李軍偉,王茹瑤,陳國鋒,王丙寅,汪 琪,盧健程,王寧飛

(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100081;2.內(nèi)蒙動力機(jī)械研究所,呼和浩特 010010)

0 引言

燃燒不穩(wěn)定是長期困擾固體火箭發(fā)動機(jī)研制進(jìn)程的關(guān)鍵問題,涵蓋了流體力學(xué)、燃燒學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科,具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn),多年來備受固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計人員的廣泛關(guān)注。

燃燒不穩(wěn)定的基本特征是燃燒室壓強(qiáng)作周期或近似周期性變化[1]。根據(jù)壓強(qiáng)振蕩頻率與燃燒室空腔固有頻率的相對關(guān)系,可將燃燒不穩(wěn)定分為聲燃燒不穩(wěn)定與非聲燃燒不穩(wěn)定。聲燃燒不穩(wěn)定是推進(jìn)劑燃燒過程與發(fā)動機(jī)中聲學(xué)模態(tài)相互作用的結(jié)果,其特點(diǎn)是壓力振蕩頻率與燃燒室空腔的固有聲振頻率基本一致。非聲燃燒不穩(wěn)定則與聲振無關(guān),可以是燃燒過程本身的周期性變化,也可以是燃燒過程與排氣過程相互作用的結(jié)果,其特征是燃燒室空腔的瞬時壓強(qiáng)處處均勻一致,且振蕩頻率遠(yuǎn)小于燃燒室固有頻率。作為固體火箭發(fā)動機(jī)中最常見的類型,聲燃燒不穩(wěn)定中的燃燒室空腔存在三種形式的聲模態(tài),即軸向振型、切向振型和徑向振型。其中,軸向振型屬于中低頻不穩(wěn)定,范圍為100 Hz～1 kHz,因此也被稱為“管風(fēng)琴模式”[2],是近二十年工程研制中出現(xiàn)最多的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。其他兩種振型下的燃燒不穩(wěn)定則屬于高頻不穩(wěn)定,振頻范圍可達(dá)1～30 kHz,其中切向燃燒不穩(wěn)定通常出現(xiàn)于使用少鋁無煙推進(jìn)劑的固體發(fā)動機(jī)。燃燒不穩(wěn)定若不加以抑制,會造成嚴(yán)重后果。固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室中出現(xiàn)壓強(qiáng)振蕩時,噴管會起到放大作用[3-4],并引起發(fā)動機(jī)推力的大幅度振蕩。推力振蕩會進(jìn)一步導(dǎo)致彈體劇烈振動,振動幅值可達(dá)180g[5],致使某些儀器或部件無法正常工作。不僅如此,過高的壓強(qiáng)峰值還會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆炸,釀成災(zāi)難性后果。因此,在滿足火箭、導(dǎo)彈彈道要求的同時,設(shè)計固體火箭發(fā)動機(jī)還需要確保工作穩(wěn)定,避免壓強(qiáng)和推力偏離正常的設(shè)計曲線。

為了深入探討與量化燃燒不穩(wěn)定,研究人員將影響發(fā)動機(jī)增益-阻尼平衡的綜合設(shè)計性能統(tǒng)稱為固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性。燃燒穩(wěn)定性主要受發(fā)動機(jī)幾何形狀、裝藥結(jié)構(gòu)、推進(jìn)劑燃燒特性,以及各類阻尼引起的固有損耗等因素影響[6-7]?；谏鲜鲈鲆?阻尼因素,為了在發(fā)動機(jī)的設(shè)計階段盡可能提升燃燒穩(wěn)定性,研究人員結(jié)合工程實(shí)際提出了以下幾類抑制聲燃燒不穩(wěn)定的措施:

(1)增大聲能損失。如調(diào)整噴管入口形狀,增加諧振腔、阻尼環(huán)或諧振棒,以及在固體推進(jìn)劑中增加燃燒穩(wěn)定劑等。

(2)減小聲能增益。如調(diào)整推進(jìn)劑配方(氧化劑顆粒粒度與級配),調(diào)整發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)以消除漩渦脫落等。

(3)調(diào)整發(fā)動機(jī)燃燒室聲腔模態(tài)的固有頻率,如改變推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)、燃燒室和噴管結(jié)構(gòu),使聲腔模態(tài)的固有頻率處于聲能增益小于聲能損失的范圍內(nèi)。

受限于總體部門對發(fā)動機(jī)體積或重量的限制,以及對燃燒不穩(wěn)定的本質(zhì)研究尚不透徹,固體發(fā)動機(jī)設(shè)計人員能夠采用的抑振手段仍然非常有限,且無法總結(jié)出指導(dǎo)穩(wěn)定性設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則。此外,適用于某一發(fā)動機(jī)的抑振措施通常難以通用。基于上述問題,本文針對固體火箭發(fā)動機(jī)出現(xiàn)的聲燃燒不穩(wěn)定,系統(tǒng)性地總結(jié)了燃燒不穩(wěn)定抑制方法及國內(nèi)外工程應(yīng)用實(shí)例,為研究人員提供相關(guān)設(shè)計依據(jù)與參考,從而能夠針對不同類型的壓力振蕩設(shè)計有效的抑制手段。

1 調(diào)整固體推進(jìn)劑配方

作為固體發(fā)動機(jī)的能量來源,固體推進(jìn)劑極大影響著燃燒穩(wěn)定性的發(fā)展過程[8-10]。因此,從燃燒不穩(wěn)定的誘發(fā)內(nèi)因考慮,可以通過改良推進(jìn)劑配方抑制壓強(qiáng)振蕩。

