以固体燃料和液体氧化剂为推进剂组合的固液火箭发动机兼具固体和液体两种发动机的优点，且相对于液体发动机结构更简单，相对于固体发动机更安全，在探空火箭、民用航天、运载火箭等领域有着广阔的应用前景。虽然固液火箭发动机有着诸多优点，但其仍存在一定局限性，其一由于低退移速率导致发动机的推力难以满足要求，第二则是由于边界层的发展使得火焰逐渐远离燃面从而使得药柱沿轴向退移不均匀，增加了燃烧精准控制的难度。本研究的意义即为在变通量下实现发动机高效稳定燃烧。

首先提出了一种均匀涡流复合式药柱，该药柱由丙烯氰-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrile–butadiene–styrene, ABS）基体与石蜡基燃料组成，ABS基体包含外壁和若干组沿轴向螺旋分布的中空叶片，外壁内包含氧化剂通道，且与中空叶片为一体式结构，能够实现氧化剂径向喷注，并引导氧化剂产生旋流，从而降低边界层厚度并增强火焰到燃面的传热，提高退移速率。药柱的制备过程涵盖增材制造、离心铸造以及车削加工。在固液火箭发动机实验台上以氧气为氧化剂对其进行了初步燃烧实验，根据实验结果对药柱结构进行了改进，确认了最终结构方案。

而后，对均匀涡流药柱的燃烧特性进行了实验研究，使用轴向喷注的石蜡基药柱作为对比，氧化剂流量为7.45 – 30.68 g/s，实验台搭载了火焰辐射成像系统。结果表明不同于轴向喷注药柱燃烧时火焰遍布整个前燃烧室，均匀涡流药柱火焰仅存在于药柱孔道内部，且在稳定燃烧阶段尾焰是极度富燃的状态，燃烧后的药柱前端面无严重烧蚀现象，且沿轴向退移更均匀。由于氧化剂通道存在烧蚀现象，考虑所有极限情况确定了退移速率的真实值分布范围，结果表明在氧化剂通量为5.28g/(s·cm²)的条件下，退移速率比石蜡基药柱提升了33.27%-123.61%。同时，对药柱的稳态燃烧过程进行了数值模拟，结果表明均匀涡流药柱前燃烧室无明显高温区，且药柱燃烧通道中燃气旋流强度更高；有利于促进氧化剂与燃料的掺混从而有提升燃烧效率的潜力。实验与数值结果均展示了均匀涡流药柱巨大的发展潜力。

最后，研究了复合式药柱燃烧过程中由于燃料燃速的不同形成的槽状结构对燃烧特性的影响，首先使用三维数值模拟方式研究了无槽状结构以及槽状结构尺度（即槽深）为1, 2 mm的药柱燃烧特性，结果表明槽深1 mm和2 mm的药柱燃烧时会在前燃烧室产生明显的高温区，药柱燃面处存在较大的径向温度梯度，且药柱燃烧通道内的燃气旋流强度更高，这有助于增强传热，改善燃烧特性。对于槽深1 mm与2 mm的药柱，喷管出口处的H₂O和CO₂质量分数比无槽状结构的分别增加了32.2%和48.8%，证明槽状结构有助于使燃烧更充分。在发动机实验台上对三种复合式药柱以及石蜡基药柱进行燃烧实验，结果表明稳定燃烧阶段的燃烧室压强随着槽深的增加而提升，退移速率与燃烧效率亦展示出了相同的规律。其中，当氧化剂通量为3.5 g/(s·cm²)时，槽深1 mm与2 mm的药柱比无槽状结构的药柱退移速率分别提升了9.97%和27.89%。以上结果均证明了槽状结构有助于改善复合式药柱的燃烧特性。