关于用于辅助推进系统的燃烧器的特性研究

辅助推进系统与主推进系统一样，是航天运载系统和航天器的重要组成部分，其功用包括：姿态控制、速度修正、轨道变换组修正、位置保持、推进剂沉底以及航天器上的各种辅助动力装置等。辅助推进系统现已发展成为液体火箭推进技术领域中的一个重要分支，其发展趋势为：高性能、高可靠性，具有质量轻、尺寸小、响应快、品种多的特点。为了解决燃烧中热损失大，燃烧不稳定的等问题，国际上很多研究人员采取了以下两种措施：一方面是增加热循环，另一方面是利用多孔介质燃烧技术，这种两种措施已经被验证了其可行性和有效性。

本研究中，采用正庚烷作为燃烧工质，并设计了一种带回热结构和多孔介质的小型燃烧器。利用回热结构预热液体庚烷及未燃混合物，促进庚烷液滴的蒸发。利用多孔介质增加液滴蒸发表面积，增加气体庚烷和空气接触的时间，使混合更充分。从可燃极限、燃烧室形状、火焰传播速率几个角度进行实验探讨。本文中定义，可燃混合气中空气质量流量与燃油质量流量之比为空燃比。

1 实验方案

1.1 实验系统

本实验在微燃烧实验台上进行。空气的流量采用型号为D 0727A /ZM的质量流量控制器来调节，量程0~5SLM ，测量误差小于满量程的1% 。液体正庚烷的流量采用LSP 01-1A 型号的注射泵来调节和控制。壁面温度和尾气温度选用外径0.5m m 的K 型铠装热电偶来测量，热电偶误差极限0.75% (400~1300℃);采用FLIR A 40 红外热像仪测量套管外壁面温度场。另外，选用C A N O N H F200 来记录火焰位置及形状。同时，利用LA B V IEW 软件开发的数据采集软件来实时采集气体流量、温度等参数。

实验中，氧化剂为空气，通过调节正庚烷和空气的流量来实现不同的空燃比。实验时，采取在内管出口点火，回火点燃的方式。实验中测量的主要参数包括:空气和正庚烷的质量流量;空燃比(A /F);内管外壁面温度和尾气温度;火焰位置和形状。

1.2 燃烧器模型

燃烧器直管是长100m m、内径4m m、外径6m m 的石英管，水平放置。在内管内部从空气进气端伸入一根外径为0.4m m、内径为0.24m m 的毛细不锈钢管，它与注射泵针头相连接。利用注射泵把液体燃料注入内管中。同时将空气从左端口通入燃烧器。另外，为了回收部分废气热量来预热低温的进口反应物，进而增加燃烧稳定性，设计了外套管结构。外套管有三种， M odel2、M odel3、M odel4，M odel2 套管底部为平底，M odel3 套管底部为圆底，M odel4 套管底部为凸底。套管均为石英材质，总长83m m、内径10m m、外径12m m。实验中，选择了聚丙烯腈基碳毡作为多孔介质，其孔隙率大约为87% 。

毛细管尾端即庚烷出口置于碳毡内部，此时碳毡距内管出口44.5m m。燃烧器上布置了8 路热电偶：TC 1、TC 3、TC 4 和TC 5 测量内管壁面温度，TC 6 测量燃烧尾气温度，TC 2 沿内管中轴线伸入多孔介质测量碳毡内部温度，外壁面温度通过红外摄像仪测得。

2 实验结果与讨论

2.1 外套管形状对可燃极限的影响

本文中，用可维持燃料燃烧的最大空燃比来表征此条件下的燃料贫燃极限，同理，用可维持燃料燃烧的最小空燃比来表征此条件下的燃料富燃极限。

为了探索庚烷流量变化时，燃料可燃极限的变化趋势。采用M odel2、M odel3、M odel4 进行了多次重复性实验，得到了可燃极限的变化规律。在实验过程中发现，3 个模型中可燃极限的变化规律相似，只有当庚烷流量大于某临界值时，才能维持稳定燃烧。庚烷流量小于某临界值时，燃料燃烧产生的能量不足以补偿庚烷蒸发和热损失带走的能量，因而无法维持反应进行。以m odel2 所得数据为例，当庚烷流量更小达到0.11m g/s 时，无论如何调整空燃比都无法维持稳定燃烧。这是因为此时放热量相当少，计算得知只有不到5W 。随着庚烷流量的增加，参与反应的燃料增多，反应放热增加，空气在一定程度的过量或者不足时依然可以维持稳定燃烧。当庚烷流量超过0.46m g/s 后，可燃极限变化趋于平缓。富燃极限几乎都维持在5.5 左右;贫燃极限则在35附近略有波动。

通过M odel2、M odel3、M odel4 中可燃极限的对比，可以看出可燃极限值最高的是M odel4，其次是M odel2，M odel3 中的可燃极限值最低。即在扩展可燃极限上，凸底套管最优，平底套管其次，圆底套管效果最差。

2.2 外套管形状对散热的影响

在庚烷流量为0.8m g/s (A /F=7.69) 和0.57m g/s (A /F=10.76)条件下，分别对M odel2、M odel3、M odel4 中内外管壁壁面的温度分布进行了测量。实验结果表明，庚烷流量为0.8m g/s (A /F=7.69) 时三模型中的燃烧火焰都稳定在坐标-10m m 到10m m 之间。在这一条件下，3 模型中得到的最高温度(即TC 6 测得的废气温度) 基本相同，其中M odel4 的外壁面平均温度最低，热量损失较少。

2.3 火焰传播速率

改变空气流量和庚烷流量，使燃料A /F 固定为8.5。采用M odel2进行的燃烧实验，并测得了温度分布。

实验结果表明，在R e 为50.2~68.13 (庚烷流量为0.34~0.46m g/s)区间段，TC 1、TC 3 和TC 2 温度稍有下降，而TC 4、TC 5、TC 6 温度则略有升高，这表示此时燃料流速略大于火焰传播速率，火焰从TC 1附近非常缓慢的移向下游。在R e 为68.13~132.69 (庚烷流量为0.46~0.92m g/s)这段区间，各热电偶测得的温度变化较大，说明此时的燃气流速明显大于火焰的传播速度，火焰较快速的向管口移动;当R e 增加到132.69 时火焰接近内管出口。观察R e 为132.69~200.82 (庚烷流量为0.92~1.36m g/s)这段区间，排气和各处管壁温度都呈现出基本稳定略有线性增加的趋势。TC 2 所反映的多孔介质温度则呈现基本稳定略有下降的趋势。同时试验中观察到火焰位置没有发生太大的变化，可见，随着燃烧温度的增加，火焰的传播速率也在增加。

3 结论

1)当庚烷流量小于某临界值时，燃烧器无法稳定工作。随着庚烷流量的增加，可燃极限增加，但增加趋势随着庚烷流量的更加逐渐趋于平缓。

2)外套管底部形状对燃烧的稳定有一定的影响，总体来看，由于壁面对流场的影响，底部为平底时更有利于增加可燃极限。

3)随着燃烧室内温度的增加，火焰的传播速率也在增加。