飞行过载对固体火箭发动机不稳定燃烧的影响

张翔宇，高 波，甘晓松，马 亮，周艳青

(1.中国航天科技集团有限公司第四研究院第四十一所燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710025；2.中国航天科技集团有限公司第四研究院，西安 710025)

0 引 言

在固体火箭发动机(Solid rocket motor,SRM)工作过程中，推进剂燃烧产生的一部分能量与声场耦合，产生不规则、周期性的压强振荡，造成发动机偏离设计状态，甚至压强激增导致发动机解体，这种由燃烧造成的不规则振荡且不断发展的过程称之为不稳定燃烧[1-2]，是制约固体发动机发展的重要基础技术难题之一[3]。近年来，防空反导导弹固体发动机为提高性能采用大装填、高压强、大长径比等设计，在导弹飞行过载条件下工作可靠性降低，导致不稳定燃烧问题时有发生，对导弹的制导和控制都带来了消极影响。

固体火箭发动机中存在多种增益与阻尼因素(见图1)，主要的增益因素包括推进剂的燃烧增益、声涡耦合，主要的阻尼因素包括粒子阻尼、喷管阻尼等,是否会出现不稳定现象并维持压强振荡是各种因素综合作用的结果。声不稳定是目前最为普遍的一种形式,即压强振荡频率与发动机声腔固有频率相耦合[5]。

图1 固体火箭发动机不稳定燃烧影响因素示意图[4]Fig.1 Illustration of influencing factors of combustion instability in SRM[4]

以某防空反导导弹固体发动机在飞行过载条件下出现的不稳定燃烧问题为背景，通过压强振荡特性分析、声腔模态数值仿真确定了非线性触发式不稳定燃烧的故障模式，通过大涡模拟数值仿真及理论分析提出了两种可能的触发模式，通过全尺寸发动机脉冲试验、火箭橇过载模拟试验复现了压强振荡现象，提出了飞行过载诱发发动机不稳定燃烧机理。……