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(dāng)前工業(yè)界和學(xué)術(shù)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(jié)構(gòu)聲特性耦合作用的結(jié)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(yù)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yù)示方法、發(fā)動機結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)了燃燒不穩(wěn)定抑制方法及國內(nèi)外相關(guān)的工程應(yīng)用實例,分析了復(fù)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(shè)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(xué)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(jié)合,提出了一種自適應(yīng)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(yīng)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(xué)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(shè)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(yīng)、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(shè)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(yù)測以及發(fā)動機設(shè)計具有一定的參考價值。

西北工業(yè)大學(xué)的袁江、金秉寧等采用高速顯微成像技術(shù)和激光全息技術(shù)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(jié)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(dǎo)意義。

本刊刊發(fā)了2篇與結(jié)構(gòu)振動相關(guān)的文章。哈爾濱工程大學(xué)的王革、楊海威等從結(jié)構(gòu)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(dǎo)致發(fā)動機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)振動和燃燒室壓強振蕩相結(jié)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(jié)構(gòu)振蕩和壓強振蕩之間的關(guān)系,討論了不同裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性。研究認為避免燃燒室聲頻同結(jié)構(gòu)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(yīng)用有明顯的指導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的變化,發(fā)動機阻尼作用越來越小,導(dǎo)致發(fā)動機工作末期穩(wěn)定性降低。西北工業(yè)大學(xué)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(dǎo)致粒子碰撞聚合引起粒子阻尼的變化。數(shù)值結(jié)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(jié)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(dǎo)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(xué)角度出發(fā),用聲場介質(zhì)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(xué)特性的變化規(guī)律,以聲學(xué)響應(yīng)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(fù)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(guān)領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)者提供一個相互交流的園地,敬請關(guān)注。