C/SiC复合材料在超燃冲压发动机中的应用研究进展

超燃冲压发动机是发展高超声速技术的核心,以其为动力装置的各类高超声速飞行器对于国防安全和航天运输都有重要意义。本文分析了超燃冲压发动机对热防护材料的要求,综述了C/SiC复合材料在超燃冲压发动机中的应用研究现状,提出了发展建议,指出了需要关注的关键问题。

超燃冲压发动机仿真:从数值飞行到数智飞行

数值计算方法、物理模型和计算硬件的进步极大地促进了超燃冲压发动机仿真的发展,基于内外流一体化仿真的数值飞行技术已日渐成熟并逐步应用于工程实践,伴随燃烧、气动、结构、材料以及传热多物理场耦合模型和计算方法的发展,叠加多场计算的广义数值飞行技术有望近期得到突破.目前人工智能技术的快速发展,将赋能于数值飞行技术,“数智飞行”这一新的研究模式应运而生.一方面,数智飞行将利用人工智能突破传统数值飞行技术在网格生成与自适应、高保真物理模型、数据处理与知识挖掘等方面的发展瓶颈,全面提升数值飞行的精度、准度和效能;另一方面,数智飞行将突破传统发动机研发模式,通过构建智能化发动机数字孪生体,实现发动机在虚拟空间中的全弹道飞行考核,加快发动机设计迭代.此外,数字孪生体在试验中可与实体发动机同步运行,根据感知数据快速预测多物理场,实现对实体发动机工作状态的实时评估.为促进数智飞行技术的发展,未来需要重点针对数据驱动与物理约束的有机结合、智能化多物理场联合仿真平台、发动机数字孪生体构建等方面开展研究.

驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机两相流数值模拟

根据已有粉末燃料冲压发动机的特点,设计了驻涡火焰稳定器,并对现有发动机结构进行了改进,提出了驻涡火焰稳定器式粉末燃料冲压发动机。采用颗粒轨道模型,对镁基粉末燃料冲压发动机进行了三维流场数值模拟,对比分析了改进前后发动机内流场结构对该发动机燃烧效率的影响,以便为进一步的实验研究提供指导。数值模拟结果表明,驻涡火焰稳定器的应用,可使燃烧效率较现有发动机提高10%。

粉末燃料冲压发动机内镁粉尘云层流燃烧模型

对粉末燃料冲压发动机预燃室内镁粉尘云燃烧过程进行了研究,建立了镁粉尘云的一维层流预混燃烧模型.研究表明,镁粉尘云层流火焰传播很稳定,燃烧过程中火焰结构基本不变,燃烧区很薄,而预热区厚度约是燃烧区的2～3倍.粉尘云中镁颗粒的蒸发和气相镁与氧气的均相反应是产生火焰的直接原因,也是火焰得以传播的关键.预热区气相温度升高主要靠燃烧区气体的导热和扩散过来的气相镁与氧气反应释放热量,而预热区颗粒相温度升高主要靠气相对其对流传热.分析了各参数对粉尘云燃烧的影响,颗粒相对浓度对粉尘云燃烧的影响比较复杂,在浓度较低的情况下,增大颗粒相对浓度有利于粉尘云快速燃烧;而在浓度较高的情况下,增大颗粒相对浓度则不利于粉尘云快速燃烧.随颗粒粒径的增加,火焰传播速度减小,火焰温度升高,预热区厚度增大.火焰传播速度和火焰温度随粉尘云初温增加线性增长,预热区厚度随粉尘云初温增加抛物线增长.数值模拟与文献中试验结果的变化趋势相一致.

粉末燃料冲压发动机内镁颗粒群着火模型

对粉末燃料冲压发动机中镁颗粒群的着火过程进行了研究,建立了镁颗粒群的非稳态着火模型,数值模拟了镁颗粒群的着火过程。研究表明,颗粒相温度先缓慢升高,表面反应加剧之后,温度才急剧上升,很短时间内着火成功;而着火过程中气相温度整体升高不大,其温度总是低于颗粒相温度且升温很慢,特别是着火阶段后期,气相的升温速率远小于颗粒相的升温速率,分析了各种参数变化对颗粒群着火的影响。随颗粒浓度的增加,颗粒群的着火时间缩短;但当颗粒浓度太大时,颗粒群将不能着火成功。气相中氧气浓度对着火的影响很小,特别是颗粒浓度大的情况,氧气浓度对着火几乎没有影响。辐射源温度和气相初始温度对颗粒群着火的影响很大,两者的温度高,则颗粒群着火时间将大大缩短,但当颗粒浓度很高时,气相初温变化对颗粒群着火时间的影响将不再显著。颗粒粒径对颗粒群着火的影响较复杂,颗粒浓度大时,小颗粒颗粒群易于着火,而颗粒浓度小时,大颗粒颗粒群着火时间更短。

