固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰流場(chǎng)及輻射特性實(shí)驗(yàn)*

李霞，劉建國(guó)，王俊，段然，劉興潤(rùn)

(1.中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031; 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026;3.光學(xué)輻射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854)

0 引言

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰流動(dòng)和光電輻射效應(yīng)對(duì)飛行器動(dòng)力、熱防護(hù)以及探測(cè)特性等有著重要影響，在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注和研究。近年來(lái)，隨著計(jì)算流體技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行噴焰流動(dòng)模擬獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，例如Dash等結(jié)合噴焰流動(dòng)的超聲速特性，發(fā)展了較為完善的噴焰流動(dòng)模型[1]；Troyes等分別使用歐拉模型和拉格朗日模型，對(duì)噴焰粒子軌跡以及復(fù)燃效應(yīng)進(jìn)行了深入的計(jì)算和分析[2]；董士奎、談和平等人結(jié)合氣體光譜庫(kù)和粒子散射效應(yīng)等，對(duì)噴焰輻射效應(yīng)進(jìn)行深入的數(shù)值研究[3]；阮立明等人基于傳統(tǒng)熱流法,提出了計(jì)算導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰紅外輻射特性的源項(xiàng)六流法模型[4-5]。由于噴焰狀態(tài)涉及高溫高速流動(dòng)、復(fù)燃化學(xué)反應(yīng)等一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究噴焰流動(dòng)特征和輻射效應(yīng)同樣是噴焰研究的重要內(nèi)容。Mitchell等利用紋影觀測(cè)技術(shù)，對(duì)欠膨脹狀態(tài)的噴焰流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量分析[6];王偉臣等利用熱像儀等手段，對(duì)含復(fù)燃效應(yīng)的噴焰輻射狀態(tài)進(jìn)行了研究[7-8]。事實(shí)上，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地要求高，有效測(cè)量困難，公開(kāi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)較少。

本文從實(shí)驗(yàn)研究角度出發(fā)，利用小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)獲得系留狀態(tài)的噴焰流動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)光學(xué)測(cè)量手段，對(duì)噴焰流動(dòng)和輻射狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量分析，為認(rèn)識(shí)噴焰流動(dòng)和輻射效應(yīng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與參數(shù)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)與裝藥

試驗(yàn)采用小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作獲得噴焰流動(dòng)及輻射數(shù)據(jù)。為便于測(cè)量分析，采用發(fā)動(dòng)機(jī)固定在臺(tái)架上的系留方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作。為保證實(shí)驗(yàn)和測(cè)量過(guò)程中燃燒室以及噴焰流動(dòng)具有較穩(wěn)定的狀態(tài)，采用端面包覆、內(nèi)外孔燃燒的恒面燃燒裝藥形式。推進(jìn)劑裝藥采用成熟度較高的丁羥復(fù)合固體推進(jìn)劑，其基礎(chǔ)配方比例為高氯酸氨(AP)75%、端羥基聚丁二烯(HTPB)10%、鋁粉(Al)13%、其他2%。為滿足光學(xué)數(shù)據(jù)采集需要，設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間大于3 s，燃燒室壓強(qiáng)約為4.5 MPa。采用具有收縮擴(kuò)張段的拉瓦爾噴管獲得超聲速噴焰流動(dòng)，膨脹比為4.97。具體的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)外形尺寸如圖1所示,單位:mm。

1.2 測(cè)量方法與布置

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)、可見(jiàn)光圖像、紅外熱像以及指定位置的光譜特性進(jìn)行采集和測(cè)量。其中工作壓強(qiáng)用于確定發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，可見(jiàn)光圖像用于分析噴焰的發(fā)展變化過(guò)程，紅外熱像和光譜數(shù)據(jù)用于分析噴焰光電輻射狀態(tài)。測(cè)量采用的器件狀態(tài)如表1所示。

表1 測(cè)量?jī)x器參數(shù)Table 1 Measuring instrument parameters

在測(cè)量過(guò)程中，壓強(qiáng)傳感器通過(guò)開(kāi)孔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量，可見(jiàn)光圖像、紅外熱像以及光譜儀均采用非接觸方式進(jìn)行測(cè)量。為確定非接觸測(cè)量的視場(chǎng)大小和測(cè)量位置，利用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，并以此為基礎(chǔ)確定測(cè)量位置和測(cè)量點(diǎn)，如圖2所示。為避免噴焰核心區(qū)馬赫波節(jié)對(duì)光譜特性的影響，將光譜儀測(cè)量視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)核心區(qū)下游附近區(qū)域，可見(jiàn)光高速攝像重點(diǎn)觀測(cè)核心區(qū)的狀態(tài)，紅外熱像對(duì)大部分噴焰高溫區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。

高速攝影CCD、熱像儀視場(chǎng)大，可測(cè)量噴焰的整體圖像，通常光譜儀視場(chǎng)較小，該次試驗(yàn)用的光譜儀視場(chǎng)為28 mrad，只能測(cè)量噴焰部分區(qū)域的光譜，而距離噴管出口的噴焰存在馬赫盤，使得區(qū)域溫度變化大，因此選取了噴焰核心區(qū)較后位置進(jìn)行測(cè)量，放置位置為距離噴口軸向0.8 m，垂直軸向7.5 m處。

