張波濤，李 平，王 凱，楊寶娥

(1.西安航天動(dòng)力研究所液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100；.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，西安 710100)

0 引 言

在空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、深空探測和載人航天等太空探索計(jì)劃的驅(qū)動(dòng)下，高性能、低成本、無毒、大變比及可重復(fù)使用的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)已成為當(dāng)今火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的重要發(fā)展方向。美國太空探索公司(SpaceX)采用Merlin發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了“獵鷹”火箭海上回收，并成功重復(fù)使用。SpaceX在改進(jìn)液氧煤油Merlin發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，還在研制推力為170噸的全流量Raptor發(fā)動(dòng)機(jī)，推力變比為5∶1[1]。美國宇航局的推進(jìn)和低溫先進(jìn)發(fā)展項(xiàng)目為了支持未來著陸器的要求，正在研制采用低溫推進(jìn)劑且具有大變比能力的膨脹循環(huán)TR202發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。我國研制的7500 N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)于2019年1月成功助力嫦娥四號探測器首次軟著陸于月球背面。此外，隨著高能鋰電池、高效精確步進(jìn)電機(jī)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，電動(dòng)泵發(fā)動(dòng)機(jī)有更加廣闊的應(yīng)用前景。新西蘭火箭實(shí)驗(yàn)室研制出低成本、高可靠、深度變推力電動(dòng)泵“Electric”火箭，我國也開展了電動(dòng)泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作[3]。噴注器是變推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)控制推力的重要部件之一，以上發(fā)動(dòng)機(jī)均采用針?biāo)▏娮⑵鳌?/p>

盡管針?biāo)▏娮⑵鹘?jīng)過了六十多年的發(fā)展且廣泛應(yīng)用，但大部分研究工作都未公開，且相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作較少。本文針對變推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中針?biāo)▏娮⑵鞯墓こ萄兄?、霧化特性和燃燒特性等方面進(jìn)行綜述，以加深對針?biāo)▏娮⑵鞯恼J(rèn)識。

1 針?biāo)▏娮⑵髟O(shè)計(jì)原理

1.1 結(jié)構(gòu)

針?biāo)▏娮⑵鹘Y(jié)構(gòu)如圖1所示，外圈推進(jìn)劑由噴注器殼體和套筒構(gòu)成的環(huán)形噴嘴，以軸向液膜的形式沿著套筒外壁流動(dòng)。中心路推進(jìn)劑從套筒與針?biāo)ㄖg的中心通道進(jìn)入噴注器，在針?biāo)ǘ祟^內(nèi)型面的作用下流動(dòng)方向變?yōu)閺较?，以環(huán)形液膜或射流束的形式噴入燃燒室后與外圈推進(jìn)劑發(fā)生撞擊霧化，隨后燃燒。針?biāo)▏娮⑵鞯脑O(shè)計(jì)方式有多種多樣，但基本構(gòu)型類似。

圖1 針?biāo)▏娮⑵魇疽鈭D

傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室具有多個(gè)噴注器，而絕大多數(shù)針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)只有一個(gè)噴注器，噴注器位于噴注面板中心，從噴注器噴出的推進(jìn)劑會在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)回流區(qū)，分別為燃燒室頭部的上回流區(qū)和針?biāo)^部的中心回流區(qū)，如圖2所示。上回流區(qū)主要是兩股推進(jìn)劑撞擊后向燃燒室頭部回流，富含外圈推進(jìn)劑，依靠推進(jìn)劑液滴蒸發(fā)冷卻噴注面板。下回流區(qū)是由于推進(jìn)劑在針?biāo)^部回流，富含中心路推進(jìn)劑，可促進(jìn)推進(jìn)劑液滴的二次霧化。

圖2 流場結(jié)構(gòu)

1.2 物理量定義

1)動(dòng)量比

動(dòng)量比是徑向推進(jìn)劑動(dòng)量與軸向推進(jìn)劑動(dòng)量之比，表達(dá)式為

(1)

2)阻塞率

阻塞率是針?biāo)^端全部徑向噴注孔的孔徑之和與針?biāo)ㄖ荛L之比，表達(dá)式為

(2)