調(diào)整固體推進(jìn)劑配方以抑制燃燒不穩(wěn)定可以從以下幾方面出發(fā):(1)增大燃?xì)馕⒘Ｗ枘?(2)減小推進(jìn)劑燃燒響應(yīng)增益;(3)調(diào)整推進(jìn)劑燃速。從實(shí)際應(yīng)用舉例,可以改變Al與AP的粒度和配比[11]、在推進(jìn)劑中加入燃燒穩(wěn)定劑(占總案例的50%)、降低推進(jìn)劑溫度敏感性[12]、提高基準(zhǔn)燃速等[13]。然而,反復(fù)調(diào)整配方、優(yōu)化發(fā)動機(jī)設(shè)計的過程存在較大的試探性與盲目性,不同固體發(fā)動機(jī)所表現(xiàn)出的燃燒不穩(wěn)定特性并沒有必然的聯(lián)系,相應(yīng)的配方調(diào)整措施也難以通用。為了深入理解上述抑制手段的本質(zhì),國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作,以加強(qiáng)對燃燒穩(wěn)定性機(jī)理及影響機(jī)制的認(rèn)識。

1.1 增大微粒阻尼

20世紀(jì)50年代中后期,人們意外發(fā)現(xiàn)添加1%～2%的Al粉能夠很好地消除高頻燃燒不穩(wěn)定[14]。根據(jù)弛豫效應(yīng),高溫燃?xì)庵卸栊晕⒘５倪\(yùn)動將引起聲能的耗散,起到阻尼作用。因此,對于含有金屬顆?；蛉紵€(wěn)定劑的推進(jìn)劑,可以通過調(diào)整微粒阻尼達(dá)到抑制振蕩的效果[15]。如圖1所示,文獻(xiàn)[16]對RDX/AP復(fù)合推進(jìn)劑(RDX(43%,120 μm),AP(43%,20 μm),HTPB(14%))的燃燒穩(wěn)定性開展了研究。實(shí)驗(yàn)通過添加0.5%～2%(5 μm)Al或Zr顆粒,在未顯著改變推進(jìn)劑燃速的前提下,成功消除了高頻壓力振蕩。

(a)Original formula (b)Adjusted formula

Al及其氧化物是最常見的燃燒不穩(wěn)定抑制劑,能夠有效抑制高頻振蕩。而對于低特征信號要求的固體推進(jìn)劑,可以添加非Al金屬氧化物和碳化物作為燃燒穩(wěn)定劑,如ZrC、ZrO2、MgO、SiC等[17]。此外,有機(jī)物及金屬有機(jī)化合物如PBI纖維(聚苯并咪唑纖維)、酞氰銅、有機(jī)硅橡膠(作為包覆層,燃燒產(chǎn)物為SiO2顆粒)等,也可以對燃燒不穩(wěn)定起到抑制作用。胡翔等[18]分析了Al粉粒度和含量對聲燃燒不穩(wěn)定的抑制作用,研究表明,燃燒產(chǎn)物中凝相燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是決定微粒阻尼大小的因素之一,與Al粉含量呈正相關(guān)。BLOMSHIELD等[19]為了解決某固體發(fā)動機(jī)受脈沖觸發(fā)后產(chǎn)生的非線性燃燒不穩(wěn)定問題,將1%高氯酸銨替換為ZrC,成功地抑制了振蕩。即使將脈沖強(qiáng)度增大為原來的2倍,燃燒不穩(wěn)定也未再次發(fā)生。

微粒阻尼的大小取決于顆粒尺寸、濃度以及流場振蕩頻率。KARNESKY[20]總結(jié)了35組發(fā)動機(jī)試車案例,結(jié)果表明,增大Al顆粒粒徑、減小氧化劑尺寸,可以成功降低壓強(qiáng)振蕩幅值與平均壓強(qiáng)抬升,消除燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。進(jìn)一步的研究表明[19-21],大粒徑微粒能有效抑制低頻振蕩,小粒徑微粒則對高頻振蕩有較強(qiáng)的抑制作用,如圖2所示。這可以通過微粒松弛理論[22]解釋,即當(dāng)惰性微粒的動力馳豫時間與聲振蕩的特征時間相等,斯托克斯數(shù)等于 1 時,惰性微粒的阻尼效應(yīng)最大。

圖2 不同粒徑及不同頻率下的微粒阻尼系數(shù)[16]

圖3展示了某戰(zhàn)術(shù)火箭發(fā)動機(jī)在不同顆粒粒徑下的最佳抑振頻率[23]?？梢钥闯?隨著粒徑的增大,最佳阻尼頻率逐漸減小。要想讓顆粒的抑振效果與頻率范圍最大化,需要調(diào)整推進(jìn)劑配方以找到特定頻率下顆粒的最佳粒徑及濃度。此外,由圖3還可以看出,對于某些頻率下的壓強(qiáng)振蕩,含鋁推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物的粒徑分布很難覆蓋最大阻尼所在的區(qū)間。因此,調(diào)整固體推進(jìn)劑配方的關(guān)鍵是控制推進(jìn)劑的燃燒過程,使其燃燒生成的凝聚相顆粒粒徑與對應(yīng)振蕩頻率相匹配,但微粒阻尼的效果是有限的。

圖3 不同粒徑下的最佳抑振頻率[23]

