连续旋转爆轰波传播过程试验研究①

王 放，翁春生，李宝星，武郁文，郑 权

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)

0 引言

爆轰燃烧具有热循环效率高和能量释放速率快等优点，因而受到国内外学者的广泛关注。采用爆轰燃烧方式的发动机主要有脉冲爆轰发动机、驻定斜爆轰发动机、连续旋转爆轰发动机(CRDE-Continuous Rotating Detonation Engine)。与前两者相比，CRDE只需单次点火，即可形成连续旋转爆轰波，从而实现发动机的持续工作[1]，具有结构紧凑、推重比大等优点，已成为国内外的研究热点。

国内外学者在CRDE试验研究方面，已开展了大量研究工作，俄罗斯科学院的Bykovskii[2-3]使用H2/Air混合物，在发动机内壁面安装15°收缩中心锥的试验装置上获得了83 N推力，最大比冲值为2200 s。随后，Frolov[4-5]在直径为406 mm的大尺寸旋转爆轰发动机试验装置上，进行了H2/Air组合试验，发现旋转爆轰波在传播过程中存在多种传播模态，爆轰波波头个数随着氧化剂喷注面积增大而减少。

美国波音公司的Dyer[6]使用火花塞成功实现了H2/Air连续旋转爆轰波的起爆，并发现随着推进剂质量流量、当量比、燃烧室压力的变化，爆轰波会形成混合传播模态，波头数量随推进剂质量流量增大而增多。Thomas等[7]在连续旋转爆轰发动机上，安装了一个预爆轰管，在预爆轰管中加装了DDT增强装置，用来加快DDT过程，成功实现了旋转爆轰波的单向起爆。

刘世杰等[8-9]发现，切向喷注的热射流并没有直接诱导形成旋转爆轰波，从点火到形成稳定传播的旋转爆轰波之间存在时间间隔。张海龙等[10]基于无内柱燃烧室，研究拉瓦尔喷管的收缩比对爆轰波传播特性的影响，分析了旋转爆轰与切向不稳性之间的关系。郑权等[11]通过对旋转爆轰波传播机理的分析，验证了爆轰波存在三种传播方式：正转、反转和双波对撞；同时，他们开展了液态燃料的CRDE研究[12-13]。邓利等[14]试验发现，连续旋转爆轰波在旋转过程中能够适应当量比的变化，其传播速度与质量流率和燃料与空气供给的压力比紧密相关。

尽管国内外学者已经提出了多种起爆连续旋转爆轰波的方法，且获得了连续旋转爆轰波的不同传播模态，但对于旋转爆轰波的形成和传播机理，仍有待于进一步研究。本文采用充填H2/O2混气的预爆轰管，成功起爆了CRDE，通过高频压力传感器，获得了连续旋转爆轰波的起爆、传播以及熄爆全过程的高频压力曲线，分析了旋转爆轰波的传播速度和频率在传播过程的波动情况以及旋转爆轰波起爆、传播和熄爆过程。

1 试验系统

本文所采用的连续旋转爆轰发动机如图1所示，试验系统主要由燃料供给系统、氧化剂供给系统、连续旋转爆轰发动机试验装置、预爆轰管以及高频压力传感器组成。图1中，氧化剂供给系统由3路组成；燃料供给系统中氧化剂和燃料单独喷入前端集气腔；H2/O2预爆轰管使用高能电火花点火，其内部装有扰流片，产生的爆轰波以切向喷入CRDE。

本文所采用燃料为H2，氧化剂为Air，燃料和氧化剂单独喷入前端集气腔后，氢气通过均匀布置在内壁面的60个直径为0.8 mm的圆孔倾斜喷入，空气通过一段收缩扩张的环缝喷入燃烧室，环缝喉部宽度为1.6 mm。环形燃烧室的内外径分别为78 mm和88 mm，燃烧室厚度为5 mm，燃烧室出口为常温常压。测量系统所用的高频压力传感器分别标记为P1、P2，如图2所示。高频压力传感器P1安装在预爆轰管喷注位置，从发动机出口方向逆时针观测，与喷注位置的角度为0°；高频压力传感器P2安装在与预爆轰管喷注位置成60°的位置。高频压力传感器的采集频率为500 kHz，传感器的上升时间小于1 μs。

