什么是火箭发动机燃烧不稳定性?

[拼音]：huojian fadongji ranshao buwendingxing

[外文]：combustion instability in rocket engine

火箭发动机燃烧室中燃烧的周期性振荡现象，伴随有燃气压力、温度和速度的振荡，通常以压力的周期性振荡来表征。当出现燃烧不稳定性时，燃气压力振荡具有明显的周期性，且振幅较大，一般在室压的5％以上，有时甚至高达百分之几十或更高。燃烧不稳定性可能导致发动机振动加剧和热负荷增加，从而使发动机部件遭到破坏和烧蚀。这往往是火箭发动机研制中的技术关键。

燃烧不稳定性通常可按机理或室压振荡频率范围分类，固体火箭发动机燃烧不稳定性按其与燃烧室内声场的关系分为声学燃烧不稳定性和非声学燃烧不稳定性。声学燃烧不稳定性又可根据燃烧与声场的相互作用分为压力耦合和速度耦合声学燃烧不稳定性两类。固体推进剂燃面对压力振荡的响应称为压力耦合，而燃面对燃气流速振荡的响应则称为速度耦合。液体火箭发动机燃烧不稳定性按室压振荡频率分为三类：

（1）高频燃烧不稳定性：是燃烧过程与燃烧室声学振荡相耦合的结果，振荡频率通常在1000赫以上。根据燃烧室的声学特性，可分为纵向振型、切向振型、径向振型和组合振型。出现高频燃烧不稳定性时常伴随有强烈的机械振动，并使燃烧室局部传热率急剧增加，从而导致发动机损坏。

（2）低频燃烧不稳定性：由推进剂供应系统内的流动过程与燃烧室内燃烧过程相耦合而产生，振荡频率较低，通常在200赫以下。在燃气振荡同时，推进剂供应系统内的流体也随之振荡，导致混合比的急剧变化和发动机性能降低。

（3）中频燃烧不稳定性：燃烧室内的燃烧过程与推进剂供应系统中某一部分流动过程相耦合而引起的振荡，频率范围约为 200～1000赫。燃烧室和推进剂供应系统内压力振荡的频率和相位往往与燃烧室固有声学振型不符。

为了防止燃烧不稳定性，可以根据不同的耦合机理采取针对性的抑制措施。例如，为了抑制高频燃烧不稳定性，液体火箭发动机采用喷注器面隔板、声学吸收器（声衬或声腔）或改进喷注器的设计以控制能量释放分布规律等。固体火箭发动机可以在推进剂中添加铝粉或金属氧化物以及改变药柱几何形状来抑制高频燃烧不稳定性。

液体火箭发动机消除低频燃烧不稳定性的方法包括加大喷注器压降、增加流体惯性和减少燃烧室容积等。对于中频燃烧不稳定性，可以改变能量释放分布规律或改变推进剂供应系统，例如在推进剂输送管路中安装由弹性薄膜和充气容腔组成的蓄压器或四分之一波长管型谐振器等。

评定火箭发动机燃烧稳定性的方法主要有热试验统计方法和脉冲激发方法。

参考书目

哈杰等著，朱宁昌等译：《液体推进剂火箭发动机不稳定燃烧》，国防工业出版社，北京，1980。(David T.Harrje & Frederrick H.Reardon，Liquid Propellant Rocket Engine Combustion Instability，Scientific and Technical Information Office NASA，Washington，1972.)