需要注意的是,氧化劑成分、粒度會影響凝聚相粒徑,從而產(chǎn)生不同的抑制效果。由于硝胺炸藥無法為Al粉和粘合劑燃燒提供足夠的活性氧,在推進(jìn)劑中引入RDX、HMX會增大團(tuán)聚粒徑,且隨著壓力升高,團(tuán)聚效果會進(jìn)一步增強(qiáng)[24-25]。而LIU[26]、GLOTOV[27]和DELUCA[28]等的研究則證實(shí)了RDX比HMX能引起更嚴(yán)重的團(tuán)聚,且粗粒徑的硝銨會引發(fā)更大尺寸的鋁團(tuán)聚物。敖文等[29]的研究則表明,RDX含量增加會降低推進(jìn)劑中Al的燃燒效率,增加Al顆粒在燃燒表面的滯留時間,從而產(chǎn)生更大的團(tuán)聚體。因此,調(diào)整微粒阻尼時需要同時考慮氧化劑類型,避免實(shí)際粒徑與預(yù)估粒徑相差較大,影響抑制效果。

1.2 降低燃燒增益

隨著無煙推進(jìn)劑、高能推進(jìn)劑的使用,金屬燃料無法再對更加復(fù)雜的燃燒不穩(wěn)定問題起到有效抑制作用。燃燒不穩(wěn)定的抑制問題愈加復(fù)雜化,燃燒速率、氧化劑類型、高能粘結(jié)劑,以及組分級配的調(diào)整都會導(dǎo)致不同的抑制效果。

壓力耦合響應(yīng)是衡量固體推進(jìn)劑配方穩(wěn)定性的常用參數(shù)。對于同一用途的固體推進(jìn)劑,在特定頻率下,保持其他因素不變,壓力耦合響應(yīng)較低的推進(jìn)劑配方更難出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定問題。圖4[12]顯示了針對某復(fù)合推進(jìn)劑調(diào)整3%配方后的壓力耦合響應(yīng)函數(shù)對比結(jié)果?？梢钥闯?僅改變3%添加物,壓力耦合響應(yīng)響應(yīng)的差距可以達(dá)到2倍之多,且響應(yīng)峰值所在頻率也發(fā)生明顯改變。

圖4 不同配方下的壓力耦合響應(yīng)函數(shù)[12]

金秉寧等[30]曾對19種不同配方固體推進(jìn)劑開展了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在相同的燃速和工作壓強(qiáng)條件下,采用細(xì)粒度 AP(≤110 μm)替代粗粒度 AP(I 類)時,可有效地降低響應(yīng)函數(shù)峰值并向高頻移動;對于多級配AP/HTPB復(fù)合推進(jìn)劑,小粒度 AP 提升高頻的響應(yīng),大粒度 AP 提升低頻的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)研究也表明[12],極端細(xì)AP(5 μm以下)及粗粒度(200 μm以上)都不利于燃燒穩(wěn)定。陳子豪等[31]通過T型燃燒器試驗(yàn)篩選,更換低壓力耦合響應(yīng)函數(shù)的續(xù)航級推進(jìn)劑配方開展了試驗(yàn)驗(yàn)證,成功解決大長徑比單室雙推力發(fā)動機(jī)中的燃燒不穩(wěn)定。

與作為均質(zhì)推進(jìn)劑的雙基推進(jìn)劑不同,復(fù)合推進(jìn)劑是由氧化劑顆粒(如AP等)分散于聚合物粘合劑連續(xù)相中構(gòu)成的一種異質(zhì)固體推進(jìn)劑,通常還會添加金屬粉末(如Al粉)、高能炸藥(如 HMX/RDX)來進(jìn)一步提高能量。由于結(jié)構(gòu)的差異,復(fù)合推進(jìn)劑由擴(kuò)散火焰控制燃燒過程,且更加高能化。傳統(tǒng)的改性雙基推進(jìn)劑中加入Al粉等金屬顆粒后,不但能夠提高推進(jìn)劑能量,而且能夠有效地抑制不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。但對于復(fù)合推進(jìn)劑,較高含量的Al粉不但沒有起到抑振作用,反而可能使得不穩(wěn)定燃燒更加劇烈。研究表明,調(diào)整氧化劑類型也會產(chǎn)生不同的效果。KUBOTA等[32]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在同一燃燒速率下,RDX/AP復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒不穩(wěn)定區(qū)域比純AP復(fù)合推進(jìn)劑更大。LIU[33]、HAN[34]和ZHANG[35]的研究結(jié)果表明,減小RDX/HMX粒度會顯著提高燃速系數(shù),增加推進(jìn)劑的燃速敏感性。

綜上所述,在提升固體推進(jìn)劑能量特性的同時,還需要權(quán)衡氧化劑種類與級配,盡量降低燃燒過程導(dǎo)致的聲能增益,提升固體推進(jìn)劑的燃燒穩(wěn)定性。

分布燃燒是另一種主要的燃燒增益。推進(jìn)劑中的鋁顆粒未能在燃面完全燃燒后,會團(tuán)聚形成大尺寸顆粒,并隨著高速氣流分布于燃燒室內(nèi)進(jìn)一步燃燒。針對分布燃燒,SABNIS[36]建立了含金屬推進(jìn)劑的固體火箭發(fā)動機(jī)兩相流分布燃燒模型,真實(shí)地模擬了燃燒室中Al的分布燃燒過程;GENOT[37]分析了Al在聲振蕩誘導(dǎo)下的燃燒動力學(xué),對Al顆粒如何驅(qū)動固體火箭發(fā)動機(jī)自持壓力振蕩進(jìn)行了細(xì)致分析。從抑制角度而言,AI顆粒的燃燒位置越靠近噴管入口,越易激發(fā)較強(qiáng)的熱聲振蕩。因此,在設(shè)計推進(jìn)劑配方時要盡可能減小鋁在燃面的團(tuán)聚,使其盡量在燃面附近燃盡,以減小對熱聲振蕩的激勵。

