Study of High-Frequency Combustion Instability of Rocket Engines Based on Off-Design Combustion Model

基于非设计燃烧模型的火箭发动机高频燃烧不稳定性研究

• 批准号: 21K03925
• 负责人: 苅田 丈士
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Chubu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03925/
• 关键词: ロケットエンジン; 高周波振動; 燃焼; 火炎; 伝播; 周期

ロケットエンジン高周波振動燃焼について実験を行い、メカニズムの解明を進めた。これまでにOff-Designモデルに基づいた0.1ミリ秒から1ミリ秒の短秒時間での、燃焼圧力前の数倍の圧力上昇が、隣接する燃焼領域へ伝搬することを確認できていた。今年度は点火プラグの周期を130ミリ秒に延長し、1度の着火後に再度、強制着火を行わないようにして燃焼実験を行った。その結果、同一の燃焼領域で5回以上の繰返し燃焼がおきることを観察した。燃焼間隔は10ミリ秒程度と高周波振動燃焼としては長すぎるが、昨年度確認した火炎の空間伝搬により、ロケットエンジン燃焼器内の複数個所でこの異常燃焼がおきた場合、1ミリ秒以下の圧力振動が継続して生じることとなる。その場合、ロケットエンジンに過大な圧力と熱負荷がかかり、溶損することとなる。来年度の成果は、Off-Designモデルの妥当性を裏付ける結果となった。掃気時間により燃焼間隔が変動することを確認することができた。またOff-Design燃焼の起きる、燃焼器噴射面上の半閉鎖空間の外部からの着火による燃焼実験を行った。2連の燃焼室のうち一方では、最大圧力上昇が50％、20ミリ秒周期のsin波形圧力変動が測定された。これまでに観察されたことのなかった波形である。解析の結果、未燃混合気が振動した場合の周期とほぼ一致することが明らかとなった。Off-Designモデルのような半閉鎖空間での燃焼ではない場合には、半閉鎖空間での燃焼は1か所に留まり、隣接部では燃焼がおきず、また1ミリ秒以下の短時間での大きな圧力振幅を有する振動とはならないことが明らかとなった。

我们开展了火箭发动机高频振动燃烧实验，并在阐明其机理方面取得了进展。到目前为止，我们已经能够根据 Off-Design 模型确认，数倍于预燃烧压力的压力增量会在 0.1 至 1 毫秒的短时间内传播到相邻燃烧区域。本财年，我们将火花塞周期延长至130毫秒，并通过防止第一次点火后再次发生强制点火来进行燃烧实验。结果，我们观察到在同一燃烧区域内重复燃烧发生了五次或更多次。燃烧间隔约为10毫秒，对于高频振荡燃烧来说太长，但由于去年证实的火焰空间传播，如果这种异常燃烧发生在火箭发动机燃烧室的多个位置，压力振荡小于1毫秒可能会持续发生。在这种情况下，火箭发动机将承受过大的压力和热负荷，导致熔化和损坏。明年的结果支持了非设计模型的有效性。已证实燃烧间隔随扫气时间而变化。我们还进行了燃烧实验，使用从燃烧器喷射表面上的半封闭空间外部点火的方式进行燃烧实验，其中发生非设计燃烧。在两个燃烧室之一中，测量到周期为 20 毫秒的正弦压力波动，最大压力上升为 50%。这是以前从未观察到的波形。分析的结果发现，该周期几乎对应于未燃烧空气-燃料混合物振荡的周期。如果燃烧不是像Off-Design模型那样在半封闭空间内进行，那么半封闭空间内的燃烧会停留在一个地方，相邻区域不会发生燃烧，并且会在短时间内发生燃烧小于1毫秒，很明显振动没有大的压力振幅。

项目成果

加藤里奈、山田かん奈、三品友揮、苅田丈士

加藤里奈、山田环奈、三品智树、卡田武

• 发表时间: 2021
• 作者: 三品友揮;苅田丈士;村松駿太;早迫奨真;Yoshihiko Haramura and Takayuki Morokuma;ロケットエンジン高周波振動モデルにおける当量比の測定
• 通讯作者: ロケットエンジン高周波振動モデルにおける当量比の測定

ロケットエンジンの高周波振動燃焼

火箭发动机中的高频振动燃烧

• 发表时间: 2022
• 作者: 青山紫音;石井寿磨;苅田丈士
• 通讯作者: 苅田丈士

中部大学 苅田研究室

中部大学神田实验室

ロケットエンジンの高周波振動燃焼に関する研究

火箭发动机高频振荡燃烧研究

• 发表时间: 2021
• 作者: 三品友揮;苅田丈士;村松駿太;早迫奨真
• 通讯作者: 早迫奨真

Experimental study on high-frequency combustion instability of liquid-propellant rocket engines using off-design combustion model

• DOI: 10.1016/j.actaastro.2022.11.006
• 发表时间: 2022-11
• 期刊: Acta Astronautica
• 影响因子: 3.5
• 作者: T. Kanda;Yuuki Mishina;Shoma Hayasako;Shunta Muramatsu;Kanna Yamada;R. Kato