液體火箭發動機離心式噴嘴振蕩噴霧特性現狀和發展趨勢

姜傳金,任永杰,仝毅恒,謝 遠,楚 威,李修乾

(航天工程大學 宇航科學與技術系, 北京 101416)

液體火箭作為人類進出空間、探索宇宙的重要工具,其高可靠性是人類進行大規模、高密度空間活動的基礎保障。燃燒不穩定一直是困擾大推力液體火箭發動機發展的難點,當燃燒不穩定發生時,燃燒室壓力產生周期性振蕩,振蕩頻率從數百赫茲到數千赫茲甚至上萬赫茲不等,振幅一般在平均室壓的5%以上,有時可達到百分之幾十或更高[1-3]。燃燒不穩定可以分為低頻不穩定、中頻不穩定和高頻不穩定。低頻不穩定頻率通常在200 Hz以下,主要是燃燒室內的燃燒過程與推進劑供應系統內的流動過程相耦合導致的;中頻不穩定頻率通常在200～1 000 Hz,是燃燒室內燃燒過程與推進劑供應系統中某一部分流動過程相耦合而引起的振蕩;高頻不穩定是由燃燒釋熱與聲學過程相互作用的非線性振動,頻率通常在1 000 Hz以上[2,4]。燃燒不穩定具有周期性明顯、破壞性強、復雜程度高、隨機性強、非線性顯著、控制難度大等特點[1,3,5]。

圖1為燃燒不穩定的非線性框圖模型[1],各環節中:A表示脈動振幅;D表示對時間的導數,相當于線性環節傳遞函數中的S。圖1由推進劑噴注、霧化、蒸發、混合和化學反應等子過程組成,燃燒室聲學壓力振蕩對其子過程產生影響,形成閉環的正反饋循環,發展形成燃燒不穩定[2]。噴嘴作為連接燃燒室和供應系統的關鍵部件,對發動機的燃燒性能有重要影響[2,6]。液體火箭……