圖2 光學(xué)測(cè)量范圍示意Fig.2 Scope of optical measurement range

2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程測(cè)量

2.1 內(nèi)彈道壓強(qiáng)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)如表2所示。壓強(qiáng)變化過(guò)程如圖3所示，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)快速上升至4 MPa，并保持在4～5 MPa之間，工作過(guò)程較為穩(wěn)定；裝藥燃完后，燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)快速降低至環(huán)境壓強(qiáng)。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰變化過(guò)程

利用高速攝像進(jìn)行了噴焰流動(dòng)的可見(jiàn)光圖像采集。由于噴焰溫度高達(dá)1 500 K以上，亮度極高，為有效采集噴焰結(jié)構(gòu)形態(tài)，采用了較短的曝光時(shí)間，測(cè)量背景呈黑色狀態(tài)。圖4給出了發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火至裝藥燃燒結(jié)束階段噴焰流場(chǎng)的主要變化過(guò)程。

從圖4中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初期，當(dāng)燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，高溫燃?xì)庾試姽苤懈咚賴姵?如圖4中的a),b)，并快速達(dá)到壓強(qiáng)峰值(如圖4中c))；此后，噴焰流動(dòng)逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(如圖4中d))，由于噴焰核心區(qū)溫度達(dá)到1 200 K，與環(huán)境溫度有著強(qiáng)烈反差，因此噴焰穩(wěn)定時(shí)只能看到核心區(qū)和部分過(guò)渡區(qū)的噴焰狀態(tài)；當(dāng)裝藥燃燒快結(jié)束時(shí)，單一的裝藥發(fā)生破碎，由近似的恒面燃燒轉(zhuǎn)為增面燃燒，噴焰會(huì)經(jīng)歷一次增強(qiáng)狀態(tài)(如圖4中e))；裝藥燃燒完后，燃燒室內(nèi)殘留燃?xì)饫^續(xù)噴出，但火焰長(zhǎng)度逐漸變短(如圖4中f))。

3 輻射參數(shù)測(cè)量與分析

3.1 光譜數(shù)據(jù)分析

利用光譜儀可測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰的光譜數(shù)據(jù)，光譜儀的光譜分辨率為1 cm-1，幀頻為10 Hz，為了得到燃燒穩(wěn)定的光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合高速攝影圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)挑選，再將連續(xù)的3幀光譜數(shù)據(jù)求平均，得到光譜如圖5所示。

噴焰燃燒的主要?dú)怏w成分為CO2和H2O，從理論分析來(lái)看，CO2主要輻射波段為2.6～2.8 μm，4.1～4.5 μm，12.5～17 μm；H2O的主要輻射波段為2.55～2.84 μm，5.6～7.6 μm，12～30 μm[9-12]。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在2～3 μm和4～5 μm有2個(gè)輻射尖峰，其他波段無(wú)明顯的輻射變化，該結(jié)果與CO2的分子振動(dòng)在4.3 μm輻射，以及CO2和H2O在2.7 μm紅外輻射迭加的理論分析是一致的。

3.2 熱像數(shù)據(jù)分析

圖6a)為中波熱像儀測(cè)量圖像，表觀溫度最大值為1 218 K，輻射強(qiáng)度為529.2 W/sr，圖6b)為長(zhǎng)波熱像儀測(cè)量圖像，表觀溫度最大值為842 K，輻射強(qiáng)度為26.8 W/sr。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)表Table 2 Engine working parameters table

圖3 模型發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)曲線Fig.3 Model engine working pressure curve

圖4 噴焰可見(jiàn)光圖像Fig.4 Exhaust plume visible image

圖5 噴焰光譜輻射亮度曲線圖Fig.5 Spectral radiation curve of exhaust plume

圖6 紅外熱像儀測(cè)量圖像Fig.6 Image of infrared measurement

從圖6中數(shù)據(jù)可以看出，噴焰輻射亮度在噴口出口處并不高，而是在距離噴口一段距離的下游達(dá)到最大值，造成這一現(xiàn)象的主要原因是：噴焰的二次燃燒是在其離開(kāi)噴口后伴隨著與空氣的摻混而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃的[13-15]，這就導(dǎo)致噴焰的高溫區(qū)域在下游才出現(xiàn)，相應(yīng)地也具有更強(qiáng)的紅外輻射。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)噴焰流動(dòng)和光電輻射效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，可見(jiàn)光采集圖像反映了噴焰流動(dòng)過(guò)程和裝藥燃燒狀態(tài)，對(duì)認(rèn)識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)時(shí)的噴焰流動(dòng)具有參考價(jià)值。熱像和光譜測(cè)量獲得了有效的噴焰光電輻射特性狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果表明：對(duì)于這一類型的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，噴焰輻射波段主要集中在2～5 μm波段，主要是CO2和H2O的分子輻射引起的，紅外熱像可明顯反映噴焰的核心區(qū)、過(guò)渡流區(qū)的溫度場(chǎng)分布，結(jié)合測(cè)量條件可反推噴焰的輻射強(qiáng)度。需要說(shuō)明的是，噴焰的燃燒溫度與光譜輻射強(qiáng)度與裝藥配方和噴管結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，因此在利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證工作時(shí)需考慮實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)。