火箭-双燃烧室冲压组合循环发动机概念研究

临近空间高超声速飞行器近年来获得了广泛关注,本文提出一种以基于火箭发动机和双燃烧室冲压发动机的多模态火箭-双燃烧室冲压组合循环发动机作为飞行器的动力系统,并进行了性能分析研究。该飞行器在海拔10 km左右高度以0.8马赫的速度投放,在重力和发动机推力的联合作用下,能够在海拔5~8 km处加速到2马赫;然后加速爬升进入临近空间,发动机工作在引射亚燃或者双燃烧室亚燃模态下。可以根据实际选择高推重比、较低推进剂比冲效率的引射亚燃模态,或是较低推重比、高推进剂比冲效率的双燃烧室亚燃模态。最终飞行器加速到6马赫(26 km),进入双燃室超燃模态。针对空中发射模式和地面发射模式进行了轨道优化,仿真结果表明:在加速爬升到6马赫(26 km)的过程中,空中发射模式相比较地面发射模式可以节省37%的推进剂;空中发射模式存在一个负的最优初始飞行角度使得剩余质量与初始质量的比值达到最大。

H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(I)单波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的连续旋转爆震模型发动机上,以H2/Air为工质,对连续旋转爆震波以单波模态稳定自持的典型波形特征和时域、频域特征进行了研究。直接测量了模型发动机工作在该模态下产生的一维推力,讨论了比冲等推进性能。试验结果表明:出口背压为大气压时,在空气流量253 g·s-1,氢气流量6.15 g·s-1,当量比为0.834的工况下,模型发动机以平均传播频率5.5563 k Hz、平均传播速度1658.3 m·s-1的单波模态稳定工作360 ms。产生可靠的有效推力约为183.7 N。以火箭模式计算,有效排气速度为708.9 m·s-1,总比冲为72.34 s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为29870 m·s-1,燃料比冲为3048 s,消耗的氢气的单位面积质量流率为4122 g·m-2·s-1,单位推力为726 m·s-1。推力曲线的面积积分表明旋转爆震模型发动机所提供的推力比较稳定;微观来看,推力波形与爆震波高频压力波形耦合,围绕推力平均值振荡。

H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(Ⅱ)-双波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的H2/Air连续旋转爆震模型发动机上实现双波自持。详细分析了连续旋转爆震波以双波模态自持传播的典型波形特征和时域、频域特征。测量了模型发动机工作在双波形模态下所产生的一维推力,讨论了比冲等推力性能。时频特性和推力积分表明:出口背压为大气压时,在空气流量786.6g·s-1,氢气流量20g·s-1,当量比为0.8733的工况下,模型发动机以平均传播频率10.5809k Hz,平均传播速度1578.9m·s-1的双波模态稳定工作超过650ms。产生可靠的有效推力约808.5N。以火箭模式计算,有效排气速度为1002.3m·s-1,总比冲为102.3s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为40425m·s-1,燃料比冲为4125s,所消耗氢气的单位面积质量流率为13404g·m-2·s-1,单位推力为1027.8m·s-1。相比于单波模态,双波模态使得燃烧室内压力更为均匀,高频推力曲线振荡幅值小。爆震波头个数增多有利于推力稳定。

逆向喷流技术在高超声速飞行器上的应用

高阻力和强烈的气动加热是高超声速飞行器气动设计研究中遇到的两个主要问题。作为一种主动流动控制技术,逆向喷流因其在减阻防热方面的良好效果日益成为研究热点。本文围绕逆向喷流技术在不同外形飞行器上的应用,梳理了其技术发展情况,包括逆向喷流的压比、质量流率以及冷却剂等关键参数的研究,逆向喷流可有效应用于高速再入体的防热,钝头体和升力体的减阻。对其自身表现出的典型物理现象,如流动模态转换、自激振荡的机理进行了详细分析,同时介绍了作者所在研究团队在逆向喷流技术应用于高超声速飞行器上所取得的研究成果,包括飞行器升阻比的提升效果以及滑翔状态下逆向喷流的周期性振荡特性,为此技术在未来的进一步工程化应用提供一定参考及借鉴。

