PATR发动机发展历程简介及参数特性分析

介绍了PATR发动机的发展历程,总结了其创新优化思路。针对PATR热力循环方案进行了设计点输入参数影响分析,开展了弹道特性、高度特性和转速特性仿真计算,结果表明:热容比对于发动机性能影响最为显著,热容比k HX 2每增加1,比冲降低0.59,单位推力增加0.39;空气压气机和氦涡轮等熵效率、预冷器空气侧总压恢复系数对发动机性能也有明显影响,空气压气机等熵效率每增加1比冲增加0.12,单位推力增加0.12,其余参数对发动机性能影响相对较小;随着飞行马赫数增加,PATR发动机比冲呈下降趋势,单位推力在外涵开始工作时会产生跳跃式下降,之后基本保持不变;飞行高度增加会使发动机比冲增高,单位推力降低;转速降低会使发动机比冲和单位推力降低,并且内涵和外涵流路共同工作时的降幅明显小于内涵流路单独工作时的降幅。

气/液同轴离心式喷嘴流量及雾化特性实验

通过实验方法,研究气/液同轴离心式喷嘴的流量特性及气液之间的相互影响,研究压降及缩进长度对喷嘴雾化特征的影响。研究表明,液喷嘴流量受气喷嘴压降影响,流量增大或减小取决于缩进室内气喷嘴对液喷嘴产生的是引射还是堵塞作用;同一喷嘴,液膜破碎长度及液滴尺寸随压降增大而减小;液滴尺寸分布沿喷嘴横截面呈马鞍型分布,曲线的最高点和分布宽度随喷嘴几何特性及压降变化;提高气/液之间的相对运动速度,可提高雾化质量;随着缩进长度增大,雾化质量明显变好。

撞击式喷嘴凝胶推进剂雾化及表征

采用激光全息和图像处理技术,研究了撞击式喷嘴撞击角和射流速度对凝胶推进剂雾化性能的影响,撞击角范围为40°~90°,射流速度范围为15~55 m/s。研究了气/液撞击对凝胶推进剂雾化性能的影响,结果表明:增大撞击角和射流速度均有助于凝胶推进剂的雾化;减小射流直径有利于凝胶推进剂雾化;凝胶推进剂的极限表观粘度是影响其雾化的主要因素。分析了撞击式喷嘴凝胶推进剂喷雾场的特征,认为在本文研究的范围内,可以将凝胶推进剂喷雾场依次分为规则扇型的液丝区域、紊乱网状的液丝区域和液丝与液滴共存区。

关于RBCC动力系统的思考

回顾了RBCC动力系统研发的历程和趋势,分析了RBCC动力系统的速度、高度等基本特性。建议RBCC动力系统研发应致力于火箭发动机与冲压发动机功能的拓展与完善,注重综合性能的提高;加强与飞行器一体化设计,考虑进气道、燃烧室、尾喷管及燃油供应系统的共用;依据具体飞行器方案开展关键技术攻关和基础技术研究;首先开展临近空间高速、机动飞行器动力系统研发,针对两级入轨动力系统之二级开展关键技术攻关。

RBCC动力系统工作模态问题

具有多种工作模态是RBCC动力系统区别于其他发动机的重要特性。灵活运用不同模态和发动机构型,形成不同方案的RBCC动力系统,满足特定的飞行任务,是RBCC动力系统研发的重要思路。模态间的平稳过渡是确保飞行器经济、安全工作的基本条件。深入研究各模态特性、模态转换中的技术问题及解决途径是RBCC动力系统研发的重要技术基础,对指导和引领当前的关键技术攻关也有着重要作用。RBCC动力系统研发的宗旨在于发挥火箭发动机和冲压发动机的优势,弥补单一发动机功能或者性能的不足,突破点在于国家急需与当今技术成熟度的结合。

两股互击式喷嘴雾化研究及应用

用激光全息及图像处理技术，研究两股互击式喷嘴的撞击状况及雾化性能，获得了喷嘴的雾化性能参数，在喷嘴的水试雾化性能、热试燃烧效率及比冲对比后，提出用水试雾化性能评估其热试效果，检验喷嘴的加工质量。此技术已用于小推力发动机喷嘴的筛选。

互击式喷嘴燃烧室燃烧效率实验

为了获得凝胶推进剂火箭发动机高效燃烧室的设计参数,依据推进剂特性,设计了7种不同结构的燃烧室,通过实验手段,研究了燃烧室特征长度、喷嘴孔径和推进剂物性等参数对燃烧效率的影响。结果表明:增大燃烧室的特征长度,增加了推进剂的停留时间,有利于推进剂充分雾化和燃烧。减小撞击孔径,提高了射流的剪切速率,降低了推进剂的粘性,可以改善雾化和燃烧效率。为了提高含碳凝胶推进剂的燃烧效率,需减小碳粒粒度或者增加燃烧室特征长度。

组合循环动力系统面临的挑战及前景

介绍了组合循环动力系统的基本原理和类型,分析了其关键技术和潜在用途,提出了关键技术突破的途径。TBCC(涡轮基组合循环)动力系统是未来两级入轨运载器第一级最有希望的动力系统,并在高速飞机和巡航导弹上有良好的应用前景,RBCC(火箭基组合循环)动力系统有可能在临近空间高速飞行器中得到应用。

