“固体火箭发动机燃烧不稳定”专栏导语

刘佩进

固体火箭发动机燃烧不稳定是个传统问题,也是当前工业界和学术界面临的共同挑战。燃烧不稳定是推进剂非稳态燃烧、燃烧室内非稳态流动和结构声特性耦合作用的结果,飞行过载、用于姿态控制的直接作用力等外部因素也可能是触发燃烧不稳定的重要条件。目前,最常见的燃烧不稳定是飞行过程中偶发的,这类现象用燃烧稳定性的线性分析方法无法解释,还难以准确预示,对工程研制造成的影响更大。固体火箭发动机燃烧不稳定的研究涉及压强振荡信号的处理与分析、发动机结构振动、推进剂的非稳态燃烧、发动机非稳态流动、金属的分布式燃烧、推进剂燃烧耦合响应的测试、发动机阻尼、发动机燃烧稳定性数值模拟、过载条件对发动机结构和燃烧流动的影响、非线性燃烧稳定性分析方法等,理论分析、数值模拟和实验研究同样重要。本专栏聚焦于固体火箭发动机燃烧不稳定,选录了9篇文章,内容涉及压强振荡信号的处理与分析、燃烧不稳定预示方法、发动机结构振动、飞行过载的影响和振荡条件下的燃烧规律等,希望能够为研究人员认识、抑制燃烧不稳定提供帮助。

北京理工大学的李军伟等从增大声能损失、减小声能增益和改变发动机声腔模态固有频率三个角度对固体火动机燃烧不稳定的抑制方法做了很全面的综述。论文详细介绍并总结了燃烧不稳定抑制方法及国内外相关的工程应用实例,分析了复杂飞行状态下固体火箭发动机燃烧稳定性的影响因素。研究工作提供了许多有价值的信息,有助于针对不同类型的压力振荡设计有效的抑制手段。

火箭发动机燃烧不稳定的压强振荡信号是多阶振动模态的叠加,对振荡信号进行模态分解是理解能量在不同振动模态之间传递的前提。传统的分解方法基于商用软件,费时且需要很强的处理技巧。西北工业大学的甘林、金秉宁等将标准粒子群优化算法(SPSO)和变分模态分解(VMD)方法相结合,提出了一种自适应模态分解方法SPSO-VMD,实现了压强振荡信号各阶模态的准确分解。该方法自适应性强,不依赖主观经验,为发动机燃烧不稳定振荡特征分析提供了新的手段。

北京理工大学的谭智杰、李军伟等在大长径比固体火箭发动机一阶纵向不稳定燃烧的设计判据方面做了新的尝试。文章基于燃烧不稳定线性分析理论,考虑燃烧室内的压力耦合响应、喷管阻尼、微粒阻尼对声能振幅增长率的影响,提出了一阶纵向不稳定燃烧的发动机设计判据,并通过实例进行了初步验证。研究工作对于大长径比固体火箭发动机燃烧稳定性预测以及发动机设计具有一定的参考价值。

西北工业大学的袁江、金秉宁等采用高速显微成像技术和激光全息技术同步测量的方法,开展了声振荡作用下推进剂铝颗粒团聚特性实验研究,首次揭示了振荡条件下固体推进剂表面凝相颗粒的团聚特性,研究结果对于理解铝的非稳态燃烧过程和非线性燃烧不稳定的动态发展具有指导意义。

本刊刊发了2篇与结构振动相关的文章。哈尔滨工程大学的王革、杨海威等从结构振动模式的角度研究了发动机燃烧稳定性的天地一致性问题。论文数值分析了地面强约束和飞行弱约束条件下发动机振动模式的差异,发现这种约束的差异会导致发动机结构振动模式明显不同,模拟自由飞行条件的弱约束发动机可能存在流动与结构的共振。研究工作为认识非线性燃烧不稳定的触发提供了新的视角。航天科技集团四院四十一所的陈林君等从结构振动和燃烧室压强振荡相结合的角度对燃烧不稳定开展研究,揭示了冲击载荷作用下结构振荡和压强振荡之间的关系,讨论了不同装药结构发动机的燃烧稳定性。研究认为避免燃烧室声频同结构呼吸模态频率相接近可以在一定程度上抑制不稳定燃烧,对工程应用有明显的指导意义。

本刊刊发了3篇深入研究阻尼的文章。航天科技集团四院四十一所的刘俊彦等实验研究了燃烧室声腔结构对固体火箭发动机热声振荡影响,论文采用创新的实验手段,研究了模拟发动机装药结构的阻尼特性及其随着装药燃面退移的变化规律。发现随着发动机工作过程中装药结构的变化,发动机阻尼作用越来越小,导致发动机工作末期稳定性降低。西北工业大学的杨文婧等基于CFD-DEM数值模拟方法,耦合颗粒碰撞聚合模型,开展了过载下的颗粒碰撞、聚合及流动过程的数值仿真,从动态的角度研究了过载导致粒子碰撞聚合引起粒子阻尼的变化。数值结果揭示了在不同横向过载下粒径分布、颗粒空间分布,以及颗粒阻尼特性的变化特征。研究结果表明,横向过载下,颗粒横向偏移显著增加,颗粒间的碰撞概率增大,并且碰撞概率随过载作用时间增加大幅度提高;颗粒间因碰撞聚合易生成的大粒径颗粒,大粒径颗粒的产生使得颗粒空间分布更具不均匀性,进而导致颗粒的阻尼值明显降低,最终影响发动机的燃烧稳定性。航天科技集团四院四十一所的宋儒儒等开展了类似研究,论文从声学角度出发,用声场介质的声衰减系数代替粒子阻尼,探究固体火箭发动机在不同飞行过载条件下声学特性的变化规律,以声学响应传递函数来评估发动机的声不稳定性。

固体火箭发动机非线性燃烧不稳定产生机理非常复杂,国内有多个团队同步开展研究工作,此专栏刊发了小部分研究进展。编者真诚希望能够抛砖引玉,期待将来刊发更多的高水平研究成果,为相关领域内的学者提供一个相互交流的园地,敬请关注。