式中：CBF為阻塞率，n為射流孔數(shù)目，Ds為射流孔直徑，Dp為針?biāo)ㄖ睆健?/p>

3)直徑比

直徑比是燃燒室直徑和針?biāo)ㄖ睆街龋磉_(dá)式為

(3)

式中：CDR為直徑比，Dc為燃燒室直徑。

2 工程研制

只要提到針?biāo)▏娮⑵?，TRW公司(現(xiàn)屬于諾斯羅普·格魯門公司)都是要首先提到的名字之一。TRW公司從60年代開始研究針?biāo)▏娮⑵髑耀@得專利，研制了多種不同的針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)，目前已有超過上百臺采用針?biāo)▏娮⑵鞯碾p組元發(fā)動(dòng)機(jī)成功地進(jìn)行了飛行[4]。表1給出了已工程應(yīng)用的典型針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)，表2給出了已研制的典型針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)。

TRW從1963年開始研制阿波羅登月艙下降發(fā)動(dòng)機(jī)(LMDE)[5-7]，在LDME計(jì)劃執(zhí)行的同時(shí)，TRW研制了110 N、440 N、890 N一系列小推力的栓式發(fā)動(dòng)機(jī)。隨后由LDME衍生而來的TR201發(fā)動(dòng)機(jī)用于德爾它運(yùn)載器的二級。從20世紀(jì)80年代起，通過一系列設(shè)計(jì)改進(jìn)使針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)具有可重復(fù)脈沖工作、面關(guān)機(jī)等能力，研制出一種變推力和快響應(yīng)的弗萊威特發(fā)動(dòng)機(jī)(PAPE)用于“哨兵”導(dǎo)彈[8]。對于傳統(tǒng)固定面積的噴嘴采用凝膠推進(jìn)劑在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后容易堵塞，TRW研制出使用凝膠推進(jìn)劑的面關(guān)機(jī)噴注器成功飛行[9]。推進(jìn)劑特性是決定發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一[10]，20世紀(jì)90年代開始研制采用液氧/煤油[11]、液氧/液氫[2]、液氧/酒精[13-14]等綠色無毒化推進(jìn)劑的針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)。美國宇航局提出的推進(jìn)和低溫先進(jìn)發(fā)展計(jì)劃中明確要求發(fā)展高性能低溫變推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[2]，正在研制TR-202發(fā)動(dòng)機(jī)。在導(dǎo)彈防御局液體助推器開發(fā)計(jì)劃的資助下，格魯曼公司研制了150 kN的TR-108發(fā)動(dòng)機(jī)[15]。TR-108發(fā)動(dòng)機(jī)是目前唯一采用多針?biāo)▏娮⑵鞯陌l(fā)動(dòng)機(jī)，針?biāo)▏娮⑵髋帕胁季譃橹虚g1個(gè)、四周均布6個(gè)。為進(jìn)一步降低成本，TRW研制了2900 kN液氫液氧TR-106針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)[16-18]。目前最具代表性的針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)為Merilin1D發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒效率在0.98以上，推質(zhì)比約180，是世界上性能最高的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1 工程應(yīng)用的典型針?biāo)▏娮⑵靼l(fā)動(dòng)機(jī)Table 1 Typical pintle injector rocket engines applied for engineering

表2 研制的典型針?biāo)▏娮⑵靼l(fā)動(dòng)機(jī)Table 2 Typical pintle injector rocket engines which have been studied

國內(nèi)在變推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究起步較晚，20 世紀(jì)70 年代開始進(jìn)行針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)的研究[19]。1983年國內(nèi)第一臺變推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車成功[20],北京航空航天大學(xué)[21]設(shè)計(jì)了基于機(jī)械定位雙調(diào)系統(tǒng)的氣氧/煤油變推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為57.30～864.70 N。國內(nèi)目前已飛行的變推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為嫦娥三號和嫦娥四號使用的7500 N下降級發(fā)動(dòng)機(jī)[22-23]，于2013年12 月首次完成嫦娥三號探測器地月轉(zhuǎn)移飛行的任務(wù)，2019年1月成功助力嫦娥四號探測器首次軟著陸月球背面。

