液氧煤油补燃发动机喷注器高频燃烧不稳定性的试验研究

１ 模 拟原 理 与方 法
１ ２ 相似准 则 ．
低 压单 喷 注单元 高频 燃烧 不稳定 性模 拟 主要基
于 以下近似 和 准则 ： （ ）声场 相似 燃烧 室 内燃 气发 生振 荡 时 ， １ 声学
质点 振动 速度 幅值 和声 压幅值 满足 ：
ｖ ｃ＝ｐ／ ＇ ／ ＇ （） １
ｃｍｂ ｓｏ ｎｔ ｉｔ ｉ ｅｃｔ ．Ｔ ｅｒ ｒｃ ｖ ｎ ｔ ｏ ｅ ｎｅｔｒ ｏｌ ｈｖ ｒｃ ｌ ｆ ｃ ｏ ｅｃｍ ｕｔ ｎｉｓ ｂｌｙ ｏ ｕｔ ｎｉ ａ ｌｙ ｓ ｘｉ ｄ ｈ ｅ ａｔ ｅ ｅｇ ｆｈ ｊ ｏ ｗ ｕｄ ａｅｃｕｉ ｆ ｔ ｎｔ ｏ ｂ ｓｏ ｔ ｉｔ ｉ ｓ ｂ ｉ ｅ ｔ ｉ ｌ ｈ ｔ ｉ ｃ ａｅｅ ｈ ｉ ｎ ａ ｉ
稳 定性 的冷 态 声 学试 验 方 法 。我 们 注 意 到 ， 些 研 这 究 工作 的重 点 是介 绍 了试 验 方法 ， 没有 系统 研 究 液 氧煤 油高压 补燃 火箭 发 动机 同轴 直流 离心 式喷 注器 结 构 对高频 燃 烧不 稳定 性 的影响 。本 文针 对该 发动 机推 力室 工作 特点 ， 绍 了热 模 拟 试 验 系 统并 开 展 介 了试 验研究 ， 点 研究 了喷 注 器 缩 进 室 长 度对 高 频 重 燃 烧 不稳 定性 裕量 的影 响 。
Ｗ ＡＮＧ ｅ ｇ Ｆ ｎ ．Ｌ ｏ ｇ ｆ ｉ ＺＨＡＮＧ ｉｔ ｎ Ｉ Ｌ ｎ —ｅ Ｇｕ —ｉ ａ
（ ． ｃ ｏｌ ｆ ｓ ｏ ａ ｔ ｓ ｏｔｗ ｓ ｒ ０ｙ ｃ ｎｃ ｌ ｎｖ ｒ ｔ ， ｉ ａ １０ ２，Ｃ ｉａ Ｉ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｔ ｎ ｕｉ ，Ｎ ｒ ｅｔ ｎ Ｐ ｌ ｅ ｈ ｉ Ｕ ｉｅｓ ｙ Ｘ ’ ｌ７ ０ ７ Ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｈｎ
ａ ｄ ｏ ｅ ａ ｉ ｃ ｎ ｔｏ ｓ ｎ ｉｈ—ｒ ｑｕ ｎ ｙ ｏ ｂ ｔｏ ｓａ ｌｔ ａ ｅ ｂｔｉ ｄ ｒ ｍ ｅ ｓ ｒ — ｓ ｉｌｔｏ ｄ ｃ ｅ ｅ ｓ Ｔｈ ｎ ｐ ｒ ｔｎｇ ｏ ｄｉ ｎ ｏ ｈ ｇ ｆｅ ｅ ｃ ｃ ｍ ｕｓｉｎ ｔｂｉｉ ｉ ｙ ｒ ｏ ａｎｅ ｆｏ ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｏ ｃｌａｉｎ ｅ ｒ ｍ ｎｔ． ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔ ｔｔ ｅ ｆａ ｓｂｅ ｏｍｅ ｓ ｏ ｔ ｎ ｈｅｈｉｈ ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｏ ｃｌａ ｉｎ ｎ ｑ ｅ ｌｎｇａ ｐｅ ｒｗｈ ｎ ｔｅ ｈｉｈ—ｒ ｑ ｎ ｙ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈａ ｈ ｍｅ ｃ ｌ ｈ ｒ ，ａ ｄ ｔ ｇ ｅ ｓ ｒ ｓ ｉｌｔｏ ｓ ａ ｄ ｓ ｕ ａ ｉ ｐ ａ ｅ ｈ ｇ ｆｅ ｕｅ ｃ
