噴管分離流動模態轉換過程壁壓測量試驗

王一白，陸星宇，李 波，劉 宇

（北京航空航天大學 宇航學院,北京 100191）

0 引言

對高性能火箭發動機的需求推動了高性能噴管的發展，而高性能噴管主要是通過提高噴管出口與喉部截面的面積比實現的[1]。大面積比的噴管在開機階段會經歷過膨脹，流動在噴管壁面上發生 分離 。 在 J-2S[2]，SSME[3]， LE-7A[4]以 及 Vulcain[5]等發動機的研發過程中都發現這種流動分離常常是非對稱且不穩定的。這種非對稱分離流動會導致巨大的非對稱側向力，往往對噴管本身和發動機造成損害。這種損傷已經成為大膨脹比發動機噴管設計的主要限制之一[6]。目前工程上解決該問題的主要策略是加強結構，代價是結構質量的增加。目前已經基本確定鐘形噴管內常見的流動分離模態有兩種：自由激波分離和受限激波分離。研究者們也提出了不同的分離準則和分離預測模型。但現有的所有模型都對具體噴管有依賴性，當噴管類型或型面參數發生較大變化時就難以獲得滿意的預測結果，反映了對該問題的理解仍然有待加深。

為了理解大膨脹比噴管過膨脹過程中不同流動分離模態及其轉化過程的特征，對縮比推力最大拋物線 （Thrust Optimized Parabolic，TOP）噴管進行了壁面壓強測量試驗，并輔以數值對比計算，捕獲到了兩種典型的分離模態，獲得了所用TOP噴管的分離模態轉換壓比范圍。對于后續開展大面積比噴管的流動分離試驗，掌握流動分離過程對應的工作壓強比范圍，提供了有益參考。

1 噴管設計與實驗系統

試驗所用噴管為最大推力拋物線噴管，其關鍵參數見表1。……