3 霧化特性

霧化是噴注器最重要的工作過程，霧化質(zhì)量及霧場分布直接決定了蒸發(fā)、混合和燃燒特性，從而對燃燒裝置的燃燒性能、穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生重要影響。目前公開文獻(xiàn)中研究內(nèi)容主要集中在破碎過程、霧場形態(tài)、霧化角和混合特性等方面。

3.1 噴注方式

根據(jù)外圈推進(jìn)劑和中心路推進(jìn)劑噴注方式不同，可分為四種形式：徑向縫型和軸向縫型相結(jié)合、徑向縫型和軸向孔型相結(jié)合、徑向孔型和軸向縫型相結(jié)合、徑向孔型和軸向孔型相結(jié)合。針?biāo)▏娮⑵鬏S向推進(jìn)劑和徑向推進(jìn)劑的噴注方式直接決定了霧化過程及霧場形態(tài)，然而目前對于針?biāo)▏娮⑵髟O(shè)計(jì)還沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)流程。Rezende等[24]對不同噴注方式的單路流動(dòng)進(jìn)行了液流試驗(yàn)，指出匹配軸向和徑向的噴注方式要考慮到推進(jìn)劑性質(zhì)、質(zhì)量流量、混合比、燃燒室壁面冷卻需要的流量和加工制造等因素。一般情況下的優(yōu)選方案為軸向縫和徑向孔型相組合。對于推力小于1 kN的小發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)徑向孔尺寸小到不易精密加工時(shí)，選擇徑向縫型流動(dòng)。

3.2 霧化過程

從噴注器噴出的射流或液膜破碎為液滴的過程稱為推進(jìn)劑組元的霧化過程，分析噴嘴霧化過程是研究霧化機(jī)理的前提。對于徑向孔/軸向縫型的液液針?biāo)▏娮⑵?，Ninish等[25]認(rèn)為徑向射流和軸向液膜相撞會在撞擊點(diǎn)產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)在錐形液膜中增長并導(dǎo)致液膜不穩(wěn)定，振幅增長最大的波長占主導(dǎo)地位。動(dòng)量比大的擾動(dòng)頻率更高，霧化角更大。文獻(xiàn)[26-28]采用錐形液膜破碎模型對徑向縫/軸向縫型液態(tài)燃料中心配置的氣液針?biāo)▏娮⑵饕耗て扑檫^程進(jìn)行線性不穩(wěn)定性分析，指出噴注壓降越大或噴注通道狹縫越窄，液膜破碎長度和破碎時(shí)間越小。為了保證良好的霧化效果，噴注角度盡量取大些。

3.3 霧場形態(tài)

針?biāo)▏娮⑵鹘Y(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)直接影響霧場形態(tài)，因此分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對霧場形態(tài)的影響對設(shè)計(jì)針?biāo)▏娮⑵饔兄匾饬x。Cheng等[29]把徑向孔/軸向縫型液液針?biāo)▏娮卧撵F場形態(tài)分為封閉的弧形噴霧、斗篷狀液膜以及完全發(fā)展的扇形噴霧。方昕昕等[30]對軸向縫/徑向縫型液態(tài)燃料中心配置的氣液針?biāo)▏娮⑵黛F場形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究，指出氣液流量比較小時(shí)，霧場形態(tài)為錐形液膜。當(dāng)氣液流量比大于0.206后，霧化邊界可分為收縮段和等直徑段。

3.4 霧化角

針?biāo)▏娮⑵鞑徽摬捎脷庀嗤七M(jìn)劑還是液相推進(jìn)劑，其特有的結(jié)構(gòu)決定了軸向推進(jìn)劑與徑向推進(jìn)劑相撞后形成一個(gè)錐形霧場。霧化角直接影響了霧場結(jié)構(gòu)和液滴空間分布，因此很多學(xué)者通過理論分析或?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果擬合給出霧化角預(yù)測公式，以便更直接的為工程設(shè)計(jì)提供參考。Cheng等[31]通過理論分析建立徑向縫/軸向縫型液液針?biāo)▏娮⑵黛F化角理論模型，推導(dǎo)出霧化角預(yù)測公式為

(4)

成鵬[32]在徑向縫/軸向縫型霧化角基礎(chǔ)上，通過引入阻塞率得到的徑向孔/軸向縫型霧化角公式為

(5)