图1 连续旋转爆轰发动机试验装置

图2 高频压力传感器安装位置

2 试验结果分析

2.1 CRDE工作过程分析

试验采用预爆轰管起爆，试验控制时序见图3。首先，向预爆轰管内喷注氢气和氧气，打开CRDE数据采集系统一段时间后，分别向CRDE分别喷注氢气和空气；然后，关闭预爆轰管的氢气和氧气，随后对预爆轰管进行点火，点火后在预爆轰管内形成初始爆轰波进入CRDE燃烧室，引爆喷注的氢气和空气混合物，形成自持传播的连续旋转爆轰波，爆轰产物从出口排出。在发动机熄火过程中，首先切断发动机的燃料，继续注入空气，以吹出燃烧室内的剩余燃料，直至完全熄火。

图3 CRDE试验时序图

当H2、Air质量流量为11.14、513.11 g/s时，成功起爆CRDE，且得到较好的试验结果，此时当量比为0.76。CRDE工作过程P2点压力分布如图4所示。696.87 ms时，采集到了第一个压力峰值，约为2.4 MPa，该峰值即为预爆轰管所产生的初始爆轰波进入CRDE后传播至测压点P2时的压力；910 ms时，高频压力信号开始衰减，发动机逐渐熄火。图5为截取自图4中850～855 ms范围内的高频压力曲线。由图5可见，压力波动较为均匀稳定。在整个试验过程中，高频压力信号持续存在并稳定波动，说明本次试验成功起爆，并实现了连续旋转爆轰波的自持传播。

图4 CRDE工作全程压力曲线

图5 局部压力放大图

2.2 CRDE起爆过程分析

图6是连续旋转爆轰波起爆过程。可见，697 ms时，预爆轰管所产生的初始爆轰波进入CRDE，初始爆轰波的压力峰值为3.7 MPa，在该爆轰波进入CRDE内部时，并未在CRDE内立刻形成连续旋转爆轰波，经历了约17 ms后，在714 ms时，P2点的压力峰值上升至2 MPa以上，逐渐形成稳定传播的爆轰波，这与Kindracki等[15]所测得的高频压力信号定性一致。在697～714 ms内，燃烧室内经历了一个爆燃转爆轰过程，测量点P1和P2的压力峰值出现的顺序多次更替。可见，燃烧波在膨胀解耦和爆轰波重新形成的过程中不断碰撞、湮灭，再形成，没有稳定的传播方向。

图7是CRDE起爆时P1点压力峰值分布图，图7中的蓝色折线为压力峰值变化图，红色柱状图对应压力峰值出现的时间。由图7可见，压力峰值的分布由疏到密，其数值也逐渐增大，说明CRDE内压缩波系逐渐汇合增强，不断点燃CRDE内部的燃料，至714 ms时，开始形成压力较高的前导激波，不断诱导引爆可燃混合气体，最终形成稳定的旋转爆轰波。

图6 连续旋转爆轰波起爆时压力曲线

图8是初始爆轰波刚传入CRDE的压力曲线，预爆轰管产生的爆轰波喷入CRDE环形燃烧室后，先后经过了P1和P2，两者的第一个压力峰值的时间间隔是0.03 ms，通过P1和P2的距离和时间间隔计算得到预爆轰管传入的爆轰波的初始速度约为1535.11 m/s。由图8可见，P2点测得的压力峰值比P1点的压力峰值亏损了35.13%，且再往后压力骤降，说明初始爆轰波进入CRDE后，并没有维持爆轰波的形态继续传播，而是迅速解耦为膨胀波。这是由于预爆轰管内产生的爆轰波从一个狭窄的入口喷入CRDE，因为CRDE的通道面积大于预爆轰管的喷孔面积，所以前导激波进入后经历一个面积突扩的阶段，在CRDE内立即膨胀解耦，压力骤降，且产生膨胀扰动。

图8 初始爆轰波压力曲线

2.3 连续旋转爆轰波传播过程分析

CRDW形成以后，在燃烧室内高速周向传播，不断引爆预混可燃气体，同时波后的压力逐渐衰减，新鲜燃料不断填充，从而使得旋转爆轰波得以自持传播。图9是旋转爆轰波传播过程中P1和P2所测得的高频压力曲线。从图9中可看到，压力峰值的时序为P2-P1，此时爆轰波在燃烧室内以顺时针方向传播，与预爆轰管产生的初始爆轰波方向相反。由此表明，爆轰波最终的传播方向与初始爆轰波方向无关。

