陳根：火箭“燃燒振盪”，背後原因為何？_風聞

文|陳根

此前，美國土星5號運載火箭在發射升空過程中，由於出現了縱向耦合振動，5台發動機中有2台在第二級火箭燃燒期間提前關閉，第三級也未能重新點燃。同時期蘇聯為登月研製的N-1運載火箭，進行的4次飛行試驗全部失敗，其中3次是由振盪造成。

據統計，運載火箭和航天器出現故障，很大一部分原因來自振盪。航天工程中，認識振盪與抑制振盪佔了不小的工作量。尤其是火箭發動機在工作時，因為其包含封閉燃燒系統，本質上形成了燃燒室。

在燃燒室中，紊流燃料和氧化劑流、聲波和化學反應產生的熱之間的非線性相互作用，導致了“燃燒振盪”的不穩定現象。這些振盪對燃燒室本體的影響，高到足以致使發動機產生災難性故障。

也就是説，振盪燃燒是由於燃燒室內的燃燒過程與系統內部聲壓波動相互耦合而產生的自激振盪現象。振盪燃燒會對在穩定狀態下工作的推進系統結構造成很大影響，可能致使發動機振動加劇和熱負荷增加，從而使發動機部件遭到破壞和燒蝕。因此，瞭解並解決燃燒振盪問題，是火箭發動機研製中的一大關鍵。

近日，東京科學大學的研究人員利用複雜系統的高級時間序列分析，揭示了火箭燃燒室中高頻燃燒振盪形成和背後維持的物理機制。

研究人員選用火箭發動機模型作為燃燒器的一種，其能精確指出從穩定燃燒狀態到燃燒振盪的過渡時刻，並將其形象化。噴油器中顯著的週期性流動速度波動會影響點火過程，從而導致熱釋放率的變化。

而熱釋放率的波動與燃燒室內的壓力波動同步，整個循環以一系列反饋迴路的形式繼續，以支持燃燒振盪。此外，通過考慮壓力和熱釋放率波動的空間網絡，在靠近噴射管邊緣的燃燒室剪切層中，聲功率簇週期性地形成和坍塌，進一步推進了燃燒振盪。

該研究具有重要意義，一定程度上，為燃燒振盪的發生提供了合理的解答機制。未來，其有望為發動機燃燒振盪的新探索打開大門。