液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性評(píng)定研究

丁兆波，孫紀(jì)國(guó)

（北京航天動(dòng)力研究所，北京100076）

0 引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定燃燒的發(fā)生具有很大的隨機(jī)性，一般的發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)，即使多次不出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，也不能確定其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。某型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)在前19次試車(chē)中均未發(fā)生不穩(wěn)定燃燒，之后卻連續(xù)4次在起動(dòng)或關(guān)機(jī)段的動(dòng)態(tài)過(guò)程中發(fā)生了一階切向不穩(wěn)定燃燒，再度引起了業(yè)內(nèi)人士對(duì)動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性的高度關(guān)注。長(zhǎng)期以來(lái)，各國(guó)學(xué)者及工程技術(shù)人員，在動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性評(píng)定的研究和實(shí)踐方面進(jìn)行了大量的工作，取得了顯著的成績(jī)，本文詳細(xì)闡述了其中的研究方法和結(jié)論。

1 CPIA655關(guān)于動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性評(píng)定的方法和準(zhǔn)則

CPIA655(1997)[1]即《液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性規(guī)范和驗(yàn)證程序指南》中關(guān)于穩(wěn)定性的評(píng)定方法有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定和自發(fā)穩(wěn)定性評(píng)定兩種，并優(yōu)先推薦動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定方法。

動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定是人為地給燃燒室一種擾動(dòng)，激起壓力振蕩，以脈沖能量和壓力振蕩的衰減時(shí)間，評(píng)定推力室的穩(wěn)定性。CPIA655(1997)關(guān)于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定的準(zhǔn)則優(yōu)先推薦：當(dāng)出現(xiàn)的室壓擾動(dòng)超過(guò)正常工作規(guī)定的幅值范圍（峰-峰值10%)，室壓振蕩在10～10 000 Hz之間的主要頻率分量f在由決定的時(shí)間內(nèi)衰減到允許幅值內(nèi)，則可以認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定常用的人為擾動(dòng)方法有：非定向爆炸彈干擾、定向脈沖槍干擾和定向氣流干擾。各種擾動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 各種擾動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of each disturbance method

2 國(guó)內(nèi)外液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定試驗(yàn)研究概況

國(guó)外的 SSME、RS-68、VULCAIN、LE-7、RD-0120和RD-120等液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及國(guó)內(nèi)的一系列常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)都進(jìn)行過(guò)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定試驗(yàn)。

2.1 國(guó)外試驗(yàn)研究概況

國(guó)外在SSME、RS-68、VULCAIN和 LE-7等大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及一些縮比發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn)中普遍采用了爆炸彈擾動(dòng)方法。爆炸彈可以在頭部噴注器面上安裝（如SSME、RS-68和STME縮比試驗(yàn)），或安裝在燒蝕內(nèi)壁上（如ALS發(fā)動(dòng)機(jī)縮比噴注器試驗(yàn)），或安裝在頭身之間的燒蝕安裝環(huán)上（如LeRC的20 000 lbf發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn)和LOX/Methane穩(wěn)定性試驗(yàn)）。

2.1.1 SSME

原始型 (有聲腔和隔板)。在噴注器面上靠近室壁的位置安裝爆炸彈[2]（圖1），改變裝藥量及安裝位置，共進(jìn)行了14次推力室組件級(jí)試車(chē)，試車(chē)時(shí)間5～10 s，室壓范圍9.8～21.7 MPa。爆炸彈產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)全部在4 ms內(nèi)衰減，原始型SSME噴注器和燃燒室的燃燒過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)有力的阻尼機(jī)制。

改進(jìn)型 (無(wú)聲腔和隔板)。共進(jìn)行了16次全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)。室壓范圍3.5～19.32 MPa。裝藥量0.65～0.975 g。壓力擾動(dòng)衰減時(shí)間約6 ms。改進(jìn)型SSME燃燒室不帶隔板和聲腔，不會(huì)明顯影響其穩(wěn)定裕度。

圖1 用于SSME穩(wěn)定性評(píng)定的爆炸彈結(jié)構(gòu)及布局Fig.1 Structure and layout of bomb applied to SSME stability rating

