短,在分解气体燃尽且没有新的分解气体产生后熄灭。
图5为流经1号推进剂电流值随时间的变化关系,相比0号推进剂,流经1号推进剂电流值并没有出现较大的波动,这表明推进剂内部离子团没有发生分解。同时,随着初始电压的升高,电路中等效电流出现稳定上升趋势。这表明相同推进剂体积下,电路中等效电阻保持稳定,推进剂没有发生分解。由此可以得出,甲醇的添加抑制了推进剂的分解,这不利于推进剂在发动机中的快速响应工作。
图4 1号HAN基液体推进剂静止状态下在(0.4 mL, 90 V,0.1 MPa)工况时的电点火及燃烧图像
Fig.4 The electric ignition and combustion images of No.1 HAN-based liquid propellant for static state on conditions of(0.4 mL, 90 V, 0.1 MPa)
图5 1号HAN基液体推进剂电流随时间变化关系
Fig.5 The current of No.1 HAN-based liquid propellant as a function of time
图6展示了2号推进剂在静置状态下的电点火及燃烧图像。图6展现了2号推进剂的两个优点:一是推进剂分解效率高,在0.70 s和4.60 s时,推进剂持续大量分解,由分解产生的气泡不断堆积在蓄液池上面,这为推进剂点火提供了条件; 二是推进剂点火性能好,2号推进剂在点火延迟时间方面展现出了良好的性能,推进剂在点火电极通电0.36 s后被点火电弧点燃并产生发光发亮的火焰,这是在前面分解效率高的基础上展现的优势。同时2号推进剂点火后燃烧剧烈,在14.00 s时,推进剂燃烧产生的火焰冲出燃烧室,展现出推进剂燃烧产生较高的火焰高度。
图6 2号HAN基液体推进剂静置状态下在(0.3 mL, 130 V,0.1 MPa)工况时的电点火及燃烧图像
Fig.6 The electric ignition and combustion images of No.2 HAN-based liquid propellant for static state on conditions of(0.3 mL, 130 V, 0.1 MPa)
图7展示了3号推进剂在静置状态下的电点火及燃烧图像。相比2号推进剂,提升了乙腈比例后的推进剂展现出更高的稳定性。3号推进剂点火延迟时间(0.9 s)相比2号推进剂点火延迟时间(0.36 s)有所增加,这是因为3号推进剂在增加稳定性的同时降低了推进剂的分解速度,导致推进剂点火延迟时间延长。推进剂在前期分解缓慢时会出现短暂的火焰从点火电弧处向下传播的现象,在推进剂保持稳定燃烧后火焰向上传播,火焰维持在燃烧室内,其高度比2号推进剂火焰高度低一些。这些现象都表明,乙腈比例的提升会减缓推进剂分解速度,燃烧火焰变得稳定。
图7 3号HAN基液体推进剂静置状态下在(0.3 mL, 130 V,0.1 MPa)工况时的电点火及燃烧图像
Fig.7 The electric ignition and combustion images of No.3 HAN-based liquid propellant for static state on conditions of(0.3 mL, 130 V, 0.1 MPa)
图8为流经3号推进剂电流大小随时间的变化,掺混乙腈的推进剂电流值相比前面两种推进剂电流值有着明显提升。乙腈较强的导电性增强了推进剂的导电能力[26],这对设计基于电点火方式下HAN基液体推进剂空间发动机有着重要指导。
图8 3号HAN基液体推进剂电流随时间变化关系
Fig.8 The current of No.3 HAN-based liquid propellant as a function of time
图9展示了推进剂的点火延迟时间。3种推进剂点火延迟时间都随着初始电压的升高而降低。较高的初始电压提升了电路电流,同时提升了电流的热效应,这增强了推进剂的分解速度,缩短了点火延迟时间。从图9中可以得出,1号推进剂点火延迟时间最长,甲醇蒸发分解需要从外界吸收热量,点火延迟期内推进剂不断累积热量用于分解。乙腈的强导电能力加快了推进剂吸热过程,所以2号、3号推进剂点火延迟时间短。3号推进剂中乙腈含量更高,N-乙基吡啶四氟硼酸盐比例下降,推进剂活性相比2号推进剂低。所以3号推进剂点火延迟时间更长。推进剂点火延迟时间都控制在5 s内,相比催化点火方法,电点火方法展现出在发动机冷启动方面的潜力。
图9 掺混甲醇和乙腈的推进剂点火延迟时间
Fig.9 The ignition delay time of propellants mixed with methanol and acetonitrile
从实验结果可以得出,降低N-乙基吡啶四氟硼酸盐组份比例,掺混甲醇和乙腈的HAN基液体推进剂稳定性都得到了提升。但是,掺混甲醇和乙腈的推进剂电点火性能却存在差异。1号推进剂点火效果一般,仅产生一个短暂的小火焰,甲醇的增加没能达到推进剂稳定燃烧的结果。2号推进剂和3号推进剂展现出良好的点火及燃烧效果,乙腈的增加保证了推进剂的正常燃烧,同时提升了其燃烧的稳定性。2号推进剂点火延迟时间更短,响应更快。2号推进剂燃烧火焰相比3号推进剂火焰更高,燃烧更加剧烈。
2.2 推进剂流动点火
前文工作开展了模拟一定体积HAN基液体推进剂在发动机燃烧室中的点火及燃烧过程研究。在实际发动机工作工程中,HAN基液体推进剂不断注入或喷射至燃烧室中,为进一步模拟发动机实际工作状态,深入分析基于电点火方式下HAN基液体推进剂点火及稳定燃烧,本文设计了一种基于电点火方式的HAN基液体推进剂点火及稳定燃烧实验系统。
