“固體火箭發動機燃燒不穩定”專欄導語

劉佩進

固體火箭發動機燃燒不穩定是個傳統問題,也是當前工業界和學術界面臨的共同挑戰。燃燒不穩定是推進劑非穩態燃燒、燃燒室內非穩態流動和結構聲特性耦合作用的結果,飛行過載、用于姿態控制的直接作用力等外部因素也可能是觸發燃燒不穩定的重要條件。目前,最常見的燃燒不穩定是飛行過程中偶發的,這類現象用燃燒穩定性的線性分析方法無法解釋,還難以準確預示,對工程研制造成的影響更大。固體火箭發動機燃燒不穩定的研究涉及壓強振蕩信號的處理與分析、發動機結構振動、推進劑的非穩態燃燒、發動機非穩態流動、金屬的分布式燃燒、推進劑燃燒耦合響應的測試、發動機阻尼、發動機燃燒穩定性數值模擬、過載條件對發動機結構和燃燒流動的影響、非線性燃燒穩定性分析方法等,理論分析、數值模擬和實驗研究同樣重要。本專欄聚焦于固體火箭發動機燃燒不穩定,選錄了9篇文章,內容涉及壓強振蕩信號的處理與分析、燃燒不穩定預示方法、發動機結構振動、飛行過載的影響和振蕩條件下的燃燒規律等,希望能夠為研究人員認識、抑制燃燒不穩定提供幫助。

北京理工大學的李軍偉等從增大聲能損失、減小聲能增益和改變發動機聲腔模態固有頻率三個角度對固體火動機燃燒不穩定的抑制方法做了很全面的綜述。論文詳細介紹并總結了燃燒不穩定抑制方法及國內外相關的工程應用實例,分析了復雜飛行狀態下固體火箭發動機燃燒穩定性的影響因素。研究工作提供了許多有價值的信息,有助于針對不同類型的壓力振蕩設計有效的抑制手段。

火箭發動機燃燒不穩定的壓強振蕩信號是多階振動模態的疊加,對振蕩信號進行模態分解是理解能量在不同振動模態之間傳遞的前提。傳統的分解方法基于商用軟件,費時且需要很強的處理技巧。西北工業大學的甘林、金秉寧等將標準粒子群優化算法(SPSO)和變分模態分解(VMD)方法相結合,提出了一種自適應模態分解方法SPSO-VMD,實現了壓強振蕩信號各階模態的準確分解。該方法自適應性強,不依賴主觀經驗,為發動機燃燒不穩定振蕩特征分析提供了新的手段。

北京理工大學的譚智杰、李軍偉等在大長徑比固體火箭發動機一階縱向不穩定燃燒的設計判據方面做了新的嘗試。文章基于燃燒不穩定線性分析理論,考慮燃燒室內的壓力耦合響應、噴管阻尼、微粒阻尼對聲能振幅增長率的影響,提出了一階縱向不穩定燃燒的發動機設計判據,并通過實例進行了初步驗證。研究工作對于大長徑比固體火箭發動機燃燒穩定性預測以及發動機設計具有一定的參考價值。

西北工業大學的袁江、金秉寧等采用高速顯微成像技術和激光全息技術同步測量的方法,開展了聲振蕩作用下推進劑鋁顆粒團聚特性實驗研究,首次揭示了振蕩條件下固體推進劑表面凝相顆粒的團聚特性,研究結果對于理解鋁的非穩態燃燒過程和非線性燃燒不穩定的動態發展具有指導意義。

本刊刊發了2篇與結構振動相關的文章。哈爾濱工程大學的王革、楊海威等從結構振動模式的角度研究了發動機燃燒穩定性的天地一致性問題。論文數值分析了地面強約束和飛行弱約束條件下發動機振動模式的差異,發現這種約束的差異會導致發動機結構振動模式明顯不同,模擬自由飛行條件的弱約束發動機可能存在流動與結構的共振。研究工作為認識非線性燃燒不穩定的觸發提供了新的視角。航天科技集團四院四十一所的陳林君等從結構振動和燃燒室壓強振蕩相結合的角度對燃燒不穩定開展研究,揭示了沖擊載荷作用下結構振蕩和壓強振蕩之間的關系,討論了不同裝藥結構發動機的燃燒穩定性。研究認為避免燃燒室聲頻同結構呼吸模態頻率相接近可以在一定程度上抑制不穩定燃燒,對工程應用有明顯的指導意義。

本刊刊發了3篇深入研究阻尼的文章。航天科技集團四院四十一所的劉俊彥等實驗研究了燃燒室聲腔結構對固體火箭發動機熱聲振蕩影響,論文采用創新的實驗手段,研究了模擬發動機裝藥結構的阻尼特性及其隨著裝藥燃面退移的變化規律。發現隨著發動機工作過程中裝藥結構的變化,發動機阻尼作用越來越小,導致發動機工作末期穩定性降低。西北工業大學的楊文婧等基于CFD-DEM數值模擬方法,耦合顆粒碰撞聚合模型,開展了過載下的顆粒碰撞、聚合及流動過程的數值仿真,從動態的角度研究了過載導致粒子碰撞聚合引起粒子阻尼的變化。數值結果揭示了在不同橫向過載下粒徑分布、顆粒空間分布,以及顆粒阻尼特性的變化特征。研究結果表明,橫向過載下,顆粒橫向偏移顯著增加,顆粒間的碰撞概率增大,并且碰撞概率隨過載作用時間增加大幅度提高;顆粒間因碰撞聚合易生成的大粒徑顆粒,大粒徑顆粒的產生使得顆粒空間分布更具不均勻性,進而導致顆粒的阻尼值明顯降低,最終影響發動機的燃燒穩定性。航天科技集團四院四十一所的宋儒儒等開展了類似研究,論文從聲學角度出發,用聲場介質的聲衰減系數代替粒子阻尼,探究固體火箭發動機在不同飛行過載條件下聲學特性的變化規律,以聲學響應傳遞函數來評估發動機的聲不穩定性。

固體火箭發動機非線性燃燒不穩定產生機理非常復雜,國內有多個團隊同步開展研究工作,此專欄刊發了小部分研究進展。編者真誠希望能夠拋磚引玉,期待將來刊發更多的高水平研究成果,為相關領域內的學者提供一個相互交流的園地,敬請關注。