固体火箭发动机不稳定燃烧的辨识

固体火箭发动机的不稳定燃烧现象通常反映在内弹道曲线如燃烧室压强p-t曲线和发动机推力F-t曲线的异常变化上， 特别是压强曲线， 几乎包含了燃烧的所有外在特征， 因此， 通过燃烧室压强曲线分析， 可以找到不稳定燃烧产生的原因， 从而寻求避免不稳定燃烧的途径， 以消除或抑制不稳定燃烧， 这就是固体火箭发动机不稳定燃烧的曲线辨识。 当然，压强曲线的异常变化并不一定都是不稳定燃烧造成的， 还可能是发动机结构等因素引起的，如喷管脱落、 喷喉堵塞、 壳体烧穿等。 不稳定燃烧的辨识是固体火箭发动机故障诊断的重要组成部分， 谢蔚民等人介绍了一些不稳定燃烧的曲线辨识， 简述如下。

图4-14 （a） 是断续燃烧， 也称为喘振， 即燃烧室压强发生周期性或近似周期性的振荡现象，其频率比燃烧室的基振频率低1～2个数量级或者更低。图4-14（b） 是L∗不稳定燃烧，或称整体振型低频振荡燃烧，其压强波动比较规则， 频率从几赫兹到100～150Hz， 低于燃烧室的固有频率。 上述两种燃烧可以单独发生， 也可以相继出现， 如图4-14 （c） 所示。产生的原因主要是：燃烧室压强过低；L∗太小，燃气在燃烧室中停留的时间太短致使气相化学反应物来不及反应， 从而引发振荡燃烧； 点火时间过短、 点火压强过低或过高也可能引起喘振。 以上因素均使流向推进剂表面的反馈热量减少， 导致燃速下降而引起燃烧的振荡或中断。

图4－14 低频不稳定燃烧的压强曲线

（a） 断续燃烧；（b） L∗不稳定燃烧；（c） 断续燃烧与低频振荡燃烧

图4-15是L∗不稳定燃烧的两种典型曲线。其中，图4-15 （a） 的主要特征是压强振荡频率较低（小于200Hz），振幅较大时平均压强下降。若发动机工作压强较低、L∗较小以及在低温条件下工作时容易产生L∗不稳定燃烧， 这时可通过L∗燃烧器或亥姆霍兹（Helmholtz） 燃烧器实验调整发动机的参数，以消除L∗不稳定燃烧。图4-15 （b） 的特征是压强振荡幅值小，有时伴随有压强突然下降并恢复的过程，发动机在L∗不稳定燃烧条件下受到脉冲触发 （如固体碎片穿过喷管喉部等） 时容易发生这种现象。

图4－15 L∗不稳定燃烧的压强曲线

（a） L∗不稳定燃烧中平均压强偏低；（b） 脉冲触发的L∗不稳定燃烧

图4-16是压强耦合引起的高频不稳定燃烧，其主要特征是平均压强曲线下凹， 且在多次点火实验中压强振荡出现的时刻基本相同。采用动态压强测量可以检测到高频压强振荡， 通过频谱分析和声场分析可以确定其振型及频率。一般双基推进剂容易出现这种类型的振荡燃烧。

图4-17是横向高频不稳定燃烧， 或速度耦合引起的纵向中频不稳定燃烧， 主要特征是出现的时刻具有重复性， 平均压强曲线不规则变化或有多次压强峰， 动态压强检测有频率较高的压强振荡， 通过频谱分析、 燃烧室声场分析以及稳定性计算可以确定其振型及频率。 发动机长细比较小、 推进剂不含Al时容易产生横向高频不稳定燃烧， 而长细比较大、 推进剂含Al时容易产生纵向中频不稳定燃烧。