式中：CLMR為局部動(dòng)量比，CLMR=CTMR/CBF。

Boettcher等[33]推導(dǎo)出的徑向縫/軸向縫型氣氣針?biāo)▏娮⑵黛F化角公式為

(6)

Son等[34]對徑向縫/軸向縫型液體中心配置的氣液針?biāo)▏娮⑵黛F化角進(jìn)行試驗(yàn)研究，指出隨著徑向液體速度的增加，霧化角增大，離散角減小。通過對試驗(yàn)結(jié)果擬合給出霧化角與動(dòng)量比和韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系式為

θ=38.86(We/CTMR)0.096

(7)

方昕昕等[27]分析了狹縫寬度、氣液流量比對徑向縫/軸向縫型液態(tài)燃料中心配置的氣液針?biāo)▏娮⑵黛F化角的影響規(guī)律，指出隨著氣液流量比的增大霧化角持續(xù)降低，并且在由正角度變?yōu)樨?fù)角度的地方降低趨勢最快。Blakely等[35]對徑向圓形射流和矩形射流在液膜下的破碎過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，認(rèn)為射流形狀對霧化角影響很小。

3.5 液滴粒徑空間分布

噴注器霧化后的液滴粒徑小且空間分布均勻是推進(jìn)劑有效混合和氣化的必要條件。成鵬[32]對徑向孔/軸向縫型的液液針?biāo)▏娮⑵鲊婌F液滴尺寸分布進(jìn)行分析，指出SMD沿徑向先減小后增大，接著又減小，類似于向左側(cè)臥的字母“S”。方昕昕等[30]指出徑向縫/軸向縫型氣液針?biāo)▏娮⑵饕旱蜸MD沿噴注軸向均勻不變，沿徑向增加。隨著氣液流量比的增大液滴SMD減小，而粒徑分布均勻度指數(shù)先降低而后有所回升。粒徑分布均勻度指數(shù)與狹縫寬度的乘積近似為常值0.35。Ninish等[25]給出隨著徑向射流速度增大，液膜變薄，液膜霧化的液滴更細(xì)。

3.6 混合特性

噴注器霧化后的混合特性對燃燒效率起決定性作用，但目前對針?biāo)▏娮⑵骰旌咸匦缘难芯亢苌?。Radhakrishnan等[36]研究了氣液針?biāo)▏娮⑵鞯幕旌咸匦?，指出液體速度小時(shí)散射角大，射流在軸向氣流作用下很好地加速并且在大范圍內(nèi)導(dǎo)致良好的混合，當(dāng)液體速度增加時(shí)混合質(zhì)量降低。

4 燃燒特性

燃燒特性是研究噴嘴的重要內(nèi)容，包括火焰結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火過程、燃燒效率、燃燒穩(wěn)定性等。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于針?biāo)^下方具有回流區(qū)，針?biāo)^容易燒蝕。為避免針?biāo)ㄡ斆睙g，Vasques等[37]對液氧/液甲烷針?biāo)▏娮⑵鞯膸缀涡螤钸M(jìn)行改進(jìn)，通過減小跳躍距離、頭部鉆孔、設(shè)計(jì)斜坡改變?nèi)剂狭鲃?dòng)方向和組合上述方法來改進(jìn)模型。Vasques認(rèn)為通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)偏轉(zhuǎn)板，性能和可靠性可以得到改善。通過二次徑向孔和修改偏轉(zhuǎn)角可以組織混合比和相關(guān)的壁面?zhèn)鳠崽匦浴?/p>

4.2 流場結(jié)構(gòu)

由于針?biāo)▏娮⑵魅紵伊鲌鲇歇?dú)特的特征，不少學(xué)者對針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)開展了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究工作。李進(jìn)賢等[38]、張連博等[39]和周康等[40]通過對針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬均指出中心回流區(qū)起了擋板和混合器的作用，加劇推進(jìn)劑液滴的二次破碎和摻混燃燒效果。方昕昕[41]對液氧/甲烷氧化劑中心配置的氣液針?biāo)▏娮⑵魅紵^程進(jìn)行數(shù)值仿真研究，隨著噴注器伸進(jìn)燃燒室長度增加，外圍回流區(qū)尺寸變大，但中心回流區(qū)變化不大。隨著徑向液氧孔尺寸增加或液氧噴注角度增加，外圍回流區(qū)變化不大，而中心回流區(qū)減小，因?yàn)閺较蛞貉蹩壮叽缭黾?，液氧液滴會向燃燒室中心靠攏，壓縮中心回流區(qū)使得回流區(qū)變小。針?biāo)▏娮⑵餍纬傻倪@些燃燒室流場特征有助于提高燃燒性能和穩(wěn)定性。

