基于非平衡等离子体的液体火箭发动机高频燃烧不稳定性新型主动控制机理研究

High frequency combustion instability has always been the difficulty and research focus in the liquid rocket engine (LRE) field due to its huge destructiveness, complex mechanisms, and uncontrollability. Currently, non-equilibrium plasma assisted combustion (PAC) has shown certain capability in improving the aerospace propulsion. Most studies have concentrated on the combustion enhancement and ignition acceleration by PAC, while in the aspect of combustion instability control, especially for the high frequency combustion instability, few literature can be found. A revolutionary break through might be reached if the non-equilibrium plasma is applied to high frequency combustion instability control in LRE. This project aims at solving the high frequency combustion instability problem in LRE by PAC technology. These problems involve the effect of non-equilibrium plasma on the shape and stability of diffusive flame under different pressure; the effect of non-equilibrium plasma on the combustion instability of LRE with three propellant schemes, i.e. H/O, C/H/O, and C/H/O/N; and the influence of non-equilibrium plasma on evaporation and ignition of the hypergolic propellant liquid drop under high oscillating pressure. The research achievement may provide flexible methods in solving the problems resulting from high frequency combustion instability in the LREs in use. In addition, related studies will contribute to the understanding of the interaction mechanisms among plasma, sound, and heat.

高频燃烧不稳定性具有破坏性强、机理复杂、难以控制等特点，一直是液体火箭发动机研究领域的重难点。当前非平衡等离子体辅助燃烧技术在航空航天动力方面展现了一定潜力，然而现阶段的研究集中于等离子体对燃烧的增强与促进，在燃烧不稳定控制，尤其是对高频不稳定燃烧的影响方面还缺乏认识。本项目探索利用非平衡等离子体控制高频不稳定燃烧，有望在液体火箭发动机不稳定燃烧控制领域带来革命性变化。具体将分别研究不同压力环境下非平衡等离子体对扩散火焰形态及熄燃特性的控制，非平衡等离子体对H/O、C/H/O和C/H/O/N三类不同推进剂液体火箭发动机高频燃烧不稳定性的控制效果和作用机理，以及高压、压力振荡环境下非平衡等离子体对自燃推进剂液滴蒸发、着火特性的影响。研究成果有望为解决涵盖我国现役主流推进剂的液体火箭发动机高频燃烧不稳定问题提供主动且灵活的方案，并通过相关研究掌握等离子体与释热、声学振荡之间的作用机理。

高频燃烧不稳定性具有破坏性强、机理极其复杂、难以控制等特点，一直是液体火箭发动机研究领域的重点与难点，严重制约了发动机的可靠性。为深入认识不同推进剂液体火箭发动机高频燃烧不稳定性诱发机理，拓展等离子体辅助燃烧技术内涵，本项目采用实验与仿真结合的方法主要从非平衡等离子体对扩散火焰形态及熄燃特性的控制、对三类不同推进剂液体火箭发动机高频燃烧不稳定性的控制效果和作用机理、高压压力振荡环境下非平衡等离子体对自燃推进剂液滴蒸发着火特性的影响几方面进行了深入研究。取得的重要结论有：通过调节氧喷嘴的长度可以有效抑制纵向高频燃烧不稳定；在液氧/煤油发动机中富氧工况下燃烧室稳定性裕度降低；液滴直径和雾化角均存在一个中间取值范围，对不稳定燃烧较为敏感；液膜冷却燃料射流在激发和驱动高频燃烧不稳定的过程中起到重要作用，其与其他喷嘴间的相互作用会导致释热率热点的出现；驻波模态下的切向燃烧不稳定主要由外圈喷嘴驱动，旋转模态下的切向燃烧不稳定主要由外圈喷嘴以及液膜冷却射流驱动；在控制火焰过程中存在等离子体气动效应，该效应源于等离子体丝状通道的虚拟“风扇”作用；非平衡等离子体热效应很弱，对燃烧的影响可以忽略；等离子体喷嘴具有强化燃烧、稳定火焰、扩宽着火极限的作用，电压越高效果越明显；爆发模式等离子体喷嘴能取得与连续模式相同的火焰控制效果，且在防止爬电方面更优；表面介质阻挡放电喷嘴由于气动效应更强，其对火焰稳定能力好于体介质阻挡放电，且具有更低的费效比；等离子体提高了燃料液滴燃烧初始阶段的相关化学反应速率，加速了液滴蒸发燃烧，约化场强越高，液滴点火延时和生存时间越短；非平衡等离子体能够提高氢氧火箭发动机燃烧效率，正向气动激励更有利于发动机燃烧性能提升；准直流放电等离子体主要通过降低燃烧室局部释热率来抑制不稳定燃烧，为更好地控制高频不稳定燃烧，应采用对称双激励器布置方案，并结合高频、小占空比激励方式。