燃烧室空腔对固体火箭发动机结构阻尼特性的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32527

流体力学与飞行力学

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燃烧室空腔对固体火箭发动机结构阻尼特性的影响

陈傲华¹, 陈林泉¹, 吴秋¹, 李军伟²(), 李强², 李毅¹

^1.西安航天动力技术研究所，西安 710025
^2.北京理工大学空天科学与技术学院，北京 100081

收稿日期:2025-07-08 修回日期:2025-08-06 接受日期:2025-09-18 出版日期:2025-10-17 发布日期:2025-10-09
通讯作者: 李军伟 E-mail:david78lee@bit.edu.cn

Influence of combustion chamber cavity on structural damping characteristics of solid rocket motors

Aohua CHEN¹, Linquan CHEN¹, Qiu WU¹, Junwei LI²(), Qiang LI², Yi LI¹

^1.Institute of Xi’an Aerospace Solid Propulsion Technology，Xi’an 710025，China
^2.School of Aerospace Engineering，Bejing Institute of Technology，Beijing 100081，China

Received:2025-07-08 Revised:2025-08-06 Accepted:2025-09-18 Online:2025-10-17 Published:2025-10-09
Contact: Junwei LI E-mail:david78lee@bit.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

大长径比固体火箭发动机在燃烧室易出现声不稳定燃烧导致发动机工作异常，为了对声不稳定燃烧有更为清晰的认识和有效的抑制，从系统阻尼的角度出发，通过使用OSCILOS求解器，基于声阻尼理论、紧致性假设和喷管声边界条件，开展了对不同空腔参数和工况进行阻尼数值仿真，对比分析了阻尼随燃面退移的变化，空腔不同位置和头部空腔大小对发动机阻尼系数的影响规律，研究了对声不稳定性的影响。研究发现，将尾部装药改为头部装药，在燃烧室长度和声腔固有频率不变的前提下，使用头部空腔可明显增大结构阻尼，在点火初始时刻增加约2倍；适当增加头部空腔大小可明显增大点火初始时刻的结构阻尼。结果表明，在固体火箭发动机上合理采用头部空腔并根据实际情况适当增大头部空腔大小，可有效抑制燃烧不稳定现象。

关键词: 固体火箭发动机, 空腔, 燃烧室, 阻尼, 声不稳定

Abstract:

Solid rocket motors with a large aspect ratio are prone to acoustic instability combustion in the combustion chamber， leading to abnormal engine operation. To gain a clearer understanding and effective suppression of acoustic instability combustion， from the perspective of system damping， damping numerical simulations were conducted using the OSCILOS solver. These simulations were conducted based on acoustic damping theory， compactness assumptions， and nozzle acoustic boundary conditions， considering different cavity parameters and operating conditions. The variation of damping with the regression of the combustion surface， the influence of different cavity positions and head cavity sizes on the engine damping coefficient， and the impact on acoustic instability were comparatively analyzed. The study found that changing the tail charge to a head charge can significantly increase structural damping at the initial ignition moment by approximately 2 times， provided that the combustion chamber length and acoustic cavity natural frequency remain unchanged. Properly increasing the size of the head cavity can significantly enhance structural damping at the initial ignition moment. The results indicate that reasonably adopting a head cavity in solid rocket motors and appropriately increasing the size of the head cavity according to actual conditions can effectively suppress combustion instability phenomena.

Key words: solid rocket engine, cavity, combustion chamber, damping, unstable sound

中图分类号:

V435

陈傲华, 陈林泉, 吴秋, 李军伟, 李强, 李毅. 燃烧室空腔对固体火箭发动机结构阻尼特性的影响[J]. 航空学报, 2026, 47(6): 132527.

Aohua CHEN, Linquan CHEN, Qiu WU, Junwei LI, Qiang LI, Yi LI. Influence of combustion chamber cavity on structural damping characteristics of solid rocket motors[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(6): 132527.

图/表 23

表1

图 1

图 2

图 3

表2

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图 5

图 6

图 7

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图 8

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图 11

表 4

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图 12

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图 15

参考文献 29

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

内径/mm	阻尼系数/s^-1		误差/%
内径/mm	实验值	仿真值	误差/%
60	-25	-25.786	3.144
80	-18	-18.029	0.161
100	-9	-9.167	1.856
120	-4	-4.167	4.175

声学模态	固有频率/Hz		误差/%
声学模态	实验值	计算值	误差/%
1阶	220	229.05	4.11
2阶	460	465.24	1.13

时刻阶数	0 s	1 s	3 s	最大误差/%
1	218.73	220.33	225.42	2.46
2	463.81	463.73	461.71	2.96
3	670.69	674.26	682.71	1.01
4	869.93	885.96	910.31	2.43
5	1 138.32	1 145.91	1 147.90	0.34

时间/s	平均流速（Ma）	反射系数 R
0	0.012 0	0.71
1	0.013 3	0.68
2	0.015 4	0.64
3	0.017 7	0.60

燃烧时间/s	1阶阻尼/s^-1	2阶阻尼/s^-1
0	-210.627	-200.697
1	-179.331	-172.604
2	-161.241	-158.27
3	-146.097	-144.234

燃烧室空腔对固体火箭发动机结构阻尼特性的影响

Influence of combustion chamber cavity on structural damping characteristics of solid rocket motors

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燃烧时间/s	头部空腔对应阻尼/s^-1	中部空腔对应阻尼/s^-1	尾部空腔对应阻尼/s^-1
1	-211.296	-109.543 4	-99.018 1
2	-158.298 1	-101.386	-93.748 1
3	-122.697 6	-93.663 7	-88.672 8
4	-97.347	-86.318 8	-83.681

燃烧时间/s	阻尼系数/s^-1
燃烧时间/s	无空腔	30 mm空腔	40 mm空腔	50 mm空腔	60 mm空腔	70 mm空腔	80 mm空腔
0	-87.902 6	-95.870 2	-103.595 9	-110.900 3	-118.731 4	-127.455 2	-137.234
1	-79.915 9	-91.664 1	-99.095 5	-104.969 7	-110.532 7	-116.305 7	-122.528 4
2	-75.390 9	-87.400 6	-95.273 5	-100.829 6	-105.481 2	-109.883 6	-114.354 1
3	-71.551 4	-83.372 2	-91.723	-97.463 1	-101.864 9	-105.676 2	-109.283 1
4	-68.408 4	-79.761 4	-88.335 2	-94.471 6	-98.972 3	-102.622	-105.859 4

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