固體推進(jìn)劑燃速也是影響燃燒穩(wěn)定性的重要參數(shù)。GREATRIX[38]計算了固體推進(jìn)劑在不同基準(zhǔn)燃速下的無量綱頻率響應(yīng),如圖5所示。結(jié)果表明,燃速越低,響應(yīng)峰值越高,越不利于燃燒穩(wěn)定性。

圖5 不同燃速下的頻率響應(yīng)函數(shù)[38]

文獻(xiàn)[39]發(fā)現(xiàn),同時采用兩種不同燃速的推進(jìn)劑裝藥可以明顯地緩解壓力振蕩,這一方法在大燃速比發(fā)動機(jī)以及1.12中等燃速比的LP9發(fā)動機(jī)中得到驗(yàn)證,如圖6所示。當(dāng)上游段推進(jìn)劑燃速更高時(LP9-43),壓強(qiáng)振蕩得到明顯抑制;反之,壓力振蕩則略有放大,此時下游裝藥已燃盡。綜上所述,在滿足發(fā)動機(jī)性能要求的前提下,可以選擇基準(zhǔn)燃速略高的推進(jìn)劑,或?qū)ρb藥分段,從而進(jìn)一步提升燃燒穩(wěn)定性。

(a)Solid propellant case

2 調(diào)整發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

在固體火箭發(fā)動機(jī)工作過程中,固體推進(jìn)劑藥柱持續(xù)燃燒,發(fā)動機(jī)內(nèi)部空腔形狀也不斷隨時間變化。固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)部空腔可視作封閉聲腔,因此,伴隨著發(fā)動機(jī)的運(yùn)行,結(jié)構(gòu)變化會對聲腔的振型和固有頻率造成很大影響。

基于這一原理,當(dāng)固體推進(jìn)劑給定時,可以通過選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計參量和幾何參量,合理設(shè)計藥柱構(gòu)型,以在盡量不降低發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)的前提下增大聲腔阻尼,達(dá)到抑制燃燒不穩(wěn)定的效果。

2.1 改變噴管形狀

噴管阻尼是燃燒不穩(wěn)定中最主要的阻尼特性,可達(dá)系統(tǒng)總阻尼的 50%左右[40-43]。合理設(shè)計噴管收斂段形狀能明顯改善燃燒不穩(wěn)定問題。文獻(xiàn)[44]通過調(diào)整噴管收斂段內(nèi)型面有效提升了翼柱型藥柱發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。采取的主要措施有:加大喉部上游圓弧段半徑(5 mm增至22 mm);減小噴管收斂角(75°減至56°);將噴管后封頭形狀由橢球結(jié)構(gòu)改為錐形結(jié)構(gòu)。上述措施可以調(diào)節(jié)聲腔特性,減小聲能的反射強(qiáng)度,增大收斂段的阻尼作用,因此在實(shí)踐中取得了良好效果。

(a)Original scheme (b)Improvement scheme

文獻(xiàn)[45]對比了兩種收斂段形狀下的斜噴管。噴管1中,收斂段上段為凹球形,下段為錐形,4發(fā)試驗(yàn)均出現(xiàn)中頻燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。噴管2基于噴管1進(jìn)行了改進(jìn),收斂段長度由32.8 mm增至37.7 mm,收斂段下段改為由R=30 mm和R=20 mm二段圓弧組成的凸圓弧形,其他條件不變。改進(jìn)后的噴管收斂段形狀對振蕩具有較強(qiáng)的散射效果,能有效衰減聲振能量,在后續(xù)4發(fā)試驗(yàn)中均消除了燃燒中頻不穩(wěn)定。

提升固體發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性除了調(diào)整噴管收斂段結(jié)構(gòu),還應(yīng)謹(jǐn)慎使用潛入式噴管[46-47]。法國航空航天局ANTHOINE等的研究表明[39,48-19],潛入式噴管空腔會加劇壓強(qiáng)振蕩,如圖9所示。作者在VKI冷流發(fā)動機(jī)中對四種不同的噴管結(jié)構(gòu)開展了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,當(dāng)潛入式噴管空腔體積減小時,壓強(qiáng)波動明顯降低(噴管1測得的壓力峰值為噴管4(無潛入式空腔)的10倍)。這是因?yàn)闈撊胧娇涨粌?nèi)的空氣被壓縮后會在空腔入口產(chǎn)生聲速度,當(dāng)渦流通過空腔入口時與空氣相互作用,繼而產(chǎn)生噪聲。HIJLKEMA等[50]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,噴管結(jié)構(gòu)會顯著影響壓強(qiáng)振蕩的發(fā)展過程。如圖10所示,采用非潛入式噴管的LP9-22發(fā)動機(jī)壓強(qiáng)振幅最低;而在發(fā)動機(jī)后端增加凹腔或采用潛入式噴管都會加劇振蕩;而LP9-24發(fā)動機(jī)同時采用潛入式噴管與分段式藥柱,因此壓強(qiáng)振蕩最為劇烈。

