姿控发动机工作过程中对稳定性、可靠性和响应特性要求较高,因此发动机特征参数对内外干扰因素的敏感性是研究重点。在诸多干扰因素中,上下游压力振荡的影响不应被忽略,例如供应压力扰动和燃烧室激发的中频压力振荡。上下游压力振荡的传递过程会对管路与推力室耦合作用产生影响,燃烧室压力振荡会导致管路压力和流量发生振荡,而供应管路中的压力扰动也会传递到喷嘴,引起喷嘴流量波动,影响喷注均匀度和稳定性。流量波动会降低燃烧效率,延长响应时间,进而影响发动机工作稳定性和开关机响应特性。严重时可能会触发更为剧烈的燃烧不稳定和加剧管路振动,并可能产生局部高温,引发喷嘴和壁面烧蚀^[1-2]。

文献[3]基于CFD方法仿真了气氧/甲烷发动机喷嘴流量与燃烧过程的耦合作用,发现燃烧室压力和喷嘴流量具有强烈的耦合作用。文献[4]也对喷注流量脉动与燃烧室声学耦合不稳定性做出了分析。文献[5]采用脉冲阀作为干扰源,试验研究了系统出现低频压力振荡时,压力旋流喷嘴的动态特性,文献[6]进一步分析了不同旋流喷嘴在压力振荡下液膜厚度的变化规律,文献[7]分析了低频压力振荡下旋流喷嘴压力、质量流量、液膜厚度和轴向速度等参数的幅频特性。

国内的刘上等^[8]数值计算了液体火箭发动机中频耦合振荡过程,通过比较分析供应管路和燃烧室的幅频特性,来判断发动机上下游的耦合稳定性。杨立军等^[9-11]系统研究了供应管路、喷嘴和燃烧室的相互作用,分析了压力振荡在上下游传递过程中的幅频特性。

国内外在压力振荡传递特性方面的研究已有许多,但应用到姿控发动机工作过程的研究却很少见。考虑到AMESim模块化仿真软件具有模型库丰富、二次开发能力强和面向对象的图形化建模等特点,在机械、液压、流动和传热等领域广泛应用。本文采用AMESim搭建姿控发动机仿真模型,并用AMESet建立零维燃烧室模型。

本文用工程中供应管路出现的正弦波作为输入条件,分析了供应压力对下游液路的传递特性。用N型波作为输入条件,反映了中频燃烧不稳定压力振荡的非线性特征,分析了燃烧室压力振荡对上游液路的传递特性。计算了液路压力扰动率,分析了推进剂组元对两种压力扰动源的敏感性,以及供应管路和燃烧室的耦合作用,以期对姿轨控发动机优化设计有所帮助。

本文基于AMESim建立了一种上下游压力扰动仿真新方法,分析了供应压力扰动到燃烧室,以及燃烧室压力扰动到供应管路的传递特性,得到以下结论:

1)供应压力在燃烧室激发的振荡幅值和扰动幅值呈线性关系,振荡过程被逐渐放大,随扰动波频率增加逐渐增大到谐振峰值,然后迅速减小并将扰动率维持在稳定范围内。

2)燃烧室中频压力振荡在上传过程中不断衰减,扰动在供应管路激发的压力振荡幅值和扰动幅值线性相关,和扰动频率呈先增大后减小的趋势,存在一个谐振频率使受激振荡幅值最大,要避免在谐振频率下可能出现的供应管路失效。

3)燃料管路和氧化剂管路受压力振荡的影响规律相似,但燃料管路对供应压力振荡更敏感,氧化剂管路则对燃烧室压力振荡更敏感。

4)谐振现象发生时,压力振荡的影响被放大,使得管路接头等位置很容易出现故障而失效,因此在管路设计时,要尽量避开谐振频率。