含硼固冲补燃室燃烧组织技术进展

摘要： 含硼固冲发动机是新一代超声速导弹的理想动力系统， 但由于点火时间长、 燃烧速率慢， 硼的高热值不易获得。 如何实现补燃室的高效燃烧一直是含硼固冲发动机研究热点。 本文基于国内外的研究成果， 论述了补燃室内单颗粒硼/碳点火燃烧过程与机理， 影响规律及促进方法； 评述了两相掺混燃烧过程数值模拟和试验的研究进展； 总结了含硼固冲补燃室燃烧组织规律。 对目前研究中存在的问题与不足进行了总结， 对未来发展方向和研究重点进行了展望。

关键词： 含硼固冲发动机； 燃烧组织技术； 硼点火燃烧； 掺混燃烧； 数值模拟

中图分类号： TJ763； V435文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2018）04-0003-18

0引言

固体火箭发动机由于其结构简单、 使用方便、 成本低、 作战响应快和高可靠性， 成为导弹武器的首要动力装置， 固体化已成为导弹动力装置的发展趋势。 固体火箭冲压发动机（简称固冲发动机）将固体火箭发动机和冲压发动机进行组合， 利用空气中的氧作为氧化剂， 可显著提高发动机比冲， 相比火箭发动机可提高3～5倍， 大大增加导弹射程， 是新一代超声速导弹的理想动力装置。

然而， 自1913年法国人Lorin提出冲压发动机概念以来， 在役的和曾经在役的超声速巡航导弹大多采用液体冲压发动机[1]， 究其原因， 在于以下几个方面。

首先， 造成该现象的一个主要原因是冲压发动机需要吸入空气开启工作循环， 受飞行工况影响大， 需要燃料流量具有调节能力， 根据飞行工况变化而调整， 保证发动机工作性能。 固体燃料流量可调节能力差， 不能很好适应导弹飞行工况的变化。 因此， 早期的冲压發动机大都采用流量可调节的液体燃料。 20世纪90年代以来， 由于新一代中远程战术导弹对动力装置的迫切需求， 国内外重新掀起固冲发动机研究热潮， 重点开展燃气流量调节技术。 随着该技术的突破， 燃气流量可调式固冲发动机（VFDR）解决了这一问题， 并成功应用于欧洲“流星”空空导弹， 至2017年该导弹已在台风、 阵风、 鹰狮等战机上进行了集成试飞， 即将生产使用[2]。 此外， 美国在21世纪开展了3项采用VFDR的超声速导弹计划[2-3]， 包括超声速掠海靶弹（SSST）计划、 高速反辐射导弹验证（HSAD）计划以及三目标终结者（T3）计划， 均已完成飞行试验， 超声速掠海靶弹GQM-163A已小批量装备美国海军。 俄罗斯、 日本以及中国等均大力开展了燃气流量可调式固冲发动机技术研究， 先后完成了飞行试验论证。

第二个原因是高能固体推进剂技术及其燃烧组织技术问题。 固冲发动机与液冲发动机主要区别在于燃料的不同。 推进剂技术及其在发动机内燃烧组织技术是固冲发动机的核心关键技术。 传统固体推进剂多为低能或中能推进剂， 比冲远低于液体推进剂， 不能满足发动机性能需求。 高能富燃料推进剂如含硼推进剂， 可获得接近于液体燃料的质量比冲， 并具有更高的体积比冲。 20世纪60年代， 各国开始了含硼推进剂研制工作， 但是由于燃烧组织困难、 燃烧效率低， 一度陷入低谷。 前苏联“SA-6”导弹所采用的是铝镁中能推进剂， 比冲性能低于液体冲压发动机， 尽管如此， 由于作战反应快、 成本低， 该导弹在第四次中东战争中取得了显著战果， 受到各国高度关注。 随着燃烧技术的进步， 20世纪80年代中后期， 德、 法在含硼富燃料推进剂应用上取得成功， 重燃各国对含硼推进剂的研究热情。 德国拜恩化学公司在含硼推进剂领域取得显著成果， 制造出含硼40%、 热值60.1 MJ/L的推进剂[4]。 欧洲“流星”导弹正是由于采用该公司提供的高能含硼推进剂， 获得了远超同类型导弹的优越性能。 尽管含硼推进剂已成功应用， 但其在补燃室内的燃烧组织并不容易， 燃烧过程也缺乏深入认识。 推进剂中所含硼颗粒具有点火温度高、 点火时间长、 燃烧速率慢、 氧化物易凝结等特点， 阻碍了含硼推进剂的应用。 试验结果显示， 硼颗粒表面覆盖一层氧化层， 该氧化层具有低熔点、 高沸点特征， 点火过程易在颗粒表面形成液态氧化层， 阻碍燃烧进行[5-9]。 只有当氧化层去除后， 才会发生硼的燃烧， 而硼的燃烧属于表面燃烧， 燃烧速率慢， 导致硼颗粒点火燃烧时间较长。 这就要求补燃室必须具有一定的长度， 满足含有大量凝相颗粒的一次燃气燃烧过程所需的时间空间等要求。 然而， 设计者希望补燃室长度尽可能小， 以减轻发动机质量和尺寸， 目前补燃室长度尚未有设计规范。 自“SA-6”导弹现世以来， 冲压发动机均采用整体式设计方案， 补燃室长度根据其另一功能即助推冲量需求进行设计， 一般为0.8～1.4 m[10]。 含有大量颗粒的燃气在燃烧室内驻留时间只有几毫秒， 如何在短时间内组织好燃气与空气的掺混燃烧是发动机研制过程中一大挑战。 各国学者开展了大量相关研究， 取得显著成果， 促使固冲发动机成功走向应用。 然而， 补燃室燃烧组织技术仍不够成熟， 内部掺混燃烧过程认识仍不充分， 迫切需要深入开展研究。

此外， 发动机热防护技术也是固冲发动机乃至固体超燃发动机面临的重要问题。 其他关键技术如地面试验技术、 进气道技术、 转级技术等则属于共性问题。

燃气流量调节技术近年获得显著发展， 研究进展可参考文献[2]。 本文主要针对含硼固冲补燃室燃烧组织技术开展综述， 从单颗粒硼/碳点火燃烧过程与机理、 影响规律及促进方法， 两相掺混燃烧过程数值模拟和试验研究， 以及各种含硼固冲补燃室燃烧组织技术三个方面进行综述。 对现阶段研究中存在的问题与不足进行总结， 并对未来发展方向和研究重点进行展望。

1单颗粒硼/碳燃烧过程

单颗粒硼燃烧的早期研究可以追溯到19世纪60年代。 国内外众多学者开展了相关研究， Yeh和Kuo， 以及其他学者[9， 11-14]对硼颗粒点火燃烧特性研究进展进行了详细综述， Hussmann等人[15]结合模型验证对单颗粒硼燃烧试验数据进行梳理。 本文主要从试验研究和理论研究方面， 对单颗粒硼/碳点火燃烧过程与机理、 影响规律及促进方法等方面进行综述。

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