固冲发动机补燃室掺混过程评估方法研究

补燃室燃烧性能与内部掺混流动过程有着紧密的联系,为了解和研究固冲发动机补燃室内多相射流与空气掺混过程,掌握多股多相射流掺混过程输运扩散机理,增进人们对于掺混燃烧过程的理解与认识,本文在成熟商业软件的基础上,开发了一种能够较精确地预示补燃室内多相射流与空气掺混流动过程的数值仿真软件,建立了补燃室多相湍流掺混过程的计算模型,经试验验证仿真误差小于5%。在此基础上,建立了多相湍流混合扩散过程评估方法,提出了颗粒掺混度、气相掺混度和局部氧燃比等概念。可定量分析补燃室内空间各点的掺混程度,帮助人们了解掺混,并从掺混的角度认识补燃室燃烧原理与过程,同时为补燃室掺混增强技术研究及掺混燃烧理论奠定基础。

空气深度预冷组合循环发动机吸气式模态建模及性能分析

针对空气深度预冷组合循环发动机——协同吸气式火箭发动机(Synergistic Air-Breathing Rocket Engine,SABRE),采用部件法对其进行建模,匹配计算得到吸气式模态下飞行走廊内其性能参数变化规律,并研究其高度速度特性。计算模型可信度较高,推力误差小于6%,能够较为准确地模拟SABRE吸气式模态的性能参数。结果表明:SABRE兼具火箭发动机大推力和航空发动机高比冲的特点,吸气式模态下比冲介于21 300~27 380 m/s,随着高度速度的增大,其推力比冲先增大后减小;SABRE利用预冷器将入口空气温度降低,可使其空域速域拓宽至25 km、5Ma,满足高超声速飞行的动力需求;发动机速度下限由压气机最大流量决定,速度上限则由氦气回路减压器工作限制条件决定。

流量连续可调火箭发动机极度富燃燃烧特性

以气氧/煤油作为推进剂对火箭发动机进行流量连续调节试验,研究火箭发动机连续变工况过程中的燃烧特性。火箭发动机通过可调气蚀文氏管连续调节煤油流量。试验在富燃工况（混合比0.405-0.690）下成功点火,并实现了混合比、燃气总流量连续调节。试验发现流量连续调节过程中,当混合比小于0.535时,燃烧室压力随煤油流量减小而增大;当混合比大于0.535时,燃烧室压力随煤油流量减小而减小。同时,特征速度和燃烧效率随混合比增大而增大,并且混合比小于0.535时特征速度、燃烧效率增大的速率大于混合比大于0.535时的速率。研究表明推进剂流量与燃烧效率同时影响燃烧室压力。当混合比小于0.535时,燃烧效率的影响占优;混合比大于0.535时,推进剂流量影响占优。

基于凝相燃烧产物分析的固冲发动机补燃室硼燃烧特性研究

由于硼具有热值高、着火温度高等特点,使得其在固冲发动机中的应用成为研究的热点和难点。以开展固冲发动机条件下的硼燃烧试验研究为目的,建立了一套试验系统。基于这一试验系统,对不同轴向位置的凝相燃烧产物进行试验取样,在XRD、SEM和EDS等物理分析的基础上,对物相成分进行定量分析,研究了不同轴向位置的硼局部燃烧效率和完全燃烧效率,获得了硼燃烧效率和完全燃烧效率沿轴向的分布规律。

固冲发动机补燃室流场条件下硼燃烧试验研究

建立了一套固冲发动机地面模拟试验系统,用于研究补燃室流场条件下硼的燃烧,该试验系统用乙醇与氧气反应加热硼颗粒,并与空气二次燃烧的方式,模拟含硼固冲发动机的工作过程,其一次燃烧产物主要为H2、CO和硼颗粒,补燃室总温、静温值为1300-1400K,总压、静压值为0.4-0.5MPa,马赫数值为0.35左右,与真实固冲发动机相关参数值相符合。基于此试验系统,采集了燃气发生器、补燃室进气口、掺混区、燃烧区和喷管等位置的凝相燃烧产物。扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和X射线能谱（EDS）分析结果表明,硼在反应过程中呈颗粒状,整体形貌变化不太明显,大部分的硼在补燃室中完成反应,燃烧区硼的反应量最大,靠近喷管区域次之,掺混区域最少。

固冲发动机补燃室内硼颗粒流碰撞过程分析

为研究固体火箭冲压发动机补燃室内颗粒流撞击掺混过程,文中从微观角度对颗粒碰撞过程进行了受力分析,选取了影响碰撞过程的主要作用力(粘性力和碰撞力)的计算模型,对补燃室内颗粒流的运动状态进行了数值模拟,从力学角度对碰撞结果进行了分析。结果表明,d1=1μm和d2=10μm的硼颗粒在补燃室入口处的一次碰撞不会团聚,碰撞后反弹,然后再碰撞,在这个过程中消耗能量,相对速度减小,直至当促使分离的碰撞力小于促使结合的粘性力时,颗粒团聚。

