超燃发动机来流组分浓度在线测量

【作者】 张振荣； 李国华； 叶景峰； 邵珺； 王晟； 陶波； 胡志云；

【机构】 西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室；

【摘要】 超燃冲压发动机以其高比冲、较高的推力和推重比以及较宽的马赫数等优点有望成为高速飞行器(M>6)动力装置的最佳选择。地面实验是超燃冲压发动机研制的基础,地面实验时需要模拟实际的来流条件,包括来流速度、温度和氧气含量等。为了产生所需的来流温度,实验中需要对来流空气进行加热,主要有两种方式,一种是电加热,优点是清洁、无污染,缺点是能耗高,效率较低,加热慢;另一种是燃烧加热,及采用燃料燃烧的方式加热来流空气,具有效率高、升温快等特点,但由于燃烧会消耗来流中的氧气,所以需要进行必要的氧气补充。目前,超燃冲压发动机地面实验大多数采用燃烧加热方式。采用这种加热方式,来流中的主要组分浓度,特别是补氧后氧气的含量与后续燃烧组织的成功与否息息相关。因此,在线测量来流气体主要组分浓度,分析确定补氧后来流气体中的氧气含量,对于超燃冲压发动机地面实验的控制及发动机性能评估等具有非常重要的作用。本文采用自发拉曼散射技术对超燃冲压发动机来流进行了诊断,在线测量了来流气体中主要组分的拉曼光谱,并通过光谱计算获得了发动机实验过程中不同实验阶段主要组分的摩尔分数,重点分析了来流气体中氧气的含量及其变化。测量结果表明,发动机实验过程中来流气体中氧气含量可分为三种情况:(1)含量与设计值符合很好,且在实验过程中保持稳定;(2)氧含量与设计值有较大偏差,实验过程中保持稳定;(3)氧含量与设计值有较大偏差,且实验过程中稳定性较差。上述三种情况说明,发动机地面实验过程中补氧控制的精度和稳定性尚有待提高。本文研究结果表明,超燃发动机地面实验需要对来流主要组分浓度进行在线测量。采用自发拉曼散射技术可以较好地完成来流主要组分浓度测量工作,测量结果对于发动机实验数据分析及来流补氧控制方式和控制精度的改进具有较好的指导价值。更多还原