[发明专利]一种主动调节发动机喷管阻尼来抑制不稳定燃烧的方法

说明书

技术领域

本发明公开的一种主动调节火箭发动机喷管阻尼来抑制不稳定燃烧的方法，涉及用二次射流干涉主流降低燃烧室内压强振荡的方法，属于喷管阻尼可调的火箭发动机领域。

背景技术

不稳定燃烧也称为发动机的振荡燃烧。其基本特征是燃烧室的压强随时间呈周期性变化。当压强振幅较大时，发动机的内弹道曲线还将发生诸如平均压强的提高或跃升等不规则的变化，致使预期的推力方案无法实现。过高的压强峰值还会使发动机的结构完整性遭到破坏，出现灾难性事故。不仅如此，压强振荡还将引起推力振荡与发动机或飞行器的机械振动，致使某些仪器或部件不能正常工作。因此，在固体火箭发动机的发展中，不稳定燃烧经常是一个严重的障碍。它往往导致研究周期的延长和大量经费的追加。

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。

抑制燃烧室内压强振荡的一个思路是增大发动机内的阻尼，喷管阻尼是一项重要的边界阻尼。由于燃气从喷管高速喷出，可按对流形式排出声振能量，同时还以辐射形式散失声振能量，从而对声振起到阻尼作用。如果喷管处于压强振荡的波腹处，辐射损失增加，其阻尼作用就更强。因此这种阻尼对于纵向振型的作用就更为明显。经粗略估算，喷管阻尼可占声能损失的一半以上。

发明内容

本发明的目的是提供一种主动调节发动机喷管阻尼来抑制不稳定燃烧的方法，该方法通过被主流雾化的二次流工质或者主流与二次流化学反应的产物来吸收声振能量，抑制不稳定燃烧。在收敛段加入液相二次射流后，二次流与主流互激时形成的雾化液滴或者发生化学反应形成的生成物，充斥在喷管收敛段、喉部和扩张段，能够吸收在火箭发动机中产生的纵向振型的压强振荡，即增大了喷管阻尼，能抑制不稳定燃烧现象；通过根据实际需求更换不同的喷管收敛段或者改变二次射流工质和压强实现不同的喷射方案，不同喷管内部工况对应着不同的喷管阻尼改变量，实现对发动机喷管阻尼大小的不同调节效果。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种主动调节发动机喷管阻尼来抑制不稳定燃烧的方法：收敛段外围固定结构与收敛段外壁面形成薄的环形空腔，收敛段外围固定结构上连通二次射流注入装置，与环形空腔相通，收敛段处开设均匀分布的二次流喷嘴，所述二次流喷嘴绕收敛段至少一周，其入口与环形空腔相通，出口位于收敛段内壁面，实现收敛段二次射流的周向喷射，与主流作用，调节喷管阻尼，进而抑制不稳定燃烧。

所述二次流喷嘴数量至少为6个；

所述二次流喷嘴采用收缩型喷嘴；

二次流喷嘴出口总面积与喉部面积比为0.1左右；

二次流喷嘴出口中心位置距喉部的距离为整个收敛段长度的0.5-0.75倍左右；

二次射流与主流总压比达到0.75以上。

本发明公开的一种主动调节火箭发动机喷管阻尼来抑制不稳定燃烧的方法，实现的装置包括发动机喷管、螺钉垫片、射流注入装置、螺栓、收敛段连接件、端面后置密封O型圈、螺母、集气室连接件、安装拆卸螺钉、集气室、螺栓垫片、可拆卸收敛段、侧面密封O型圈、端面前置密封O型圈。

连接关系为：

发动机喷管和可拆卸收敛段之间形成了环形喷射空腔，在喷射空腔有用于与二次射流注入装置相连接的孔；

射流注入装置的上端两个用于引入二次射流到喷射腔；

射流注入装置的下端一个用于引入主流到集气室；

喷管是一个拉瓦尔喷管包含可拆卸收敛段的外围固定结构一体化的喷管，内侧面具有凸台用于与可拆卸收敛段的侧面密封，喷管与可拆卸收敛段固定连接，可拆卸收敛段与喷管收敛段相承接；

可拆卸收敛段设有与二次射流注入装置相连接的二次流喷嘴；

螺栓、螺母、螺栓垫片用于喷管与收敛段连接件的固定连接；

安装拆卸螺钉、螺钉垫片用于喷管和可拆卸收敛段的定位、锁紧、密封效果调节；