火箭发动机燃烧室中的致命问题：“燃烧振荡”现象的原因被阐明

通过先进的技术分析，科学家揭示了困扰火箭发动机燃烧室的一个致命问题的机制。火箭发动机包含封闭的燃烧系统，本质上是燃烧室。在这些燃烧室中，湍流的燃料和氧化剂流动、声波和化学反应产生的热量之间的非线性相互作用，导致了一种被称为"燃烧振荡"的不稳定现象。

这些振荡对燃烧室主体的作用力--燃烧室的机械应力--高到足以威胁到发动机本体的灾难性故障。是什么导致了这些振荡？

现在，在《流体物理学》上发表的一项突破中，包括东京理科大学（TUS）的Hiroshi Gotoda教授、Satomi Shima女士和Kosuke Nakamura先生在内的团队与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的Shingo Matsuyama博士和Yuya Ohmichi博士合作，使用基于复杂系统的先进时间序列分析来寻找答案。

在解释他们的工作时，Gotoda教授说："我们的主要目的是利用受符号动力学和复杂网络启发的复杂分析方法，揭示圆柱形燃烧器中高频燃烧振荡的形成和维持的物理机制"。科学家们挑选模拟的燃烧器是模型火箭发动机中的一种。他们能够确定从稳定燃烧状态过渡到燃烧振荡的时刻，并将这些过程可视化。他们发现，燃料喷射器中显著的周期性流速波动影响了点火过程，导致了热释放率的变化。热释放率的波动与燃烧器内的压力波动同步，整个循环在一系列的反馈回路中继续，维持着燃烧振荡。

此外，通过考虑压力和热释放率波动的空间网络，研究人员发现，声动力源集群在喷射管边缘附近的燃烧器剪切层中周期性地形成和崩溃，会进一步帮助驱动燃烧振荡现象的产生。

这些发现为燃烧振荡发生的原因提供了合理的答案，尽管只是针对液体火箭发动机。Gotoda教授解释说："燃烧振荡会对火箭发动机、航空发动机和发电用燃气轮机的燃烧器造成致命的损害。因此，了解燃烧振荡的形成机制是一个重要的研究课题。我们的结果将极大地促进我们对液体火箭发动机中产生的燃烧振荡机制的理解"。这些发现意义重大，可望为防止关键发动机中的燃烧振荡打开新的探索路线的大门。