(a)Original scheme (b)Improvement scheme

(a)Test set (b)Test results

圖10 LP9發(fā)動機(jī)壓強(qiáng)振蕩曲線對比[50]

綜上所述,潛入式噴管具有較低的噴管阻尼,且空腔會加劇渦聲耦合強(qiáng)度,因此不利于發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。從這一原理出發(fā),俄羅斯研究人員針對C-300B防空導(dǎo)彈一級固體火箭發(fā)動機(jī),從潛入式噴管結(jié)構(gòu)和背壁區(qū)復(fù)雜流場入手改進(jìn)了噴管設(shè)計,提出了多種不同的抑制方法[51],如圖11所示:

(a)Installing small nozzle in aft dome

(1)在發(fā)動機(jī)后封頭安裝小噴管。該方法能夠有效降低壓強(qiáng)振蕩強(qiáng)度,但因其比沖損失嚴(yán)重,且增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,故未能在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。

(2)在潛入式噴管收斂段外緣安裝擾流片,擾流片的缺口結(jié)構(gòu)可以將橫向大渦流分解并轉(zhuǎn)化為若干較小的縱向泰勒-格特勒渦流,從而起抑制作用。

(3)在噴管潛入部分開孔。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,開孔法的流量損失不超過3%～5%,且推力脈沖波動水平可降低7%～14%。該方法的調(diào)節(jié)效果受開孔截面積影響,小開孔的調(diào)節(jié)效果不佳。

(4)加裝分流收斂噴口。分流收斂噴口可將燃燒室聲腔分為兩部分,同時避免潛入噴管入口處出現(xiàn)氣流擾動。經(jīng)試車驗(yàn)證,發(fā)動機(jī)壓強(qiáng)振蕩振幅減小約30%、推力波動降低約75%,在同類方案中抑制效果最好。該方法缺陷在于分流收斂噴口的結(jié)構(gòu)、工藝復(fù)雜,在跨音速區(qū)域內(nèi)需承受高溫?zé)崃鞯臎_刷,且增加發(fā)動機(jī)消極重量。

2.2 改變藥柱形狀

固體推進(jìn)劑藥柱在發(fā)動機(jī)工作過程中持續(xù)燃燒會改變?nèi)紵衣暻唤Y(jié)構(gòu),引起聲能增益和衰減系數(shù)的不斷變化[52]。因此,調(diào)整藥柱形狀可從以下角度出發(fā):改變藥柱輪廓,避免引發(fā)漩渦脫落;調(diào)整發(fā)動機(jī)聲模態(tài)頻率[53],使發(fā)動機(jī)固有頻率與推進(jìn)劑配方容易響應(yīng)的區(qū)域偏離。

對藥柱適當(dāng)開孔可以有效抑制壓強(qiáng)振蕩。為觀察徑向孔及其排列方式對燃燒不穩(wěn)定的影響,趙伯華等[45]設(shè)計了不同藥柱結(jié)構(gòu)下的對比實(shí)驗(yàn)。如圖12所示,采用初始管型藥柱的發(fā)動機(jī)全程出現(xiàn)了中頻燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,當(dāng)采用不同徑向開孔方案后,壓強(qiáng)振蕩得到不同程度的抑制。可見,在管型裝藥上徑向鉆孔能夠有效抑制中頻不穩(wěn)定燃燒,且徑向孔位置靠近發(fā)動機(jī)噴管端的抑制效果更好。

(a)Trepanning scheme 1

藥柱的臺階結(jié)構(gòu)容易引發(fā)漩渦脫落。民兵-III導(dǎo)彈第三級發(fā)動機(jī)的研制過程中曾出現(xiàn)嚴(yán)重的燃燒不穩(wěn)定,如圖13(a)所示[54]?？梢钥闯?壓強(qiáng)振蕩隨著時間的推移反復(fù)在低頻和高頻間轉(zhuǎn)換。這種“頻率鎖定”現(xiàn)象被認(rèn)為由漩渦脫落和發(fā)動機(jī)幾何構(gòu)型變化引起,靠近發(fā)動機(jī)中部的臺階引發(fā)了漩渦脫落,如圖13(b)所示。最終,研究人員通過調(diào)整臺階型藥柱輪廓、減少漩渦脫落引起的驅(qū)動機(jī)制,成功抑制了燃燒不穩(wěn)定。SHANBHOGUE等[55]對翼柱藥柱的固體發(fā)動機(jī)開展了冷流實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn),翼柱藥柱后部臺階與噴管入口間的圓柱形空腔結(jié)構(gòu)可引發(fā)壓強(qiáng)振蕩。通過減小臺階傾斜角(由90°減至60°),壓強(qiáng)最大振幅得到顯著降低(430 Pa減至290 Pa)。王大鵬等[56]對典型翼柱藥柱和環(huán)向開槽藥柱發(fā)動機(jī)燃燒室進(jìn)行了聲模態(tài)和聲學(xué)響應(yīng)分析,結(jié)果表明,在聲基頻下環(huán)向開槽型發(fā)動機(jī)的聲學(xué)穩(wěn)定性較翼柱型發(fā)動機(jī)更高,因此可以通過更改特征結(jié)構(gòu)抑制燃燒不穩(wěn)定。