2.1.2 RS-68推力室擠壓試車(chē)

采用全尺寸噴注器方案[3]（帶有聲腔和隔板噴嘴），燒蝕燃燒室，在噴注器面上裝有2個(gè)爆炸彈，3個(gè)室壓高頻壓力測(cè)點(diǎn)，1個(gè)氧噴前高頻壓力測(cè)點(diǎn)和1個(gè)氫噴前高頻壓力測(cè)點(diǎn)。共進(jìn)行了5次爆炸彈（0.975 g RDX裝藥） 動(dòng)態(tài)評(píng)定試驗(yàn)，其中3次額定工況試驗(yàn)（室壓10.3 MPa左右，氫噴前溫度為83 K和33 K），兩次60%工況試驗(yàn)（氫噴前溫度分別為 72 K和33 K）。在83 K氫噴前溫度試驗(yàn)中測(cè)得峰-峰過(guò)壓值6.8%～13.6%，衰減時(shí)間＜2 ms。而在33 K氫噴前溫度試驗(yàn)中爆炸彈沒(méi)有激起過(guò)壓。

2.1.3 STME縮比試驗(yàn)

如圖2所示[4]，在噴注器面上安裝爆炸彈，在氫集合器和氧頭腔上分別齊平安裝氫、氧噴前高頻壓力傳感器，選用Kulite CT-375-5 000。在推力室身部安裝室壓高頻壓力傳感器，選用PCB 122A，由于結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境限制，不能齊平安裝，故采用圖示結(jié)構(gòu)安裝，據(jù)預(yù)測(cè)對(duì)一階切向頻率的響應(yīng)誤差小于6%。在其中一些試驗(yàn)中，氫噴前溫度為50 K，使用了0.85 g的爆炸彈，均未出現(xiàn)不穩(wěn)定。

圖2 STME縮比噴注器穩(wěn)定性鑒定試驗(yàn)方案Fig.2 Testing scheme of STME subscale injectors stability rating

2.1.4 ALS發(fā)動(dòng)機(jī)縮比噴注器試驗(yàn)

如圖3所示[5]，采用燒蝕燃燒室，在噴注器下游68.6 mm的室壁上安裝2個(gè)爆炸彈，裝有6個(gè)高頻壓力傳感器。共進(jìn)行了7次動(dòng)態(tài)評(píng)定試驗(yàn)，室壓范圍 4.9～17.5 MPa。裝藥量 0.42～0.85 g RDX，激起單峰過(guò)壓值2%～15%，衰減時(shí)間＜3 ms。

圖3 ALS發(fā)動(dòng)機(jī)縮比噴注器穩(wěn)定性鑒定試驗(yàn)方案Fig.3 Testing scheme of ALS subscale injectors stability rating

2.1.5 LeRC 20 000 lbf發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)氫氧推進(jìn)劑，采用氫噴前溫度遞降法；對(duì)常規(guī)推進(jìn)劑，采用爆炸彈法，如圖4所示，在頭身之間加一安裝環(huán)，爆炸彈裝在安裝環(huán)上，RDX裝藥量變化，引爆時(shí)間間隔200 ms。該結(jié)構(gòu)可以承受3 s熱試車(chē)。

圖4 LeRC 20 000 lbf氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性鑒定試驗(yàn)方案Fig.4 Testing scheme of LeRC 20 000 lbf engine stability rating

2.1.6 LeRC LOX/Methane穩(wěn)定性試驗(yàn)

額定室壓14 MPa，在噴注器和再生冷卻圓柱段身部之間的安裝環(huán)由不銹鋼加強(qiáng)外套和有氧化鋯涂層的無(wú)氧銅內(nèi)襯焊接組成，用于安裝爆炸彈和3個(gè)高頻壓力傳感器[7]。

2.1.7 俄羅斯動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定情況

俄羅斯設(shè)計(jì)局早期使用的是爆炸彈擾動(dòng)裝置，這些裝置主要的缺點(diǎn)是脈沖特征的散布比較大。為減小散布，在燃燒室入口處安裝破裂壓力經(jīng)校準(zhǔn)的分離膜片，后續(xù)研制了雙脈沖、3脈沖及5脈沖等一系列脈沖槍擾動(dòng)裝置。

RD-0120發(fā)動(dòng)機(jī)室壓20.6 MPa左右，采用固體火藥脈沖法進(jìn)行了穩(wěn)定性鑒定，火藥量為1.8 g和3.6 g。在主級(jí)段沒(méi)有激發(fā)出超過(guò)噪聲脈動(dòng)的不穩(wěn)定。

RD-120發(fā)動(dòng)機(jī)室壓16.3 MPa左右，采用RDX火藥脈沖法進(jìn)行了不同工況下的穩(wěn)定性鑒定，火藥量為1 g。產(chǎn)生的脈沖峰值為5.9 MPa，單峰過(guò)壓值36%。

