“固體火箭發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定”專欄導語

劉佩進

固體火箭發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定是個傳統(tǒng)問題,也是當前工業(yè)界和學術界面臨的共同挑戰(zhàn)。燃燒不穩(wěn)定是推進劑非穩(wěn)態(tài)燃燒、燃燒室內(nèi)非穩(wěn)態(tài)流動和結構聲特性耦合作用的結果,飛行過載、用于姿態(tài)控制的直接作用力等外部因素也可能是觸發(fā)燃燒不穩(wěn)定的重要條件。目前,最常見的燃燒不穩(wěn)定是飛行過程中偶發(fā)的,這類現(xiàn)象用燃燒穩(wěn)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(fā)動機燃燒不穩(wěn)定的研究涉及壓強振蕩信號的處理與分析、發(fā)動機結構振動、推進劑的非穩(wěn)態(tài)燃燒、發(fā)動機非穩(wěn)態(tài)流動、金屬的分布式燃燒、推進劑燃燒耦合響應的測試、發(fā)動機阻尼、發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性數(shù)值模擬、過載條件對發(fā)動機結構和燃燒流動的影響、非線性燃燒穩(wěn)定性分析方法等,理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究同樣重要。本專欄聚焦于固體火箭發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定,選錄了9篇文章,內(nèi)容涉及壓強振蕩信號的處理與分析、燃燒不穩(wěn)定預示方法、發(fā)動機結構振動、飛行過載的影響和振蕩條件下的燃燒規(guī)律等,希望能夠為研究人員認識、抑制燃燒不穩(wěn)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(fā)動機聲腔模態(tài)固有頻率三個角度對固體火動機燃燒不穩(wěn)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(wěn)定抑制方法及國內(nèi)外相關的工程應用實例,分析了復雜飛行狀態(tài)下固體火箭發(fā)動機燃燒穩(wěn)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(fā)動機燃燒不穩(wěn)定的壓強振蕩信號是多階振動模態(tài)的疊加,對振蕩信號進行模態(tài)分解是理解能量在不同振動模態(tài)之間傳遞的前提。傳統(tǒng)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(yè)大學的甘林、金秉寧等將標準粒子群優(yōu)化算法(SPSO)和變分模態(tài)分解(VMD)方法相結合,提出了一種自適應模態(tài)分解方法SPSO-VMD,實現(xiàn)了壓強振蕩信號各階模態(tài)的準確分解。該方法自適應性強,不依賴主觀經(jīng)驗,為發(fā)動機燃燒不穩(wěn)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(fā)動機一階縱向不穩(wěn)定燃燒的設計判據(jù)方面做了新的嘗試。文章基于燃燒不穩(wěn)定線性分析理論,考慮燃燒室內(nèi)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(wěn)定燃燒的發(fā)動機設計判據(jù),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(fā)動機燃燒穩(wěn)定性預測以及發(fā)動機設計具有一定的參考價值。

西北工業(yè)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(wěn)態(tài)燃燒過程和非線性燃燒不穩(wěn)定的動態(tài)發(fā)展具有指導意義。

本刊刊發(fā)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(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的天地一致性問題。論文數(shù)值分析了地面強約束和飛行弱約束條件下發(fā)動機振動模式的差異,發(fā)現(xiàn)這種約束的差異會導致發(fā)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(fā)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(wěn)定的觸發(fā)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(wěn)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(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性。研究認為避免燃燒室聲頻同結構呼吸模態(tài)頻率相接近可以在一定程度上抑制不穩(wěn)定燃燒,對工程應用有明顯的指導意義。

本刊刊發(fā)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(fā)動機熱聲振蕩影響,論文采用創(chuàng)新的實驗手段,研究了模擬發(fā)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(guī)律。發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)動機工作過程中裝藥結構的變化,發(fā)動機阻尼作用越來越小,導致發(fā)動機工作末期穩(wěn)定性降低。西北工業(yè)大學的楊文婧等基于CFD-DEM數(shù)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(shù)值仿真,從動態(tài)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(shù)值結果揭示了在不同橫向過載下粒徑分布、顆?？臻g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(chǎn)生使得顆?？臻g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(fā)動機的燃燒穩(wěn)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(fā),用聲場介質的聲衰減系數(shù)代替粒子阻尼,探究固體火箭發(fā)動機在不同飛行過載條件下聲學特性的變化規(guī)律,以聲學響應傳遞函數(shù)來評估發(fā)動機的聲不穩(wěn)定性。

固體火箭發(fā)動機非線性燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生機理非常復雜,國內(nèi)有多個團隊同步開展研究工作,此專欄刊發(fā)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(fā)更多的高水平研究成果,為相關領域內(nèi)的學者提供一個相互交流的園地,敬請關注。