基 金 项 目： 础 科 研 （ ０ ２ １０ １ ） 基 Ｂ ３０ １０ ２
第 ２期
王
枫 等 ： 氧煤 油 补 燃 发 动 机 喷 注 器 高 频 燃 烧 不 稳 定 性 的试 验 研 究 液
２ １ ６
机热 试 车成本 高 、 险大 。 因此 ， 内外 学者 探索 和 风 国
发展 了多种 模 拟 试 验 方 法 。文献 ［ ３—４］ 究 了 全 研 尺 寸液 体 火 箭 发 动 机 燃 烧 不 稳 定 性 的模 拟 试 验 方
ａ
中 图 分 类 号 ：Ｖ ３ ４
文 献 标 识 码 ：Ａ
文章 编 号 ：１０ —３ ８ ２ １ ）２０ ６ —５ ００１２ （０ ２ ０ －２００
报 Ｉ ０３ ７ ／．ｓｎ １０ —３ ８ ２ １ ．２ ０ ７ ＤＯ ：１ ． ８ ３ ｊｉ ． ０ ０ １ ２ ． ０ ２ ０ ． １ ｓ
ｃ ｍｂｕ ｔ ｎ ＬＯＸ／ｋｅｏ ｅ ｅ ｒ ｃ ｅ ｎｇｎｅ ｗｉｈ ｈｉｈ ｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｉｈ ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｅ ｉ ｈ ｏ ｂ ｓｉｎ ｃ ａ ｂ ｒ Ｔｈｅ ｇ ｓ ｏ ｓ ｏ ｓｉ ｏ ｒ ｓ ｎ ｏ ｋ ｔｅ ｉ ｔ ｇ ｒ ｓ ｕ ｅ ａ ｄ ｈ ｇ ｅ ｅ ａｕｒ ｎ ｔｅ ｃ ｍ ｕ ｔｏ ｈ ｍ ｅ ． ａｅ ｕ ｐｒ ｅｌ ｎ ｏ ｐ ｎｅ ｓａ ｅ ｕ ｅ ｏ ｐ ｏ ｉ ｃｕａ ｏｕｍｅ ｔｉ ｏ ｒ ｔ ｓａ ｏ ｐｒ ｓｕｒ ｅ ｅ ａ ｔｃ ｌｙ ｅ ｕａ ｏ ａｍｏ ｐ ｒｃ ｏｐ ｌａ ｔｃ ｍ ｏ ｎｔ ｒ ｓ ｄ ｔ ｒ ｖｄｅａ ｔ ｌｖ ｌ ｎ ｒｃｆ ｗ ａｅ ｔｌｗ ｅ ｓ ｅｌ ｖ ｌｐｒ ｃｉａ ｌ ｑ ｌｔ ｔ ｓ ｈｅ ｉ ｌ
第 ３ ３卷 第 ２期
２１ ０ ２年 ２月
Ｖｏ ． ３ １３
Ｎｏ． ２
Ｆｅ ｒ ｒ ２ ２ ｂ ｕａ ｙ ０１
液 氧煤 油 补 燃 发 动机 喷 注器 高 频燃 烧 不 稳 定 性 的 试 验 研 究
王 枫 ，李龙 飞 ，张贵 田
（ ．西 北 工 业 大 学 航 天 学 院 ，西 安 ７０ ７ ２ １ １０ ２； ．西 安 航 天 动 力 研 究 所 ，西安 ７０ ０ ） １ １０
Ｅｘ ｒｍ ｅ ｔ ｌＳ ｕ ｎ ｉｈ Ｆｒ ｑ ｎ ｙ Ｃｏ ｂｕ ｔｏ ｎ ｔ ｂ ｌｔ ｔ ａ ｉｌ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｄｙ ｏ Ｈ ｇ ｅ ｕｅ ｃ ｍ ｓｉ ｎ Ｉ ｓａ ｉｉｙ ｗｉｈ Ｃｏ ｘａ
Ｉｊｃｏ ｆＳａ ｅ ｏ ｕ ｔ ｎＬＯＸ／ ｅｏｅ ｅＲｏ ｋ ｔ ｇｎ ｎｅ ｔｒｏ ｔｇ ｄ Ｃ ｍｂ ｓｉ ｏ ｋ ｒ ｓｎ ｃ ｅ ｉｅ Ｅｎ