2.1.8 Vulcain發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn)

在縮比和全尺推力室上均采用爆炸彈進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)定[8]。此外在縮比推力室上還進(jìn)行了氫降溫試驗(yàn)，從額定遞降到45 K，在有/無(wú)聲腔的情況下均未發(fā)生不穩(wěn)定。

2.2 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)研究概況

國(guó)內(nèi)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性的擾動(dòng)方法和穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行了廣泛的研究[9-10]，如表2所示。其中在一系列常規(guī)推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性評(píng)定試驗(yàn)中普遍采用了定向脈沖槍擾動(dòng)方法，脈沖槍一般在身部?jī)?nèi)壁上安裝。

表2 國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定試驗(yàn)情況Tab.2 Testing scheme of engine dynamic stability rating in China

2.2.1 YF-X1發(fā)動(dòng)機(jī)

用兩臺(tái)推力室進(jìn)行了2次脈沖評(píng)定試驗(yàn)。其中1次試車(chē)在主級(jí)段間隔0.2 s連續(xù)引入3個(gè)脈沖，另1次試車(chē)在起動(dòng)、轉(zhuǎn)級(jí)和關(guān)機(jī)段分別引入3個(gè)脈沖。隔板腔內(nèi)有1個(gè)切向脈沖槍和1個(gè)徑向脈沖槍?zhuān)舭迩煌庥?個(gè)切向脈沖槍。噴前各1個(gè)高頻速壓傳感器，室壓有6個(gè)高頻速壓傳感器。脈沖未激起橫向不穩(wěn)定燃燒。

2.2.2 YF-X2發(fā)動(dòng)機(jī)

對(duì)不同隔板方案進(jìn)行了3次脈沖評(píng)定試驗(yàn)。在主級(jí)段間隔4～5 s連續(xù)引入2個(gè)脈沖。隔板腔內(nèi)有1個(gè)徑向脈沖槍?zhuān)舭迩煌庥?個(gè)切向脈沖槍。噴前和室壓各有1個(gè)高頻速壓傳感器。脈沖未激起橫向不穩(wěn)定燃燒。其中1次試車(chē)由于隔板高度縮短，脈沖引發(fā)后0.02 s產(chǎn)生了大幅的縱向高頻不穩(wěn)定燃燒，導(dǎo)致噴嘴和隔板嚴(yán)重?zé)g。因載人航天工程的需要，后續(xù)再次進(jìn)行了動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性鑒定試車(chē)，試車(chē)時(shí)間30 s，間隔4～5 s引發(fā)多個(gè)脈沖。5個(gè)脈沖槍裝藥量分別為0.6～1.4 g黑索金，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

2.2.3 YF-X3發(fā)動(dòng)機(jī)

用兩臺(tái)推力室進(jìn)行了2次脈沖評(píng)定試驗(yàn)，在主級(jí)段間隔0.3 s連續(xù)引入2個(gè)脈沖。有1個(gè)徑向脈沖槍和1個(gè)切向脈沖槍?zhuān)覊河?個(gè)高頻速壓傳感器。

2.2.4 YF-X4發(fā)動(dòng)機(jī)

為驗(yàn)證聲腔的作用，進(jìn)行了數(shù)10發(fā)脈沖評(píng)定試驗(yàn)，在主級(jí)段引入切向脈沖。

2.2.5 YF-X5發(fā)動(dòng)機(jī)

首先通過(guò)擠壓試車(chē)進(jìn)行了帶隔板/不帶隔板2種噴注器方案的脈沖評(píng)定試驗(yàn)，優(yōu)選噴注器。后又進(jìn)行了全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖評(píng)定試驗(yàn)。在主級(jí)段間隔5 s連續(xù)引入2個(gè)脈沖。每臺(tái)推力室有1個(gè)徑向脈沖槍和1個(gè)切向脈沖槍?zhuān)?個(gè)室壓高頻速壓傳感器。

2.2.6 X軌控發(fā)動(dòng)機(jī)

采用脈沖槍擾動(dòng)方案，共進(jìn)行了30多次評(píng)定試驗(yàn)，包括不同RDX裝藥量和極限室壓/混合比工況試驗(yàn)。采用銅熱沉身部，切向和徑向脈沖槍置于身部同一橫截面上。身部裝有高頻壓力傳感器，與燃燒室內(nèi)壁齊平安裝。