4.3 點(diǎn)火過程

點(diǎn)火過程是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作的重要組成部分，點(diǎn)火過程直接影響了可靠性和工作效率。若點(diǎn)火瞬態(tài)過程發(fā)生點(diǎn)火壓強(qiáng)峰較高、點(diǎn)火延遲和熄火等異常就會造成任務(wù)失敗或更嚴(yán)重的后果。Sakaki等[42]對軸向縫/徑向縫型液氧酒精針?biāo)▏娮⑵鬟M(jìn)行燃燒試驗(yàn)。在點(diǎn)火過程中測到一個(gè)強(qiáng)的燃燒壓力峰，在0.25 s時(shí)開始震蕩，壓力震蕩是由于燃料路壓降振蕩引起的。試驗(yàn)進(jìn)行了硬起動(dòng)和平穩(wěn)起動(dòng)兩種起動(dòng)方式。硬啟動(dòng)壓力峰值高且隨著O/F增大而減小，在氧燃比為1.4時(shí)是平均壓力的3倍，認(rèn)為在液態(tài)燃料和氣態(tài)氧充滿火炬點(diǎn)火器附近，點(diǎn)火后火焰向上游傳播。在平穩(wěn)啟動(dòng)方式中沒有壓力峰。

4.4 火焰結(jié)構(gòu)

分析火焰結(jié)構(gòu)是研究火焰穩(wěn)定機(jī)理的重要方法。Sakaki等[43]通過試驗(yàn)得到在兩個(gè)推進(jìn)劑撞擊點(diǎn)附近有強(qiáng)發(fā)光， CH發(fā)射強(qiáng)度在上壁附近和針?biāo)^下游較弱。周康等[40]認(rèn)為氧氣和甲烷燃燒反應(yīng)穩(wěn)定時(shí)會產(chǎn)生較大的火焰錐角，溫度場呈現(xiàn)帶狀分布。跳躍距離減小，火焰錐角不變。環(huán)縫寬度增加，動(dòng)量比增加，火焰錐角增加。韓泉東等[44]通過數(shù)值模擬也得到了燃燒室內(nèi)存在較為明顯的反應(yīng)火焰峰，且火焰峰高溫區(qū)沿軸向呈“帶狀”分布，認(rèn)為液滴的蒸發(fā)和燃燒大致上沿著燃燒室軸向。Son等[45]通過數(shù)值模擬也得到動(dòng)量比小，火焰角小。因此，最影響火焰角的參數(shù)是動(dòng)量比。

4.5 燃燒場中霧場形態(tài)

為更好地分析霧化與燃燒之間的關(guān)系，學(xué)者們通過燃燒室開窗同步觀測霧化和燃燒過程。Sakaki等[43]得到燃燒時(shí)的霧場如圖3所示，指出在撞擊點(diǎn)A附近有濃密的霧場，接著形成弧形結(jié)構(gòu)B，試驗(yàn)清楚地觀察到了弧形結(jié)構(gòu)B氣化過程C，但有一部分沒有汽化，運(yùn)動(dòng)到了燃燒室上壁D。推進(jìn)劑的一部分運(yùn)動(dòng)到了E。在燃燒條件下霧化角主要受動(dòng)量比的影響，噴霧穿透深度主要受到噴注速度的影響。成鵬[32]指出燃料射流在氧氣氣膜撞擊下形成扇形噴霧，可以觀察到燃料射流與氧氣氣膜撞擊后形成的撞擊波結(jié)構(gòu)，撞擊波向下游發(fā)展，最終導(dǎo)致噴霧呈塊狀脫落破碎。在燃燒環(huán)境下，噴霧不斷蒸發(fā)，因此越往下游噴霧變得越稀薄。

圖3 霧場結(jié)構(gòu)[43]