图9 CRDW传播过程压力曲线

由于试验所采用的高频压力传感器响应频率较高，可精确捕捉到爆震波峰值出现的准确时间。因此，基于同一点P1所测得的两个相邻峰值之间的时间间隔，可计算出旋转爆轰波的瞬时传播速度。

如图9所示，根据两波峰间的时间间隔Δt，由式(1)可计算得图中第i个周期内旋转爆轰波的瞬时传播速度为1439.17 m/s，波动范围为1424.33～1454.32 m/s。

(1)

图10分别为P1和P2点所测高频压力信号的FFT结果。由图10可知，P1和P2点所测的高频压力信号的主频均为5211.25 Hz，计算得到连续旋转爆轰波传播平均波速为1439.97 m/s。从图10可看出，燃烧室内压力信号分布比较集中，且P1和P2压力测量信号的FFT结果一致，由此可判断当前工况下CRDE是稳定工作的。

图11是CRDE稳定工作时的连续旋转爆轰波瞬时速度值分布图。选取的时间为0.73～0.82 s，瞬时速度值通过式(1)计算得出。

(a) P1点傅里叶变换

(b) P2点傅里叶变换

图11 CRDE稳定工作时CRDW瞬时速度值图

由图11可见，两个测量点的瞬时速度值分布较为集中，且保持连续，说明CRDE工作过程中以稳定的单波模态传播。经计算所得，CRDE稳定工作时两测量点P1和P2的CRDW瞬时速度平均值分别为1434.9 m/s和1431.8 m/s，如表1所示。P2点的速度标准差稍大，说明该处的速度波动较P1更大，瞬时速度平均值与FFT结果所计算的速度值1439.97 m/s的误差均在1%以内，说明这两种计算方法均可较准确地计算CRDW的平均速度大小。

表1 CRDE稳定工作时两测量点CRDW瞬时速度值

2.4 连续旋转爆轰波熄爆过程

图12为CRDE熄火过程P1点的压力曲线。试验中，通过切断H2供应，且继续喷入空气，来实现CRDE熄火。图13是CRDW熄爆过程P1点压力峰值和速度图。

图12 CRDW熄爆过程

图13 CRDW熄爆过程P1点压力峰值和速度图

由图12可见，905 ms时，P1点的压力峰值为3.3 MPa。从图13中可看到，905 ms时，爆轰波速度为1408.7 m/s，根据速度和压力可判断，在905 ms时，仍存在爆轰波。从900～905 ms，CRDE内仍存在周期性传播的爆轰波，905 ms以后，压力曲线逐渐下降，至920 ms时，CRDE内压力逐渐趋于环境气压，说明CRDW已经熄爆。如图13所示，在熄爆过程中，P1点高频压力传感器所测压力峰值整体呈现出波动范围变小、数值迅速降低的趋势。同时，速度波动也逐渐增大，但速度的下降延迟于压力的下降。可见，爆轰波并没有立即解耦，由于H2不再供给，CRDE内的可燃混气被迅速消耗，CRDW在旋转数周后，最终因燃料耗尽而熄爆。此时，CRDE内爆轰产物仍有较大的周向速度。因此，仍存在周期性压力振荡。

3 结论

(1)在当量比为0.76的工况下，试验成功起爆，并获得了稳定传播的连续旋转爆轰波，测得的连续旋转爆轰波传播主频为5211.25 Hz，波速为1439.97 m/s。

(2)试验发现，预爆轰管点火时产生的初始爆轰波切向喷入CRDE后，并不能立即起爆CRDE，还要经历一段爆燃转爆轰的过程。在此过程中，压力峰值的分布由疏到密，其数值也逐渐增大，说明其内压缩波系逐渐汇合增强，直至开始形成前导激波，不断诱导引爆可燃混气，最终形成爆轰波。

(3)通过试验数据分析了连续旋转爆轰波的熄爆过程。熄爆过程中测量点的压力峰值整体呈现出波动范围变小、数值迅速降低的趋势；同时，速度波动也逐渐增大，但速度的下降延迟于压力的下降。可见，爆轰波并没有立即解耦，而是在旋转数周后，才完全熄爆。

本文所做研究对连续旋转爆轰发动机的成功起爆、自持传播和安全熄爆具有重要意义，可为连续旋转爆轰发动机的结构设计和理论研究提供参考。