ｂ ｕ ｄ ｒ ｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｍａ ｇｎ ，ａ ｄ ｈ ｖ ｐ ｉ ｌｒ ｎ ｅ ｏ ｎ ａ ｉ ｎ ｈ ｒ ｉ ｓ ｎ ａ ｅ ａ ｏ ｔ ｅ ｍａ ａ ｇ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｆｓｍｕ ａｉ ｎ ｔ ｓ ｃ ｕ ｄ ｓ ｒ ｅ ｎ ｔｅ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｎ ｈ ｅ ｕ ｔ ｏ ｉ ｌ ｔ ｅ ｔ ｏ ｌ ｅ ｖ ｄ ｉ ｈ ｎ ｉ ｅ ｄ ｓｇ ． ｓ ｏ
Ｋｅ ｒ ｓ ｉｕｄ ｒ ｋ ｔ ｎ ｉｅ Ｓａ ｅ ｏ ｕ ｔ ｎ ｃ ａｉｌ ｎｅｔｒ Ｈｉ ｅ ｕ ｎ ｙｃ ｍｂ ｓ ｏ ｓ ｂｌ ｙ Ｆｒ ｇ ｙｗｏ ｄ ：Ｌｑ ｉ ｏ ｅ ｅ ｇｎ ； ｔ ｄｃ ｍｂ ｓ ｏ ｏｘａ ｉ ｃｏ ； ｇ ｆ ｑ ｅ ｃ ｏ ｕ ｔ ｎ ｉ ｔ ｉｔ ； ｉ ｎ ｃ ｇ ｉ ｊ ｈｒ ｉ ｎ ａ ｉ ｉ
的研 究成 果 。 由于激励 高频 燃 烧不 稳定 性 的机 理极 其复 杂 ， 及 到 推进 剂 的喷 射 、 化 、 发 、 合 、 涉 雾 蒸 混 化 学动 力学 以及 燃烧 室声 学 等 ， 用 全 尺 寸火 箭 发 动 采
它强化了传热 ， 导致喷注器面和燃烧室内壁 瞬间烧
收稿 １期 ：０ １０ ．９； 修 回 １期 ：０ １１—１ ３ ２ １ －５１ ３ ２ １ －２１
摘
要 ：针对液氧煤 油高压补燃循环发动机高频燃烧不稳定性 这一突出 问题 ， 建立 了喷注单元 的低压 高频燃
宇 尺寸和工作参数对燃烧稳定性 的影 响。结果 表 明， 高频燃 烧不稳 定性 时火焰 变短 ， 室压力 出现大 的结构 激发 燃烧
矗 ． １ 几
烧不稳定性模拟试验 系统 ， 使用气气 推进剂。利用相似准 则设计 了缩 比燃烧 室 ， 研究 了全尺 寸气液 同轴式 喷注器
致 ； 荡幅值 相 等决 定 了低 压 模 拟条 件 与 高 压 真 振
幅振荡并伴 随啸叫 ； 喷注器缩 进室 长度对燃 烧稳定性裕量有很大影 响并存 在相对最佳 值 。试验结 果可 以指导发动
机燃烧 室的燃烧 稳定性设计和评估 ， 在发动机研制初期筛选燃烧稳定 性相对最好 的喷注器结构 。
关键 词 ：液 体火箭发动机 ；补燃 同轴式喷注器 ；高频燃烧 不稳定性 ；热模拟试验 学
ｐ ｅ ｓ ｒ ．Ａ ｃ ｌ ｇ ｄ ｗｎ ｃ ｍｂ ｓｉ ｎ ｃ ａ ｅ ｄ ｌ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ｎ ｕ ｌ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｉ ｌｒ ｙ ｔ ｅ ｒ ， ａ ｄ ｓｎ ｌ ｒ ｓｕ ｅ ｓ ａｉ — ｏ ｏ ｕ ｔ ｈ ｍｂ ｒ ｍｏ ｅ ｓ ｅ ｉｎ ｄ ａ ｄ ｂ ｉ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｓｍｉ ｉ ｈ ｏ ｙ ｎ ｏ ｔ ａｔ ｎ ｉｇ ｅ
式 中 ： Ｐ 分 别 为真实 和模 拟燃烧 室 的平 均 声速 、 、、 一
