同軸剪切噴嘴高頻噴注耦合燃燒不穩定分析

田 原，李丹琳，孫紀國，喬桂玉

（北京航天動力研究所，北京100076）

0 引言

燃燒不穩定性是液體火箭發動機研制過程中經常遇到的重大技術關鍵問題，依據燃燒室內壓力振蕩頻率范圍和激發機理可分為高頻、低頻及中頻燃燒不穩定三類，其中高頻燃燒不穩定性對發動機的危害最嚴重。高頻燃燒不穩定是燃燒過程與燃燒室聲學振蕩相耦合的結果，燃燒過程通常包括噴注、霧化、蒸發、混合、化學反應等子過程。高頻燃燒不穩定依據反饋機理又可以分為兩類，固有機理燃燒不穩定和噴注耦合燃燒不穩定。在固有機理燃燒不穩定中，推進劑噴注后的霧化、蒸發等子過程振蕩起主要作用，噴注流量振蕩小得可以忽略，而在噴注耦合聲學振型中，推進劑噴注流量振蕩起主要作用。

同軸剪切式噴嘴具有結構尺寸小、結構簡單、燃燒穩定性較好、燃燒效率與同軸離心式接近、火焰遠離面板與室壁相容性好等優點，在國內外的眾多氫氧發動機及正在研究的開式循環液氧甲烷發動機上得到了廣泛的應用。根據國內外的研究結果，同軸剪切式噴嘴在某些工況條件下可能會發生中心氧噴嘴噴注過程與燃燒室聲學過程的諧振，造成噴注耦合型高頻燃燒不穩定性。如美國J-2S發動機的研制過程中推力室出現了4 400 Hz左右的噴注耦合高頻燃燒不穩定[1]，最后通過改進氧噴嘴流道進而改變其固有聲學頻率解決了該問題。20世紀80年代，美國NASA蘭利研究中心進行的液氧甲烷噴注器燃燒穩定性研究試驗過程中出現了5 000 Hz高頻噴注耦合燃燒不穩定現象[2]，該頻率與燃燒室一階切向頻率相近，且出現與否同燃燒室的混合比有關。……