(a)Pressure oscillation data (b)Geometrical configuration of the motor

3 增加機(jī)械抑制裝置

當(dāng)優(yōu)化固體發(fā)動機(jī)固有設(shè)計仍然無法有效消除燃燒不穩(wěn)定時,則需要安裝外部機(jī)械裝置,通過增大阻尼、損耗聲振能量的方式實(shí)現(xiàn)抑制效果[57-58]。常用的抑制裝置有諧振棒、擋板、諧振腔,以及在發(fā)動機(jī)頭部放置如壓縮玻璃纖維材料等吸收聲振能量的物質(zhì)。需要注意的是,機(jī)械抑制裝置作為額外組件,會增大消極質(zhì)量,降低發(fā)動機(jī)比沖。

3.1 諧振棒

諧振棒是早期設(shè)計中常用的抑振裝置,其通過干涉內(nèi)孔裝藥燃燒區(qū)與中心流場之間的相互作用,抑制藥柱的切向和徑向燃燒不穩(wěn)定。諧振棒一般在藥柱中心孔內(nèi)懸臂/兩端支撐安裝,長度通常短于藥柱?？蛇x的橫截面有圓形、方形、矩形、十字形、Y字形和Z字形等。美國早期的固體發(fā)動機(jī)常采用諧振棒作為抑制裝置[59]。裝備至今的“巨鼠”空-空火箭彈是使用諧振棒的典型案例,其MK4發(fā)動機(jī)外徑70 mm,采用負(fù)壓力指數(shù)的雙基推進(jìn)劑,星孔藥柱構(gòu)型,發(fā)動機(jī)工作時間1.5 s。為了抑制燃燒不穩(wěn)定,設(shè)計人員采用直徑為4 mm的鋼質(zhì)諧振棒貫穿整個藥柱內(nèi)孔,實(shí)現(xiàn)了抑振作用,如圖14所示。

圖14 MK4發(fā)動機(jī)中的諧振棒[59]

諧振棒在抑制切向/徑向燃燒不穩(wěn)定方面已經(jīng)有了成功且廣泛的應(yīng)用,但其很大程度上是基于經(jīng)驗(yàn)知識,而不是基于對抑制機(jī)制的基本理解而使用的。諧振棒的主要缺點(diǎn)如下:(1)當(dāng)推進(jìn)劑燃面向內(nèi)退移時,諧振棒的抑振作用明顯下降;(2)諧振棒的有效性取決于尺寸和形狀、聲振型和頻率、推進(jìn)劑組份等;(3)諧振棒會增大發(fā)動機(jī)的消極重量,影響點(diǎn)火器設(shè)計;(4)金屬棒或塑料套的燒蝕會形成煙霧,增大羽流特征信號。

3.2 擋板

擋板最早應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機(jī),后來在固體火箭發(fā)動機(jī)中也表現(xiàn)出良好的抑振效果[60]。擋板通常由情性材料制成,嵌于推進(jìn)劑中起到干擾流場的效果。按安裝方式可分為縱向與橫向,其中縱向擋板能擾亂推進(jìn)劑的表面流場,有效抑制切向振型;橫向擋板能增大氣流的動能損失,產(chǎn)生較強(qiáng)的非線性阻尼,繼而有效抑制縱向振型。

縱向擋板的典型應(yīng)用案例是VANGUARD第三級發(fā)動機(jī),其采用翼槽型含鋁推進(jìn)劑藥柱,在工作中出現(xiàn)了橫向燃燒不穩(wěn)定[59]。設(shè)計人員沿發(fā)動機(jī)軸向布置了矩形擋板,固定在發(fā)動機(jī)頭部,橫向尺寸與藥柱初始內(nèi)孔直徑一致,最終有效抑制了壓強(qiáng)振蕩,如圖15所示。

圖15 VANGUARD第三級發(fā)動機(jī)擋板方案[59]

橫向擋板也叫阻尼環(huán),通常為圓環(huán)形,抑振效果取決于擋板開孔面積與藥柱內(nèi)孔截面積之比,一般在0.25～0.30之間最佳。隨著推進(jìn)劑的燃燒,藥柱內(nèi)孔截面積逐漸增大,阻尼環(huán)的抑振效果將進(jìn)一步增強(qiáng)。文獻(xiàn)[45]分別采用擋藥板和惰性阻尼片開展了實(shí)驗(yàn)研究,當(dāng)兩種阻尼環(huán)內(nèi)徑略小于藥柱內(nèi)徑時,均能夠有效抑制中頻軸向振蕩燃燒現(xiàn)象。

(a)Trap

阻尼環(huán)內(nèi)孔直徑是能否成功抑制燃燒不穩(wěn)定的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[61]通過實(shí)驗(yàn)對比了四種內(nèi)孔直徑下的抑制效果,如圖17所示。針對在1.3 s出現(xiàn)壓強(qiáng)振蕩的發(fā)動機(jī),內(nèi)孔直徑為20 mm和30 mm的阻尼環(huán)都能有效抑制燃燒不穩(wěn)定,但內(nèi)孔直徑為45 mm的阻尼環(huán)卻無法抑制壓強(qiáng)振蕩。趙瑜等[62]為抑制發(fā)動機(jī)脈沖觸發(fā)不穩(wěn)定問題也開展了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:阻尼環(huán)孔徑為95 mm 和105 mm時未觸發(fā)壓強(qiáng)振蕩;當(dāng)孔徑擴(kuò)大為115 mm時,阻尼環(huán)失去抑振效果。因此,在設(shè)計阻尼環(huán)時,孔徑不應(yīng)設(shè)計過大。