在静置点火实验中,1号推进剂没有明显的分解现象,本节重点分析0号推进剂和掺混乙腈的2号、3号推进剂流动状态下电点火及稳定燃烧特性。图 10为(130 V,0.14 mL/s)工况时0号HAN基液体推进剂流动状态下电点火及燃烧图像。从图 10中可以看出,HAN基液体推进剂从下面逐渐注入燃烧室,推进剂在接触到点火电极后电路变为闭合回路,HAN基液体推进剂在加载电压的作用下发生反应快速分解产生分解气体,分解气体为淡黄色[27]。在燃烧室下面可以观察到由分解产生的大量气泡,分解气体接触点火电弧后被点燃,火焰燃烧高度随着推进剂的注入不断升高,这是因为随着推进剂的不断注入,聚集在燃烧室下面的可燃混合气浓度不断升高,充足的可燃物增加了火焰燃烧高度。在5.500 s时燃烧火焰达到最大,在图 10中可见火焰已经冲出燃烧室,燃烧火焰呈现红色。
图 10 在(130 V,0.14 mL/s)下0号HAN基液体推进剂流动状态下电点火及燃烧图像
Fig.10 The electric ignition and combustion images of No.0 HAN-based liquid propellant for static state at(130 V, 0.14 mL/s)
图 11展示了在(130 V,0.14 mL/s)工况时2号推进剂在流动状态下的电点火及燃烧图像。推进剂从下面不断流入燃烧室,在0.77 s时推进剂被点燃。推进剂燃烧后火焰不断发展,火焰高度不断增加。在5.13 s时火焰冲出燃烧室,火焰高度保持增加。这是因为推进剂不断分解产生大量的气体,分解气体向上运动产生向上的火焰。HAN基液体推进剂分解过程释放热量,释放的热量被未分解推进剂吸收加速分解,形成了推进剂的自分解。自分解主导了推进剂分解过程,燃烧室内可燃混合气浓度上升,造成了火焰高度不断上涨的现象。在8.00 s时断开推进剂的分解电压,此时推进剂在不借助外部因素的情况下仍然保持分解并产生分解气体,这是推进剂的自分解维持了推进剂的分解过程,分解产物作用在未分解的推进剂使其快速分解,产生大量分解气体维持火焰剧烈燃烧。直至推进剂不再分解产生可燃混合气,火焰熄灭。
图 11 在(130 V,0.14 mL/s)下2号HAN基液体推进剂流动状态下电点火及燃烧图像
Fig.11 The electric ignition and combustion images of No.2 HAN-based liquid propellant for static state at(130 V, 0.14 mL/s)
图 12展示了在(150 V,0.14 mL/s)工况时2号推进剂在流动状态下的电点火及燃烧图像。推进剂在流动状态下点火延迟时间随初始电压的升高而降低,这与静置状态下推进剂点火延迟时间结论相同。相比在130 V工况下点火延迟时间(0.77 s),在150 V工况下点火延迟时间(0.73 s)有轻微降低。根据焦耳定理,增加初始电压会提升电流的热效应,缩短电路产生相同热量所用的时间。推进剂吸收热量蒸发分解,即缩短了推进剂的点火延迟时间。增加初始电压提升了推进剂的分解效率,这增强了推进剂的燃烧,火焰高度达到了230.76 mm。
图 12 在(150 V,0.14 mL/s)下2号HAN基液体推进剂流动状态下电点火及燃烧图像
Fig.12 The electric ignition and combustion images of No.2 HAN-based liquid propellant for static state at(150 V, 0.14 mL/s)
图 13展示了(130 V,0.14 mL/s)工况时3号推进剂在流动状态下的电点火及燃烧图像。3号推进剂流动状态下点火延迟时间相比2号推进剂有所延长。推进剂在加载电压的作用下开始分解产生分解气体,分解气体以气泡的形式向上运动,在堆积的液体内部观察到有大量气泡不断产生。在8.00 s时关闭推进剂加载电压,推进剂在自分解的作用下持续分解。在推进剂注入燃烧室后,由于推进剂分解不及时导致燃烧室下面出现液体堆积现象。推进剂在堆积一定程度后迅速分解,燃烧大量的分解气体。这使得3号推进剂出现剧烈的燃烧现象,推进剂燃烧火焰更加宽大,且燃烧持续时间更长。
图 13 在(130 V,0.14 mL/s)下3号HAN基液体推进剂流动状态下电点火及燃烧图像
Fig.13 The electric ignition and combustion images of No.3 HAN-based liquid propellant for static state at(130 V, 0.14 mL/s)
图 14展示了在(150 V,0.14 mL/s)工况时3号推进剂在流动状态下的电点火及燃烧图像。提升初始电压后,推进剂点火延迟时间从4.70 s下降至3.20 s。由于3号推进剂在150 V工况下燃烧火焰宽度明显增加,故本文针对此工况下推进剂燃烧火焰宽度进行分析。在4.07 s时,推进剂燃烧火焰宽度为40.5 mm。随着推进剂燃烧不断进行,燃烧剧烈程度随之增加。推进剂燃烧火焰宽度在4.67 s时达到60 mm。相比0号和2号推进剂,3号推进剂燃烧火焰宽度有着明显增加。
图 14 在(150 V,0.14 mL/s)下3号HAN基液体推进剂流动状态下电点火及燃烧图像
Fig.14 The electric ignition and combustion images of No.3 HAN-based liquid propellant for static state at(150 V, 0.14 mL/s)
