脉冲操作下喷嘴与燃烧室结构对旋转爆震火箭发动机性能影响的实验研究

为解决旋转爆震火箭发动机（RDRE）在高频脉冲工况下的快速响应与稳定性问题，研究人员通过实验分析了7种喷嘴-燃烧室组合对RDW（旋转爆震波）传播模式、建立时间及推进性能的影响。结果表明，腔式燃烧室与拉瓦尔喷嘴组合可显著提升爆震波速度（2.1 km/s）和推力性能，且爆震波建立时间短于单脉冲周期的10%。该研究为航天器姿态控制等短脉冲应用提供了关键技术支撑。

　　

在航天器姿态控制等短脉冲推进场景中，传统化学火箭发动机面临效率瓶颈，而基于爆震燃烧的旋转爆震火箭发动机（Rotating Detonation Rocket Engine, RDRE）因其热循环效率高达26.4%备受关注。然而，高频脉冲（如10 Hz）下RDRE的快速启动、爆震波（Rotating Detonation Wave, RDW）稳定性及推力优化仍是技术难点。针对这一挑战，中国某高校的研究团队在《Results in Engineering》发表论文，系统考察了喷嘴与燃烧室结构对RDRE脉冲性能的影响。

研究团队设计了7种发动机构型，包括空心/环形/腔式燃烧室与无喷嘴/塞式喷嘴/拉瓦尔喷嘴的组合。通过高频压力传感器（采样率2 MS/s）和推力测量系统，同步采集爆震波压力信号（如P₁/P₂相位差分析传播模式）及推力数据，结合短时傅里叶变换（STFT）分析稳定性，并统计不同当量比（Equivalence Ratio, ER=0.6-1.4）下的爆震波建立时间（t_D）和传播速度。

3.1 发动机工作过程分析
实验观察到拉瓦尔喷嘴使尾焰长度增加50%，表明其显著提升燃气流速。高频压力信号显示RDW峰值压力稳定在2.5 bar（图7），且推力曲线与压力变化同步（图9），验证了10 Hz脉冲操作的可行性。

3.2 RDW传播特性
腔式燃烧室因回流区促进燃料混合，其压力振荡幅度较环形燃烧室降低31%（图11）。拉瓦尔喷嘴导致爆震波速度达2.1 km/s，比塞式喷嘴高16.7%（图18），但会诱发双波模式（图12），而塞式喷嘴在ER=1.4时建立时间最短（<1 ms）。

3.3 爆震波建立特性
所有构型的t_D均小于单脉冲时长（50 ms）的10%，其中腔式燃烧室+拉瓦尔喷嘴组合的t_D最长（4.9 ms），而环形燃烧室+塞式喷嘴仅需0.8 ms（图15），表明后者更适合快速响应场景。

3.4 推力性能
拉瓦尔喷嘴使推力提升30 N（图20），腔式燃烧室在ER=1.4时比环形燃烧室推力高15%。比冲（I_sp）计算显示，该组合在富燃条件下性能最优。

该研究首次证实了腔式燃烧室与拉瓦尔喷嘴组合在高频脉冲下的综合优势：爆震波速度（2.1 km/s）和推力性能显著提升，且建立时间满足短脉冲需求。这一发现为RDRE在航天器机动控制中的应用提供了实验依据，未来可通过优化喷嘴收缩比（如20°半角设计）进一步平衡启动速度与推力稳定性。研究团队指出，喷嘴引起的流动压缩效应（如拉瓦尔喷嘴的激波系统）是性能差异的关键，后续需结合三维流场仿真揭示微观机制。