波形畸变对固体推进剂非线性燃烧响应特性的影响机理

The pressure-coupled response function (Rp) of the solid propellant is the main influence factors of the combustion instability in the solid rocket motor. The effects of nonlinear acoustic oscillation on combustion response of solid propellant can be revealed by studying the characteristic of steep front wave on the propellant combustion. The wave distortion mechanisms of nonlinear acoustic are poorly known and at present the acoustic energy transfer model lack the experimental support. To fill this gap, the experimental measurement of propellant combustion under nonlinear acoustic oscillation is designed by adopting a consolidated optical technique including high speed camera visualizations and the long-range microscope. With the established experimental method, the combustion response characteristic and mechanism under the nonlinear acoustic oscillation could be obtained. Base on the experimental study, the nonlinear combustion response model is proposed to predict the combustion response characteristic in the real motor with reveal the nonlinear combustion instability, with consideration of a variety of oxide size distribution propellant and different operation parameters. This project could contribute a breakthrough and innovate in certain scientific problems of nonlinear combustion response behavior of solid propellant in rocket motor on the wave distortion, which could to be improved a better the basic researching of stable combustion of the solid propellant, and provide the theoretical basis and analysis method for control of the solid propellant stability, moreover, laid the important foundation on the nonlinear combustion instability of the solid rocket motor.

固体推进剂燃烧响应是发动机非线性燃烧不稳定中最主要的增益因素之一，对发动机的稳定性影响重大。通过研究推进剂在波形畸变过程中的燃烧响应特性，可从本质上揭示非线性声振荡作用下的非线性燃烧响应机理及影响规律。针对非线性不稳定中波形畸变特性研究认识不足以及声振荡燃烧波动模型缺乏实验支撑的现状，本项目开展非线性声振荡环境的推进剂燃烧实验，利用高速显微诊断技术，揭示波形畸变条件下的动态燃烧动力学机理，掌握非线性声振荡作用下的推进剂燃烧响应的影响机制。在实验研究的基础上，建立适应宽配方和工作参数范围的非线性燃烧响应模型，以预示适用实际发动机非线性声振荡特性的燃烧响应模型。本项目力求在固体发动机中推进剂燃烧响应特性的关键问题上有所突破和创新，从而更好的提升固体推进剂稳定性燃烧的基础研究水平，为提高固体推进剂燃烧稳定性提供理论基础和分析方法，同时也对固体发动机非线性燃烧不稳定奠定了重要的基础。

本项目开展非线性声振荡环境的推进剂燃烧实验，利用高速显微诊断技术，揭示波形畸变条件下的动态燃烧动力学机理，掌握非线性声振荡作用下的推进剂燃烧响应的影响机制。在实验研究的基础上，建立适应宽配方和工作参数范围的非线性燃烧响应模型。本项目研究的固体发动机中推进剂燃烧响应特性可以更好的提升固体推进剂稳定性燃烧的基础研究水平，为提高固体推进剂燃烧稳定性提供理论基础和分析方法。具体研究成果如下：.1、设计组建了基于脉冲激励装置的模拟压强振荡实验系统，开展了不同压强下的燃烧细观实验研究。研究表明，非线性声振荡环境下，位于密闭腔体中间位置的推进剂火焰会随着振速振荡而出现左右周期性摆动，其摆动频率与腔体固有频率基本一致。就火焰形态而言，振荡初期火焰整体倾斜并摆动呈现“直线型”，振荡中后期火焰远离燃面部分出现滞后段使整体呈现“弯曲型”，直至振荡结束逐渐恢复稳态燃烧。.2、基于OpenFOAM计算平台，建立了发动机环境下的AP/HTPB三明治模型火焰数值模拟方法。对于不同轴向位置的推进剂火焰，随着扰动频率的增大，释热的振幅也在不断变化，相位基本保持为一个定值，而对于燃烧室下游的推进剂火焰，随着扰动频率的增大，其相位值总体呈现下降的趋势。.3、建立了线性和非线性压强耦合响应函数的实验测量与数据处理方法，对3种固体推进剂开展了实验测量工作。结果表明，三种推进剂的非线性响应函数值均明显高于线性响应函数值，证明了压强振荡幅值对压强耦合响应函数有较大的影响。.4、建立了发动机燃烧室一阶、二阶和三阶声振模态共同作用下的非线性压强耦合响应函数模型，获得了压强振荡幅值对非线性压强耦合响应函数的影响规律。同时，对不同AP粒度的非线性响应函数进行了分析，获得不同AP粒度对响应函数的影响。该模型可用来分析实际发动机中非线性压强振荡幅值对压强耦合响应特性的影响.