火箭“燃烧振荡”，背后原因为何？

文|陈根

此前，美国土星5号运载火箭在发射升空过程中，由于出现了纵向耦合振动，5台发动机中有2台在第二级火箭燃烧期间提前关闭，第三级也未能重新点燃。同时期苏联为登月研制的N-1运载火箭，进行的4次飞行试验全部失败，其中3次是由振荡造成。

据统计，运载火箭和航天器出现故障，很大一部分原因来自振荡。航天工程中，认识振荡与抑制振荡占了不小的工作量。尤其是火箭发动机在工作时，因为其包含封闭燃烧系统，本质上形成了燃烧室。

在燃烧室中，紊流燃料和氧化剂流、声波和化学反应产生的热之间的非线性相互作用，导致了“燃烧振荡”的不稳定现象。这些振荡对燃烧室本体的影响，高到足以致使发动机产生灾难性故障。

也就是说，振荡燃烧是由于燃烧室内的燃烧过程与系统内部声压波动相互耦合而产生的自激振荡现象。振荡燃烧会对在稳定状态下工作的推进系统结构造成很大影响，可能致使发动机振动加剧和热负荷增加，从而使发动机部件遭到破坏和烧蚀。因此，了解并解决燃烧振荡问题，是火箭发动机研制中的一大关键。

近日，东京科学大学的研究人员利用复杂系统的高级时间序列分析，揭示了火箭燃烧室中高频燃烧振荡形成和背后维持的物理机制。

研究人员选用火箭发动机模型作为燃烧器的一种，其能精确指出从稳定燃烧状态到燃烧振荡的过渡时刻，并将其形象化。喷油器中显著的周期性流动速度波动会影响点火过程，从而导致热释放率的变化。

而热释放率的波动与燃烧室内的压力波动同步，整个循环以一系列反馈回路的形式继续，以支持燃烧振荡。此外，通过考虑压力和热释放率波动的空间网络，在靠近喷射管边缘的燃烧室剪切层中，声功率簇周期性地形成和坍塌，进一步推进了燃烧振荡。

该研究具有重要意义，一定程度上，为燃烧振荡的发生提供了合理的解答机制。未来，其有望为发动机燃烧振荡的新探索打开大门。