高超声速飞行器的热电技术热管理系统参数

提出了集成热电发电装置的超燃冲压发动机热管理系统,将热电发电器与发动机壁面结构相结合。集成的热电发电热管理系统可以将传入发动机壁面的热量部分转换为电能,同时减少了冷却用燃料流量,"间接"提高了燃料的吸热能力。燃料在冷却过程中提高了自身温度和焓值,具有一定的做功能力。高温高压的燃料经过涡轮机膨胀做功,输出可以被高超声速飞行器利用的能量。采用热力学的分析方法对集成热电发电热管理系统的相关参数进行研究,结果表明其比传统的再生冷却防热具有极好的潜在优势,提升了燃料的吸热能力,同时对外输出了可用功。

液氧甲烷膨胀循环变推力发动机系统方案对比研究

当前对液氧甲烷膨胀循环变推力火箭发动机的研制难点和关键技术认识不够清楚,尤其是在大变比推力调节方案方面。基于整个发动机系统,采用理论计算方法,探讨甲烷膨胀做功能力以及变推力调节方案可行性。分别给出了单涡轮系统方案和双涡轮系统方案,首次给出了不同工况下详细的系统状态参数分布,进行了对比分析,并探讨了甲烷做功能力随室压的变化规律。研究结果表明,甲烷做功能力随着室压的减小呈现先减小后增大的趋势,单涡轮和双涡轮系统方案均能够实现大范围推力调节;相比单涡轮方案,双涡轮方案能够更好地保证混合比,且甲烷气体做功能力利用效率更高,氧涡轮和燃料涡轮功率变化范围较窄,涡轮所处环境较为缓和,因此双涡轮系统方案具备一定优势。

火箭出口面积对RBCC发动机引射模态影响规律分析

火箭基组合循环发动机引射模态飞行状态复杂,为了提高发动机的整体性能,研究了火箭出口面积对发动机引射模态的影响规律。通过数值模拟研究,引射流量在低飞行马赫数条件下,主要受引射性能影响,火箭出口面积越大,引射性能越好。然而,随着飞行马赫数的提升,引射空气的动能提升,隔离段内出现壅塞情况,引射流量主要受限于隔离段几何尺寸,与火箭出口面积无关。在亚声速工况下,火箭出口面积越小,发动机比冲越低,且出口无量纲面积为3.15时,火箭羽流膨胀撞壁,会引起性能骤减,需要予以避免;在超声速工况下,选择面积较小的火箭出口面积,燃烧室内压越高,发动机性能提升越明显。

发动机冷却燃料超临界压力下做功潜力分析

在高马赫数飞行下,超燃冲压发动机的燃料冷却量大于燃料燃烧量。为了降低燃料的冷却量以及实现燃料冷却量和燃烧量的匹配,采用分析法对超燃冲压发动机壁面燃料冷却工质在超临界压力下进行做功潜力分析。发动机壁面冷却燃料的特性决定其热量大小。根据发动机壁面温度分布、热流密度分布计算热量,建立稳定流动燃料工质的平衡方程。结果表明:在壁面最高温度为1200 K时,传入壁面的热量为562.4 k W,其中理论热量为541.3 k W;冷却燃料工质流量增加,最大输出功减小;燃料工质出口温度增加,输出功减小;燃料工质出口压力增加,输出功基本不变。

发动机稀燃条件下纳秒脉冲等离子体助燃甲烷/空气的数值模拟

纳秒脉冲放电可产生非平衡等离子体实现辅助燃烧.通过耦合零维等离子体动力学和燃烧反应动力学,建立了发动机纳秒脉冲放电等离子体助燃甲烷/空气的模型.研究表明:相同放电能量条件下纳秒脉冲放电可在上止点附近成功点燃当量比为0.5的稀混合气,而火花放电只能导致最高温度升高124 K,无法点燃缸内混合气.在纳秒脉冲放电条件下,低温时放电产生的激发态N_(2)(A^(3)Σ_(u)^(+))和O(1D)促进了O原子的生成.放电后期,累积的N2振动激发态在驰豫过程释放出了较多的热量,有利于稀燃条件下的点火.电流密度的增大提高了放电过程中激发态、自由基的浓度,发动机最高燃烧温度升高,点火延迟时间缩短,燃烧相位提前.