摘 要: 針栓噴注器具有結構簡單、可靠性高、燃燒穩(wěn)定，可實現(xiàn)深度節(jié)流、面關機、機構可按 比例縮放、成本低等顯著優(yōu)點，以其為基礎的推力調節(jié)技術是一種實現(xiàn)液體火箭發(fā)動機變推力方 案的有效途徑，得到了廣泛的應用。基于國內外針栓噴注器及針栓式發(fā)動機技術的發(fā)展現(xiàn)狀和應 用實例，著重從噴注器霧化性能和發(fā)動機燃燒流動問題 2 個方面進行了分析，在此基礎上提出了對 噴注器及發(fā)動機技術研究方向和研究重點的建議。

　　關鍵詞: 針栓噴注器; 液體火箭發(fā)動機; 推力調節(jié); 霧化性能; 燃燒性能

　　0 引言

　　變推力液體火箭發(fā)動機具有廣闊的應用范圍和良好的應用前景，目前主要應用于衛(wèi)星入軌與降 落、空間交會、軌道機動、空間定位和穩(wěn)定、運載火 箭回收與重復利用等方面[1-2]。此外，在發(fā)動機推力控制、彈道防御導彈軌道控制和組合發(fā)動機轉級 等方面也有一定的需求[3]。目前實現(xiàn)發(fā)動機推力 調節(jié)的技術途徑主要包括[4]: 調節(jié)固定噴注器壓降 ( 如控制閥門等) ; 在噴注器上游管路注入惰性氣體 調節(jié)推進劑流量; 通過多路歧管的開閉調節(jié)有效噴 注面積; 通過可移動部件調節(jié)噴注面積; 調節(jié)噴管 喉部面積; 采用多個獨立的燃燒室; 調節(jié)脈沖參數(shù) ( 脈寬、重復頻率等) 。

　　針栓噴注器是一種通過可移 動部件調節(jié)噴注面積的推力調節(jié)裝置，具有結構簡 單、可靠性高、操作安全[5]、燃燒穩(wěn)定[6]、可實現(xiàn)深 度節(jié)流和面關機、可擴展性好[7]等優(yōu)良特性，可實 現(xiàn)發(fā)動機大范圍( 4∶ 1 以上) 推力調節(jié)。美國 TRW ( Thompson-Ramo-Wooldridge Inc) 的 MIRA5000 發(fā)動 機，在保證穩(wěn)定工作的前提下最大可實現(xiàn) 35∶ 1 的推 力變比。

　　采用針栓噴注器的發(fā)動機飛行成功率較 高。針栓式發(fā)動機的推力適 用范圍非常寬 ( 達 130 000∶ 1) ，最大推力的針栓式發(fā)動機為 TRW 的 TR106 發(fā) 動 機，采 用 LH2 /LOX 推 進 劑，推 力 為 2 900 kN; 最小推力的針栓式發(fā)動機為 TRW 用于 “光亮鵝卵石計劃”的一款發(fā)動機，采用 N2O4 /肼推 進劑，推力為 22 N。該噴注器的推進劑適用性較 好，迄今為止已成功試驗過 20 余種不同的推進劑組 合，其中包括煤粉和空氣組合。

　　此外，該噴注器還 有燃燒穩(wěn)定的先天優(yōu)勢，在迄今所有的針栓式發(fā)動 機地面試驗及飛行試驗中，很少發(fā)生實質性的燃燒 不穩(wěn)定[8]。由此可見，針栓噴注器及以其為基礎的 推力調節(jié)技術具有極大的應用潛力。本文在總結 回顧針栓推力調節(jié)技術發(fā)展歷程和應用實例的基 礎上，重點從針噴注器霧化特性及針栓式發(fā)動機燃 燒流動問題兩個方面進行了總結分析，提出了針栓 噴注器及相應的發(fā)動機技術研究中需要重點關注的問題。

　　1 針栓噴注器技術的發(fā)展

　　1. 1 針栓噴注器的起源與典型結構

　　針栓噴注器起源于 19 世紀 50 年代美國 JPL ( Jet Propulsion Laboratory) 用于研究推進劑反應特 性的裝置，此裝置就是針栓噴注器的雛形。1960 年 JPL 相關人員轉至 TRW 繼續(xù)進行針栓 噴注器研制工作，隨著研究的不斷深入，針栓噴注 器的構型不斷改進，實現(xiàn)了推力可調，可快速脈沖工作及可實現(xiàn)面關機等功能[8]。其中心徑向流道( 綠色部分) 是一個帶針栓帽的管道或頂端開孔的中空針栓，環(huán) 縫型軸向流道( 紫色部分) 由調節(jié)套筒與底座形成， 燃料和氧化劑分別從兩個流道流出并發(fā)生碰撞霧 化，通過改變調節(jié)套筒的位置可以在保證所需混合 比的情況下實現(xiàn)推進劑流量的大范圍同步調節(jié)，進 而調節(jié)發(fā)動機推力。