4.6 溫度場

針?biāo)▏娮⑵髟诠こ虘?yīng)用中出現(xiàn)最多的問題就是針?biāo)^部燒蝕，因此分析溫度場對針?biāo)▏娮⑵髟O(shè)計(jì)有重要意義。張連博等[39]對針?biāo)▏娮⑹诫p組元MMH/NTO自燃推進(jìn)劑液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真，認(rèn)為針?biāo)^部最高溫度為898.2 K，低于正常工作溫度，因而能確保發(fā)動(dòng)機(jī)針?biāo)ㄕ９ぷ鞯陌踩浴＠钸M(jìn)賢等[38]給出在文章工況下針?biāo)^部也未超過1400 K,在材料的許可范圍內(nèi)。俞南嘉等[46]根據(jù)動(dòng)量比 1工況下的溫度分布認(rèn)為燃燒室壁面上游區(qū)域存在由氧化劑形成的液膜低溫區(qū)，該液膜對發(fā)動(dòng)機(jī)壁面起到冷卻的作用。周康等[40]認(rèn)為跳躍距離減小，反應(yīng)釋熱區(qū)域變寬，燃燒室內(nèi)平均溫度增加?？p寬度增加，動(dòng)量比增加，燃燒室內(nèi)平均溫度減小。Sakaki等[47]通過熱電偶測試結(jié)果得到在撞擊點(diǎn)下游和臺階上方溫度較高。

4.7 燃燒效率

研究者們最關(guān)注的發(fā)動(dòng)機(jī)性能就是燃燒效率。李進(jìn)賢等[38]認(rèn)為隨著針?biāo)ㄉ钊腴L度的增加，蒸發(fā)效率降低，但燃燒效率增加。俞南嘉等[46]給出動(dòng)量比接近1時(shí)，霧化混合效果最好，燃燒效率最高。周康等[40]認(rèn)為跳躍距離減小，反應(yīng)釋熱區(qū)域變寬，燃燒室內(nèi)平均溫度增加。Fang等[48]認(rèn)為燃燒室特征長度越大，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率也越大，但是發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量越大，并且燃燒室特征尺寸大于1以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率提高幅度很小，建議燃燒室特征長度選在1附近。成鵬[32]認(rèn)為在富燃條件下燃燒效率主要受混合比的影響，燃燒效率隨著混合比增加而增大。Sakaki等[47]在平面矩形燃燒室和平面軸對稱燃燒室熱試中均得到燃燒效率隨著動(dòng)量比增加而降低，因?yàn)閯?dòng)量比大時(shí)很多推進(jìn)劑撞到了上壁面，同時(shí)燃燒室上壁面溫度也增加，但軸對稱燃燒室效率高于矩形燃燒室。因?yàn)檩S對稱燃燒室中液滴可徑向移動(dòng)，液滴間距增加，增強(qiáng)了液滴蒸發(fā)。

4.8 燃燒不穩(wěn)定

燃燒不穩(wěn)定性問題幾乎在每個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中都經(jīng)歷過，其中高頻燃燒不穩(wěn)定是制約發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的瓶頸[49]。由于針?biāo)▏娮⑵鳘?dú)特的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際工程研制過程中還未出現(xiàn)過實(shí)質(zhì)性的高頻不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。Sakaki團(tuán)隊(duì)對針?biāo)▏娮⑵魅紵环€(wěn)定性開展了一系列試驗(yàn)研究，Sakaki等[43]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)燃燒室壓力在300～320 Hz附近振蕩，認(rèn)為振蕩與霧化過程、化學(xué)反應(yīng)之間的耦合有關(guān)。隨后在軸對稱燃燒室試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些工況下燃燒室壓力存在400 Hz的振蕩主頻，最大壓力振幅超過了燃燒室平均壓力的50%。于是進(jìn)一步進(jìn)行觀測試驗(yàn)[50]，發(fā)現(xiàn)有1000 Hz左右的高頻不穩(wěn)定，通過結(jié)合高頻壓力數(shù)據(jù)和CH*自發(fā)輻射圖像動(dòng)態(tài)分解結(jié)果，最后確定1000 Hz左右的高頻不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象是熱釋放與一階縱向聲學(xué)振蕩的耦合所致，400 Hz左右的低頻不穩(wěn)定可能與熵波的傳播過程有關(guān)。

