低温液体运载火箭跷振的抑制机理研究

The pogo vibration of the liquid launch vehicle arises from the inherent interaction of a flexible rocket structure with a liquid propulsion system. Such instable vibration may deteriorate the performance of the propulsion system, cause problems with instruments and sensors in the rocket, and even lead to ultimate mission loss. In present study, the theoretical models of gas-liquid flow in cryogenic pump feed line and the unsteady cavitation in turbopump were set up with respect to the characters of a new cryogenic liquid-propellant launch vehicle. Numerical simulations and experimental evaluations were also conducted to explain the pogo vibration suppression mechanism. This study will be helpful to improve the design's ability to suppress pogo oscillation for our new generation cryogenic liquid-propellant rockets.

液体运载火箭跷振是火箭结构系统和推进系统耦合而产生的纵向自激振动。这种不稳定振动可能会降低推进系统的性能，损坏航天器或有效载荷的结构，甚至造成飞行任务的失败。本项目针对我国新型低温液体运载火箭的特点，通过对泵间管气液两相流和涡轮泵非定常气蚀现象分别进行理论建模、数值仿真、及试验验证研究，探索并掌握相应的跷振抑制机理，从而为跷振抑制设计提供更为完善的理论依据和更为精确的分析技术，切实提高我国低温液体运载火箭跷振抑制设计及分析的能力和水平。

为了研究泵间管气液两相流对跷振的抑制机理，针对火箭发动机预压泵出口处的气液两相掺混冷凝过程，开展了垂直管道低温气液两相掺混冷凝的数学模型研究，对泵间管气液两相掺混冷凝、气液两相流中的压力波传播特性进行了数值仿真计算；完成了垂直管道低温气液两相掺混及压力波传播试验系统，开展了氧气-液氧掺混及其低频段压力波试验，进行了流型辨识，分析了气羽形状特征、掺混过程动态特性和轴向冷凝长度，研究宽频范围的压力波在氧气-液氧掺混段的传播速度、衰减特性、以及对两相掺混过程的影响。.为了研究涡轮泵非定常汽蚀对跷振的抑制机理，针对涡轮泵非定常汽蚀现象，开展了涡轮泵汽蚀的数学模型研究，对诱导轮和离心泵流场进行了汽蚀仿真计算，采用带透明壳体的低/高速诱导轮水力试验系统，对三叶片诱导轮开展了多种叶轮结构、多工况的非定常汽蚀试验，获取了不同非定常汽蚀现象的特征，分析了叶片表面汽蚀的产生机理、以及抑制非定常汽蚀的技术。