液體火箭發動機切向不穩定燃燒的旋轉爆震機理研究

《液體火箭發動機切向不穩定燃燒的旋轉爆震機理研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由劉衛東擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：液體火箭發動機切向不穩定燃燒的旋轉爆震機理研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：劉衛東
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

在以等壓模式組織燃燒的液體火箭發動機內，由於緊鄰噴注面板的推進劑混合效果差，在火焰鋒面與噴注面板間存在高溫可燃混合物層，為旋轉爆震波的形成創造了條件，旋轉爆震極可能是液體火箭發動機切向不穩定燃燒的一種誘發機制。在液體火箭發動機和旋轉爆震前期研究工作的基礎上，本項目擬開展圓環和圓筒形旋轉爆震燃燒室（RDC）內的爆震波起爆、結構及傳播特性研究，明晰旋轉爆震波的自持機理和自發形成機制，進一步豐富旋轉爆震和液體火箭發動機不穩定燃燒理論，為切向不穩定燃燒的抑制提供理論指導和技術支撐。

結題摘要

燃燒不穩定現象是液體火箭發動機工程研製過程中經常碰到的棘手難題。目前世界各國對液體火箭發動機燃燒不穩定開展了大量研究並取得了豐碩成果，但液體火箭發動機燃燒不穩定的誘發機制存在不同的學術觀點，其機理多年來未能清楚。本項目提出了旋轉爆震是液體火箭發動機切向燃燒不穩定的可能誘發機制之一。綜合運用實驗研究、數值模擬方法，對圓環和圓筒形旋轉爆震燃燒室內的爆震波起爆、結構及傳播特性進行研究，探索和驗證了旋轉爆震是否為切向燃燒不穩定的誘發機制。 首先，以氫氣/空氣（H2/Air）混合氣為工質，通過數值模擬得到了環形燃燒室內部流場結構、傳播特性以及燃燒室寬度的影響規律。結果表明在環形燃燒室內，由於橫波效應的存在，燃燒室頭部存在激波反射的現象，燃燒室寬度越大，波面彎曲越明顯。在同一種傳播模態下，外徑處的正爆震波速度接近理論CJ值。 在無噴管條件下，採用逐步縮短內柱過渡到圓筒的方式，試驗驗證了圓筒燃燒室連續旋轉爆震的可行性。在有Laval噴管條件下，試驗驗證了圓筒燃燒室內連續旋轉爆震的可行性，考查了當量比、噴管收縮比對傳播模態的影響。根據壓力振盪的形式，定義了三種傳播模態。結合試驗和數值模擬結果分析了各模態下的流場結構特徵，得到了噴管收縮比對傳播模態的影響規律。旋轉爆震的傳播模態主要受下游斜激波在噴管收縮段的反射強度和反射波的上行距離影響。將試驗結果和高頻不穩定聲學振型進行比對，發現旋轉爆震波主頻與燃燒不穩定固有頻率吻合一致，誤差在正負5%以內。採用與火箭發動機相似的等壓點火時序進行試驗，並與熱射流點火方法進行對比。綜合考查了不同燃燒室長度、推進劑活性下，傳播頻率與固有頻率的關係。結果表明當燃燒室內實現旋轉爆震後，爆震波的傳播頻率均與對應的固有傳播頻率有良好的一致性，誤差值在5%左右。最後在邊區環縫，中心區多噴嘴的雙區噴注燃燒室中實現了旋轉爆震波的起爆和穩定自持，貼近壁面處存在足夠的可燃氣體有助於爆震波的形成與穩定，其結果進一步驗證了旋轉貼近壁面處存在足夠的可燃氣體有助於爆震波的形成與穩定，其結果進一步驗證了旋轉爆震波是誘發切向不穩定燃燒的重要機制。