平均 压力 和绝 热 指 数 ， 且 受 压 力 的影 响 较 小 。 假 设真 实燃烧 室 中每 点 的压力满 足
Ｐ ＝ｐ ，（ ）ｉ （ ｔ Ｃ ｒｓ ） ｎ （） ２
１ １ 喷注 器结 构及 特点 ．
２ ｈ ｉａ ｒｓａｅＰｏｕｓ ｎＩｓｔｔ， ’ｎ７ ０ ０ ，Ｃ ｉａ ．Ｔ ｅＸ ’ｎＡｅｏｐｃ ｒｐ ｌｏ ｎｔｕｅ Ｘｉａ １ １０ ｈｎ ） ｉ ｉ
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ｓ ｇｅｉ ｅ ｔ ｒ ｇ ｍ ｄ ｌ ｉ ｅ ｔ ｌ ｈ ｄ ｆ ｈ ｈ ｈ ｆ ｑ ｅ ｃ ｏ ｂ ｓ ｏ ｎｔｂｌｙ ｏ ｔ ｅ ｓ ｃ ： ｉ ｌ— ｊｃ ｒ ｆ ｉ ｏ ｅ ｓ ｓ ｂｉ ｅ ｏ ｔｅ ｉ — ｅ ｕ ｎ ｙ ｃ ｍ ｕ ｔ ｎ ｉｓ ｉｔ ｆ ｓ ｇ ｄ ｒ ｎ ｎ ｏ ｉｎ ａ ｓ ｒ ｇ ｒ ｉ ａ ｉ ａ
表 １ 喷注器结构参数 （ 单位 ： ｍ） ｍ
Ｔ ｂｅ １ Ｐ ｒｍｅ ｒ ｏ ｊｃ ｒ ａｌ ａ ａ ｔ ｓ ｆ ｎｅ ｔ ｅ ｉ ｏ
法， 文献 ［ ５—８ 介 绍 了高 频 燃烧 不 稳 定 性低 压 热 模 ］ 拟 试验 的原 理 与方 法 ， 献 ［ ］ 绍 了 高 频 燃 烧 不 文 ９介
燃烧 室 和真实 高压燃 烧 室激 发 的高频燃 烧不 稳定性
振 型和频 率相 同 ， 管两 者 的压力 相差很 大 ， 仍 能 尽 Ｖ
一
的直 流 喷注器 ；２ （ ）煤 油作 为冷 却 剂 对 推 力 室进 行
再生 冷却 后 ， 为燃 料进 入 喷注 器离 心式液 喷 注器 ； 作 （ ）双组 元 同轴直 流离 心式 气液 喷 注器 （ 图 １ 设 ３ 如 ） 置缩 进 室 ， 富氧燃 气与煤 油 在缩进 室 预掺混 ， 在缩 并 进室 内或 出 口处 着 火 燃 烧 。文 献 ［ ］ 出 ， 于这 ８指 对
Ｓｍ ｕａｔ ｎ ｔｓ ｊ 】 ｉ ｅ ｔ ｏ
０ 引 言
毁 。 国内外对 这一 课 题 开 展 了 大量 的研 究 ， 著 ［ 专 １
—
２ 集 中反 映了 代
高 频 燃 烧 不 稳 定 性 是 制 约 火 箭 技 术 发 展 的瓶 颈 ， 是 液体 火箭 发动 机研 制 的最 大风 险所 在 ， 也 因为
液氧 煤油 补燃 循环 液体 火箭 发动 机推 力室 的 主
要工 作方 式与 特点 有 ： １ （ ）富氧 燃 气 发 生 器 产生 的 高温 富 氧燃气 驱 动 涡轮 后 ， 为氧 化 剂 进 入 喷 注器 作
则 ／ （ ） ｉ（ ｔ／ 。 ｃ＝ ｒ ｓ ） ｒ 由此 可见 ， 低 压模 拟 ｎ 若
ｂｐｏ ｅ ａ ｔ ｏ ｘａ ｉ ｅｔｒ ｐ ｃｍ ｎ ｒ ｉｓ ｌ ｄ ｏ ｅｃ ｍ ｕｔ ｎ ｃ ａ ｂ ｒｈ ａ ．Ｔ ｅｅ ｅ ｔ ｏ ｔ ｃｕａ ｐ ｒｍ ｔｒ ｉｒ ｌ ｎ ｃ ａｉ ｊｃｏ ｓ ｅ ｉ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｌ ｎ ｔ ｏ ｂ ｓ ｏ —ｈ ｍ ｅ ｅ ｄ ｈ ｆ ｃ ｆ ｒ ｔｒｌ ａａ ｅｅｓ ｐ ｌ ｌｎ ａ ａｅ ｈ ｉ ｆ ｓ ｓｕ