　　1. 2 針栓式發(fā)動機的發(fā)展與應用

　　美國在針栓式發(fā)動機研究領域處于領先地位， 有很多典型的應用。國內在該領域的研究起步較 晚，目前唯一的實際應用是嫦娥三號的 7 500 N 下 降級發(fā)動機。此外，開展相關研究的國家還包括日 本、韓國、印度、德國等。

　　2 針栓噴注器霧化性能

　　在液體火箭發(fā)動機工作過程中，推進劑經(jīng)過噴 射、霧化、蒸發(fā)、混合反應、膨脹加速產生反推力來 提供發(fā)動機的動力。噴注器的霧化性能對推進劑 的蒸發(fā)、混合和燃燒有至關重要的影響，并直接影 響發(fā)動機的性能。針栓噴注器 推力室流場結構與平面噴注器推力室流場結構有 明顯的不同，平面噴注器推力室中推進劑沿推力室 截面均勻分布，液滴軌跡近似沿軸線方向; 而針栓 式推力室中液滴初始軌跡與燃燒室軸線有很大的 角度，推力室中存在兩個較大的回流區(qū)，即頭部回 流區(qū)和中心回流區(qū)�；亓鲄^(qū)的大小和位置受到噴 射錐角等參數(shù)的影響，并影響推進劑的蒸發(fā)、混合 及燃燒過程。

　　平面噴注器推力室中液滴沿軸線運 動且分布較均勻，液滴間發(fā)生相互碰撞的概率低， 二次破碎的程度相對較低; 而在針栓噴注器推力室中，由于液滴與室壁的撞擊作用及回流區(qū)的存在， 液滴間發(fā)生相互碰撞的概率高，二次破碎程度相對 較高。因此針栓噴注器和平面噴注器液流破碎霧 化的動力學過程有所不同，需要進行深入研究。目 前研究人員主要采用試驗、理論和數(shù)值仿真等方法 開展相關的研究工作。

　　3 針栓式發(fā)動機的燃燒流動問題

　　在液體火箭發(fā)動機中，燃燒流動過程將推進劑 的化學能轉化為燃氣的內能，進而轉化為發(fā)動機的 動能，在發(fā)動機工作過程中尤為重要。針栓式發(fā)動 機具有特殊的流場結構，首先需要研究發(fā)動機、噴 注器結構參數(shù)和流動參數(shù)對燃燒性能的影響，評定 燃燒效率; 其次需要對發(fā)動機和噴注器的熱環(huán)境進 行分析，避免發(fā)動機工作過程中各部件過熱損壞; 最后還需要對發(fā)動機中的燃燒不穩(wěn)定問題進行分 析，確保發(fā)動機安全可靠工作。

　　對上述 3 方面問題進行研究的方法主要有實驗 和數(shù)值仿真 2 種。關于針栓式發(fā)動機燃燒流動過程 及整機性能的試驗研究中，嘗試了液氧/液甲烷[16]、 液氧/煤油[18]、過氧化氫/甲醇[41]、液氧/酒精[42-43]、 MMH /NTO[44]等不同推進劑體系�？� 結 了 針 栓噴注器試驗過的所有推進劑組合。針栓式發(fā)動 機推力室噴霧燃燒過程的數(shù)值仿真中，湍流模型 一般采用 k-ε 模型，兩相反應流動中氣相方程在歐 拉坐標系下建立，液相方程在拉格朗日坐標系下 建立，兩相之間的耦合用氣液相互作用的源項考慮。

　　機械論文投稿刊物：推進技術辦刊宗旨是反映我國航空航天動力裝置領域的科學技術進展，促進學術交流和科技成果向生產力的轉化，推動科技進步和人才成長。

　　4 總結與展望

　　針栓噴注器為大流量液體噴射問題提供了一 個獨特的解決方案。由于針栓噴注器具有結構簡 單、可靠性高、燃燒穩(wěn)定、可深度節(jié)流等優(yōu)點，這類 噴注器現(xiàn)已在液體火箭發(fā)動機領域獲得了廣泛應 用，并表現(xiàn)出良好的應用潛力。然而，公開文獻中 有關針栓噴注器的基礎研究( 如噴注器霧化機理、 燃燒穩(wěn)定性機理等) 較少，其設計工作很大程度上 依賴于工程經(jīng)驗( 如將過熱部分材料替換為耐熱材 料，依靠試驗確定使得霧化性能良好的噴注器關鍵 參數(shù)等) ，因此需要對針栓噴注器進行深入研究，以 提高其工作性能。

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　　作者：石 璞1 ，朱國強1 ，李進賢1 ，侯 曉2