圖17 阻尼環(huán)內(nèi)孔直徑對壓強(qiáng)振蕩的影響[61]

為避免阻尼環(huán)內(nèi)徑太小、重量太大,可以選用錐形阻尼環(huán)。文獻(xiàn)[63]在推進(jìn)劑裝藥的末端安裝了錐形阻尼環(huán)(圖18),該阻尼環(huán)內(nèi)孔直徑為裝藥外徑的0.7～0.9倍,可有效抑制發(fā)動機(jī)工作末期出現(xiàn)的軸向燃燒不穩(wěn)定,但該方案會減小發(fā)動機(jī)的裝填密度。

圖18 錐形阻尼環(huán)示意圖[63]

阻尼環(huán)形狀也是影響抑振效果的關(guān)鍵因素。Anthoine[48]設(shè)計了無孔型和有孔型的被動控制膜,以阻止漩渦撞入潛入式噴管空腔,如圖19所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,無孔型可完全消除壓強(qiáng)振蕩,但無法滿足發(fā)動機(jī)的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。有孔型在實(shí)現(xiàn)抑振效果的同時還能滿足發(fā)動機(jī)推力指標(biāo),是一種理想的折中方案。HIJLKEMA等[50]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,增加阻尼環(huán)后壓強(qiáng)振幅顯著下降,其中鋸齒狀阻尼環(huán)的抑振效果最好,如圖20所示。

(a)Assembly drawing (b)Non-hole (c)With hole

圖20 不同阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)的抑制效果[50]

影響阻尼環(huán)抑振效果的另一因素是安裝位置。一般可安裝于距離發(fā)動機(jī)頭部0.6L處,因?yàn)榇颂幍穆晧禾荻容^大,能更好地阻尼聲能。為解決Rocketdyne公司的小型雙推力火箭發(fā)動機(jī)出現(xiàn)的縱向燃燒不穩(wěn)定[59],設(shè)計人員采用三個中心穿孔圓盤擋板,垂直于軸線放置在發(fā)動機(jī)的不同位置,有效消除了發(fā)動機(jī)出現(xiàn)的燃燒不穩(wěn)定,如圖21所示。

圖21 橫向擋板在Rocketdyne雙推力發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用[59]

3.3 赫姆霍茲諧振器

赫姆霍茲諧振器是封閉體中最有效和最常見的聲振蕩吸收器。其理論最早于 1860 年提出,被廣泛用做聲濾波器和噪聲抑制器。20 世紀(jì) 50～70年代,美國詳細(xì)研究了赫姆霍茲諧振器的工作特性,先后成功應(yīng)用于航空噴氣發(fā)動機(jī)和液體火箭發(fā)動機(jī)[64]。

A-A44A-1發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型以及Rocketdyne公司的雙推力發(fā)動機(jī)[59]都是應(yīng)用赫姆霍茲諧振器抑制壓強(qiáng)振蕩的案例。A-A44A-1發(fā)動機(jī)采用了諧振腔的原理,通過在尾部布置數(shù)百個小盲孔,使其軸線與發(fā)動機(jī)中心線平行,放置在發(fā)動機(jī)后封頭位置,成功地將振幅降低至原來水平的85%左右。Rocketdyne雙推力發(fā)動機(jī)也通過使用赫姆霍茲諧振器將發(fā)動機(jī)壓強(qiáng)振蕩的振幅降低到之前水平的10%,裝置如圖22所示。

圖22 赫姆霍茲諧振器在Rocketdyne雙推力發(fā)動機(jī)的應(yīng)用[59]

正確選擇赫姆霍茲諧振器的最佳參數(shù)非常重要[65],選擇不當(dāng)可能會造成適得其反的效果[66]。文獻(xiàn)[67]將赫姆霍茲諧振器裝配在2.75 inch固體發(fā)動機(jī)的頭部,如圖23所示。結(jié)果表明,赫姆霍茲諧振器成功抑制了發(fā)動機(jī)的一階縱向燃燒不穩(wěn)定,但也激發(fā)出了三階縱向燃燒不穩(wěn)定。當(dāng)將諧振器的數(shù)量增至2個后,一階和三階振蕩被成功抑制,但發(fā)動機(jī)中仍然存在高階燃燒不穩(wěn)定。這是由于發(fā)動機(jī)中高階燃燒不穩(wěn)定是由壓強(qiáng)行波擾動引起,可見赫姆霍茲諧振器對行波的抑制效果不顯著。

圖23 2.75英寸固體發(fā)動機(jī)中的赫姆霍茲諧振器[63]

4 復(fù)雜飛行狀態(tài)下的燃燒穩(wěn)定性

越來越多的案例表明,燃燒不穩(wěn)定存在天地不一致的問題。地面穩(wěn)定工作的發(fā)動機(jī),在飛行試驗(yàn)中又會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定。由于飛行試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長,無法對每一項(xiàng)抑制措施都依靠飛行試驗(yàn)來驗(yàn)證有效性,因此對復(fù)雜飛行狀態(tài)下影響固體發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性的因素開展深入分析,有助于為后續(xù)抑制手段提供參考。

