液液針栓多噴注單元噴霧場數值模擬

王 凱,唐 亮,雷凡培,楊岸龍,周立新

(1.西安航天動力研究所 液體火箭發動機技術重點實驗室,陜西 西安 710100;2.中國船舶工業集團有限公司,北京 100044)

0 引言

自1970年首次被提出以來,針栓式噴注技術就成為變推力技術研究的熱點,并被成功應用于月球軟著陸探測和火星軟著陸探測。SpaceX的Tom Mueller首次將針栓式噴注器技術應用于獵鷹9號火箭的Merlin系列發動機上。不到十年間發展了3個改進版本,使得獵鷹9成為商業航天市場上最具競爭力的火箭[1]。正是由于梅林發動機噴注器結構簡單,零組件可快速更換實現改進,固有燃燒穩定性好,變推力實現容易,為獵鷹火箭的可重復使用提供了堅定的動力技術支持。

以往的噴注器推力變比最大為2.5∶1,變比再增大時由于低工況噴注壓降降低,會出現低頻燃燒不穩定和燃燒效率顯著降低的情況。與以往的直流撞擊式及離心式噴注器不同,針栓式噴注器通過調節裝置改變氧化劑和燃料的噴注面積,保持各個工況的噴注壓降基本不變,進而保持高的燃燒效率和良好的燃燒穩定性,因而該噴注器技術成為深度變推力發動機的關鍵技術。針栓式噴注器具有獨特的幾何特性和噴注特性,它通過伸入推力室內部的針栓噴注器結構,使軸向的液膜與徑向的液束(或液膜)垂直撞擊形成噴霧扇霧化混合,其工作原理結構如圖1所示[2]。

圖1 針栓式噴注器原理圖Fig.1 Schematic diagram of pintle injector

目前針栓式噴注器雖已成功應用于工程,然而相關的研究多見于工程研制,基礎理論和數值研究很少。……