3 動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性評(píng)定的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 擾動(dòng)裝置及傳感器的安裝和布局

CPIA655推薦擾動(dòng)裝置應(yīng)盡可能靠近噴注器面和室壁安裝，兩處分別是縱向振型和橫向振型的壓力波腹處，擾動(dòng)效果最好。采用隔板或聲腔以改進(jìn)燃燒室穩(wěn)定性后，可能會(huì)影響擾動(dòng)裝置的選擇，因?yàn)椴捎眠@些穩(wěn)定裝置后改變了最易發(fā)生的不穩(wěn)定振型，改變了最大敏感性的方向。在這種情況下，爆炸彈的非定向性也是有吸引力的，可用于測(cè)定最易發(fā)生的不穩(wěn)定振型。

CPIA655推薦通過(guò)齊平安裝高頻壓力傳感器直接測(cè)量室壓來(lái)檢測(cè)燃?xì)鈮毫Φ拿}動(dòng)。在該種方法不可行的情況下，比如用在再生冷卻推力室上，可以通過(guò)采用氦冷傳感器、測(cè)量噴前集合器腔壓力和加速度傳感器等方法來(lái)測(cè)量燃燒引起的壓力脈動(dòng)。高頻壓力傳感器推薦安裝位置如圖5位置①和位置②所示。

對(duì)于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，需要結(jié)合擾動(dòng)裝置和傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸及布局限制，對(duì)噴注器面、身部及安裝環(huán)等幾種安裝方式進(jìn)行傳熱、結(jié)構(gòu)可靠性及可行性對(duì)比分析，確定能滿(mǎn)足再生冷卻通道壁結(jié)構(gòu)的推力室結(jié)構(gòu)方案。

圖5 CPIA655推薦用傳感器安裝位置Fig.5 High frequency pressure sensors locations recommended by CPIA655

3.2 評(píng)定試驗(yàn)用擾動(dòng)裝置的研制

評(píng)定試驗(yàn)用擾動(dòng)裝置要求結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，裝藥量適中，以便激發(fā)合適的壓力峰值（圖6）[1]。

圖6 CPIA655推薦爆炸彈RDX裝藥量Fig.6 Bomb explosive load recommended by CPIA655

脈沖槍擾動(dòng)裝置需要進(jìn)行下列研究性試驗(yàn)：裝藥量選擇試驗(yàn)、引發(fā)可靠性試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)及對(duì)接部位密封性試驗(yàn)等；爆炸彈擾動(dòng)裝置還需要補(bǔ)充進(jìn)行下列研究性試驗(yàn)：殼體厚度選擇試驗(yàn)、殼體燒蝕試驗(yàn)、低溫適應(yīng)性試驗(yàn)及碎片破壞性試驗(yàn)等。

3.3 評(píng)定試驗(yàn)用高頻速壓傳感器的研究

評(píng)定試驗(yàn)用高頻速壓傳感器要求結(jié)構(gòu)尺寸小，響應(yīng)快速靈敏，適合高溫環(huán)境。為此需要優(yōu)化傳感器的設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足特殊情況下的使用要求。目前比較知名的高頻速壓傳感器公司有Kulite、PCB和Kistler公司。其中Kulite公司的WCT-312M系列-水/氣冷凝傳感器（工作溫度范圍24℃～1 093℃）、PCB公司的112A、112B系列和Kistler公司的6001，適合在噴注器面板齊平安裝。在身部齊平內(nèi)壁安裝可選用PCB公司的122A（氦冷型）或123A系列（水冷+氦冷型）。氫、氧噴前壓力測(cè)量用高頻速變壓力傳感器可選用kulite公司的CT-375M，工作溫度范圍-195.5℃～+120℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定方法進(jìn)行研究分析，可以看出國(guó)外普遍采用爆炸彈擾動(dòng)方式，國(guó)內(nèi)沒(méi)有這方面的使用經(jīng)驗(yàn)，主要沿用脈沖槍擾動(dòng)方式，但氫氧再生冷卻推力室的溝槽內(nèi)壁結(jié)構(gòu)限制了使用通過(guò)室壁的脈沖槍插入式裝置，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)難度較大。建議盡快開(kāi)展爆炸彈擾動(dòng)裝置的研究。為了滿(mǎn)足新一代運(yùn)載火箭的高可靠性要求，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)定試驗(yàn)，鑒定發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，確定穩(wěn)定性邊界，減少試車(chē)次數(shù)。

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