飛行載荷會改變固體推進(jìn)劑燃燒特性及燃燒室聲場,降低原設(shè)計狀態(tài)下發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性裕度,誘發(fā)燃燒不穩(wěn)定。研究表明,過載引起的顆粒濃度分布變化是發(fā)生燃燒不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[68];當(dāng)發(fā)動機(jī)承受機(jī)動過載時,燃燒室內(nèi)凝聚相顆粒在慣性作用下偏移聚集[69-70],不僅改變微粒的空間分布,還影響微粒阻尼效果。游艷峰等[71]對大過載下固體發(fā)動機(jī)內(nèi)的微粒阻尼開展了數(shù)值模擬,結(jié)果表明在橫向過載作用下,微粒粒徑越大,阻尼效果越差,在極短時間(5 ms)內(nèi)減小顆粒阻尼約30%,這對發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性十分不利。張翔宇等[72]的火箭橇過載模擬試驗(yàn)則進(jìn)一步表明,導(dǎo)彈飛行過載是引起該發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定的主要原因,如圖24所示。

圖24 T1發(fā)動機(jī)飛行試驗(yàn)內(nèi)彈道曲線[72]

相較于內(nèi)因引起燃燒不穩(wěn)定的傳統(tǒng)認(rèn)識,目前越來越多的發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定呈現(xiàn)內(nèi)、外因素共同作用的特點(diǎn)。多元復(fù)合飛行載荷環(huán)境下,固體推進(jìn)劑的燃速特性很容易出現(xiàn)異常增大、甚至突變現(xiàn)象,從而顯著影響內(nèi)彈道性能及推力性能等關(guān)鍵指標(biāo)[73]。郜冶[74]針對大長徑比戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在飛行過程的耦合共振現(xiàn)象的機(jī)理開展了詳細(xì)討論,表明突然的過載和施加發(fā)動機(jī)強(qiáng)脈沖一樣,是足夠強(qiáng)的干擾和非線性激勵,因此可以通過在火箭橇或者地面強(qiáng)脈沖沖擊下開展穩(wěn)定性測試,避免在飛行條件下通過觸發(fā)引發(fā)激烈的壓強(qiáng)振蕩。

5 結(jié)束語

針對固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定問題,盡管國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計并驗(yàn)證了多種抑制手段,但由于對燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生機(jī)理和科學(xué)問題認(rèn)識不足,設(shè)計的過程存在著很大的試探性與盲目性,并且通用性較差,無法舉一反三,推廣到其他發(fā)動機(jī)。針對不同的燃燒不穩(wěn)定類型,需要正確選擇合適的抑制方法:

(1)對于出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的發(fā)動機(jī),最常用的抑振方法是改動噴管結(jié)構(gòu)以增大阻尼,或者在總體允許的情況下適當(dāng)擴(kuò)大噴管喉徑,降低發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng)。這一措施可以在發(fā)動機(jī)設(shè)計的任一階段實(shí)施。而在發(fā)動機(jī)總體論證設(shè)計階段,要盡可能地開展理論計算和實(shí)驗(yàn),在滿足發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)的前提下選擇結(jié)構(gòu)阻尼更大的發(fā)動機(jī)和裝藥結(jié)構(gòu),并減少漩渦脫落引起流動不穩(wěn)定性的可能。

(2)調(diào)整固體推進(jìn)劑配方可以避免改動原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過增大燃?xì)馕⒘Ｗ枘峄驕p小推進(jìn)劑燃燒響應(yīng)增益實(shí)現(xiàn)抑制效果。但是該方法缺少理論指導(dǎo),可調(diào)整的范圍較小。對于某種發(fā)動機(jī)有效的配方調(diào)整方法,并不適用于其他發(fā)動機(jī),通用性較差。對于配方敏感性較弱的推進(jìn)劑,則以損失發(fā)動機(jī)能量為代價,降低發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng),提升燃燒穩(wěn)定性。

(3)被動式機(jī)械結(jié)構(gòu)是一種很好的抑制方法,已被廣泛采用。但不同結(jié)構(gòu)可抑制的振型與頻率不同,需要結(jié)合具體問題進(jìn)行選擇。諧振棒適合抑制采用少鋁/無鋁推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)中出現(xiàn)的高頻切向和徑向燃燒不穩(wěn)定;赫姆霍茲諧振器適合抑制軸向一階中低頻燃燒不穩(wěn)定,對高階行波不穩(wěn)定抑制效果較差;擋板在固體發(fā)動機(jī)中應(yīng)用較多,其中縱向擋板適合抑制切向燃燒不穩(wěn)定,橫向擋板適合抑制縱向低頻燃燒不穩(wěn)定,而三維鋸齒結(jié)構(gòu)有助于減小阻尼環(huán)本身引起的渦聲振蕩。

(4)飛行載荷會對燃燒不穩(wěn)定起到激勵作用,現(xiàn)有手段主要局限于數(shù)值仿真,缺少模擬高速、高加速、大過載、強(qiáng)振動等多元復(fù)合飛行載荷環(huán)境,這也導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生機(jī)理認(rèn)識不清,無法準(zhǔn)確識別影響推進(jìn)劑燃燒穩(wěn)定性的主要配方因素及內(nèi)外部環(huán)境因素?？梢栽诘孛鏃l件下開展火箭橇或者脈沖觸發(fā)測試,排除潛在的燃燒不穩(wěn)定。

對于固體發(fā)動機(jī)設(shè)計人員,最好在發(fā)動機(jī)總體論證初期對發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行計算和評估,選用穩(wěn)定性好的推進(jìn)劑、發(fā)動機(jī)和裝藥結(jié)構(gòu),這一階段能調(diào)整和提高穩(wěn)定性的措施比較多。發(fā)動機(jī)一旦定型并投產(chǎn)后,可選擇和采用的抑制方法非常有限,且抑制效果也不理想。