图4－16 高频不稳定燃烧

图4－17 横向高频不稳定燃烧

图4-18是纵向触发不稳定燃烧， 特征是平均压强突升到某一值， 动态压强检测有中频压强振荡， 这种发动机需要通过脉冲激发实验检测其稳定性。 这类振荡容易出现在长细比大于10、 燃烧室压强较高、 推进剂燃速较低以及工作过程中遇到大振幅扰动 （如点火装置碎片、 隔热包覆层脱落碎片等通过喷管喉部） 的发动机中。

图4-19是外界信号干扰造成的动态压强曲线波动， 主要特征是平均压强正常， 动态压强检测有不同频率的振荡信号。 干扰信号可能来自交流电源 （50Hz）、 电台信号 （音频）或接线干扰 （随机信号） 等， 一般通过频谱分析可以鉴别其类型和干扰源。 图4-19所示实际是一种接线干扰信号。

图4－18 纵向触发不稳定燃烧

图4－19 外界信号干扰的压强曲线

图4-20是测压管较长或形状复杂时产生的异常压强曲线， 主要特征是推力曲线并无振荡， 而压强振荡逐渐衰减。 产生这种现象的原因是在点火冲击下测压管内发生了阻尼自由振荡。

图4-21是测力系统机械振动造成的推力曲线异常变化， 而压强曲线 （包括平均压强和动态压强） 则是正常的， 主要原因是推力传感器接触不紧等。

图4－20 测压管太长时的压强曲线

图4－21 测力系统机械振动造成的推力异常曲线

图4-22是喷管喉部沉积和脱落引起的曲线异常， 主要特征是压强曲线和推力曲线均有明显的若干波动变化。 这是由于喷管喉部沉积使压强升高、 推力增大， 而当喉部沉积到一定程度时， 沉积物突然脱落导致压强和推力的突降， 然后又重复上述沉积—脱落过程， 导致曲线在不同时刻出现波动。这种现象主要发生在工作时间长（如tk＞30s）、喷管喉径小（如dt＜10mm） 的发动机中，如续航发动机等。

图4-23是发动机点火后很快爆炸的压强、 推力曲线， 由于压强迅速升高导致压强传感器击穿， 因此压强曲线迅即中断。 产生爆炸的原因很复杂， 但多数是与燃烧紧密相关的， 如振荡燃烧、 装药裂纹、 爆燃转爆轰等； 也有机械结构方面的原因， 如发动机局部结构破坏或松脱、 漏装组件等， 致使喷管喉部阻塞等。 一旦出现爆炸事件， 需要通过各种实验和专家分析确定其原因。

图4－22 喷管喉部沉积和脱落引起的推力、 压强异常波动曲线

图4－23 发动机点火后很快爆炸引起的推力、 压强异常波动曲线

图4-24是高速旋转发动机的压强或推力曲线， 出现很高的二次峰值是其突出特点。 二次峰值不是装药燃面的增面燃烧产生的， 而是由高速旋转离心加速度导致的燃速迅速增大。 虽然高速旋转发动机对燃速的显著影响是公认的， 但关于其形成机理却争议颇多， 目前还没有完善的预示方法。 这种燃烧属于稳定燃烧。

图4－24 高速旋转发动机的压强或推力曲线

图4-25是固体火箭发动机点火阶段存在的一种现象， 即所谓爬坡现象， 在高频检测中没有压强振荡。 产生爬坡的主要原因包括： ①对于大尺寸装药， 点火药燃烧时间太短。 一般可通过增加点火药量， 特别是延长点火药燃烧时间来避免 （如采用大粒点火药等）。 ②缓燃推进剂、 低温工作、 壁面热损失大以及采取T型发动机等情况， 也容易出现此类现象。

图4-26是在压强曲线的中段出现略微凸起的现象。 产生这种现象的主要原因有： ①对于复合推进剂， 浇铸工艺可能存在缺陷， 主要是推进剂组元分布不均匀； ②在分段装药的发动机中， 燃气在中间横向隔板处产生回流， 导致燃速局部增大； ③装药局部有脱粘、 裂纹等现象导致的燃面增大。

图4－25 发动机的点燃爬坡现象

图4－26 发动机压强曲线中段略微凸起现象