5 設(shè)計(jì)方法

通過一系列研究總結(jié)出標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法是學(xué)者們的共同目標(biāo)。安鵬等[51]參考國內(nèi)外研究成果對針?biāo)▏娮⑵髟O(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié)，給出了參數(shù)選取原則。Son等[52]認(rèn)為氣液快速混合和較大的噴霧面是推進(jìn)劑快速燃燒的前提，因此將霧化角和液滴粒徑作為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，針對徑向縫/軸向縫型針?biāo)▏娮⑵鹘⒘嗽O(shè)計(jì)流程。

6 綜合評價(jià)與發(fā)展趨勢

針?biāo)▏娮⑵饕言诙鄠€(gè)型號的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)中成功使用，并驗(yàn)證了針?biāo)▏娮⑵骶哂懈咝阅?、低成本和推力可調(diào)等優(yōu)勢。雖然對針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了很多工程研制且取得了一定的成績，但基礎(chǔ)理論研究工作還較少。為深入認(rèn)識針?biāo)▏娮⑵髟谧兺屏σ后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的工作特性，需要對基礎(chǔ)理論進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。

在工程研制方面，國內(nèi)外成功飛行的變推力針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)均采用液液針?biāo)▏娮⑵?。所以?yīng)在研究液液針?biāo)▏娮⑵鞯幕A(chǔ)上，對氣液針?biāo)▏娮⑵骱蜌鈿忉標(biāo)▏娮⑵鏖_展研究，探究適用于液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、液氧甲烷和液氧液氫膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)采用的氣液針?biāo)▏娮⑵骷耙貉跫淄槿髁堪l(fā)動(dòng)機(jī)采用的氣液針?biāo)▏娮⑵骱蜌鈿忉標(biāo)▏娮⑵鞯墓ぷ魈匦浴?/p>

在針?biāo)▏娮⑵黛F化特性方面，開展最多的研究工作是分析霧化過程、霧化角、霧場形態(tài)和液滴粒徑分布等。由于混合特性直接決定了燃燒性能，下漏率對針?biāo)^部燒蝕有影響，建議進(jìn)一步深入分析針?biāo)▏娮⑵鞯幕旌咸匦院拖侣┞省Ｆ浯螐囊延械脑囼?yàn)結(jié)果來看絕大多數(shù)針?biāo)▏娮⑵黛F化試驗(yàn)都在大氣壓下進(jìn)行，為了研究結(jié)果更接近真實(shí)工作狀態(tài)，應(yīng)對針?biāo)▏娮⑵髟诜磯合碌撵F化特性開展研究。此外氣液針?biāo)▏娮⑵黛F化特性主要集中在徑向縫/軸向縫型，文獻(xiàn)[48]表明徑向孔型比徑向縫型的燃燒效率高，因此接下來可對徑向孔型的氣液針?biāo)▏娮⑵鏖_展研究。

在針?biāo)▏娮⑵魅紵匦苑矫妫S著光學(xué)觀測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者采取燃燒室開窗方法同步觀察噴霧燃燒過程，初步掌握了火焰結(jié)構(gòu)特征及流場結(jié)構(gòu)。下一步還需要研究連續(xù)變工況下的火焰特征及燃燒特性，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注針?biāo)^部、噴注器面板和燃燒室壁面的溫度分布。此外，雖然目前在工程研制中還沒有遇到針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)存在高頻燃燒不穩(wěn)定，但有學(xué)者在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了1000 Hz的壓力震蕩，接下來應(yīng)對針?biāo)▏娮⑵鞯娜紵€(wěn)定性進(jìn)行深入研究。

7 結(jié)束語

變推力針?biāo)òl(fā)動(dòng)機(jī)是未來高性能、低成本、重復(fù)使用的航天液體動(dòng)力發(fā)展趨勢。本文從針?biāo)▏娮⑵鞯幕靖拍睢⒐こ萄兄?、霧化特性及燃燒特性等方面介紹了研究歷史和現(xiàn)狀，并對研究進(jìn)展做了簡要評述，展望發(fā)展趨勢，加深了對變推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中針?biāo)▏娮⑵鞯恼J(rèn)識。