凝胶推进剂直圆管流动特性探讨

分析了非牛顿流体的类型,认为在液体火箭发动机中有应用前景的凝胶推进剂类型应是有屈服应力的牛顿流体或者幂律流体,关键在于胶凝剂。研究了直圆管中凝胶推进剂的流动特性,依据剪切速率可以将凝胶推进剂在直圆管中的流动分为三个区域。在第二流动区中,可以用幂律流体推导的流阻方程计算管路流阻;在第三流动区,可以近似用牛顿流体流阻方程计算流阻。

液体火箭发动机单喷注器燃烧室声学特性模拟实验原理及实现

依据相似理论,研究了高压补燃循环液体火箭发动机单喷注器燃烧室声学特性模拟实验的原理,建立了模拟实验系统,研究了实验方法,进行了某型高压补燃循环液体火箭发动机燃烧室和喷注器的声学特性实验。结果表明:模拟实验技术可行,实验方法正确,模拟实验结果为发动机设计提供了依据。

两股互击式喷嘴雾化性能实验研究

用激光全息及图像处理技术,研究了双股互击式喷嘴的雾化性能。实验发现,喷嘴的撞击夹角增大、孔径比减小、两射流的动量比减小均会使喷雾的破碎长度和液滴直径减小。在初始雾化区域,液膜和液丝的速度与射流的速度基本相同,液滴的运动速度略小于射流速度。通过实验数据的分析整理,获得了喷雾的索特尔平均直径的经验公式。

燃烧室声学特性模拟实验及应用

介绍了补燃循环液体火箭发动机燃烧室声学特性模拟实验原理、方法和在发动机高频燃烧不稳定性研究中的应用。模拟实验系统包括激励源、模拟燃烧室和声学特性测量系统等。激励源为扬声器或者喷嘴气流。模拟燃烧室是依据高频燃烧不稳定性特征设计、与实际燃烧室有相同固有频率的缩尺件。声学特性测量系统包括麦克风、频谱分析仪和示波器等。模拟实验主要用于研究特定燃烧室的声学特性，研究给定燃烧室结构下喷嘴和隔板的优化设计，研究高频燃烧不稳定性的机理。

双股互击式喷嘴凝胶水雾化特性试验

采用激光全息技术,研究了双股互击式喷嘴的撞击角、射流速度、射流初始状态和在液流中预混入气体对凝胶水雾化性能的影响,并与水进行了对比。研究表明:相同条件下,与水相比,凝胶水难以雾化;增加喷嘴撞击角和射流速度有利于凝胶水的雾化;表面粗糙孔喷嘴和液流中预混入气体有助于凝胶水的雾化。

PATR发动机关键技术与性能提升途径初探

PATR发动机是针对临近空间高速投放平台、水平起降两级入轨重复使用航天运输器之一级而提出的一种组合发动机。此发动机具有工作速域宽、模态简捷、推质比高及性能优等优点,是组合发动机发展方向之一。介绍了PATR发动机及其特点,分析了影响系统研发的系统设计、高效换热、高效涡轮机、材料及工艺等关键技术。在此基础上,提出了优化系统方案和部件参数等提高发动机性能的途径。

一体化超燃冲压发动机初步设计计算模型

以总压恢复系数最大为目标,采用等激波强度和等激波角设计方法建立进气道模型;采用Ikawa“面积扩张因子”建立燃烧室模型;依据Edward方法初估尾喷管型面。在此基础上建立了一体化超燃冲压发动机进气道、隔离段、燃烧室及尾喷管计算模型,并对一体化设计的超燃冲压发动机模型进行了初步计算。

高频燃烧不稳定性单喷注器燃烧室模拟实验的研究

高频燃烧不稳定性单喷注器燃烧室常压燃烧的模拟实验依据相似理论在大气环境下进行。模拟燃烧室采用与实际燃烧室有相同声学频率的模拟件，喷注器采用实际尺寸喷注器，实验介质为高温富氧空气和蒸气煤油。Ⅱ2=（P。/PF）^0.5（QVo／qvf）作为确定性相似准则，Ⅱ1=v/（Lf）为被确定性相似准则。改变富氧空气流量，调节燃烧室声学振荡和燃烧脉动的相位关系，激励起燃烧室高频不稳定性燃烧。用同轴湍流射流混合流场的经验公式估算燃烧区的特征长度，通过相似准则和燃烧室热力学参数将实验结果换算到实际发动机工况。整套模拟实验系统包括煤油、空气和氧气供应系统，流量控制和测量系统，空气甲烷燃烧器，富氧空气和煤油换热器，模拟燃烧室和喷注器，实验参数采集和处理系统，冷却水供应及控制系统等。发动机实验表明，模拟实验系统和方法是可行的。

幂律型凝胶推进剂管路中的流动特性

为研究幂律型凝胶推进剂在管路中的流动特性，对直径4～14mm，长度0．5～2．0m的一组直圆管和直径6mm，弯角20°～90°，弯曲半径比1—5的一组弯管，在1～30m／s的流速下，用3种模拟液进行了实验和仿真。对收缩角10°～50°，收缩比3～1．5的收缩和扩张管，在流速1～30m／s的范围内，用模拟液进行了仿真。结果表明，其它条件相同时，管长、弯角、流速和收缩比增加，流动损失增加；凝胶推进剂在管路中呈“柱塞”形流动，其特性取决于流速、流变指数和稠度系数；管壁附近的剪切速率最大，表观粘度最小；弯管内侧剪切速率小于外侧剪切速率；收缩型截面中，剪切速率逐步增大，粘度逐步降低；突缩和突扩截面存在低速回流区。

同轴离心式喷注器火焰特性实验研究

为了研究高压补燃循环液氧/煤油发动机燃烧室同轴离心式喷注器的火焰特性,分别用富氧空气和煤油蒸气以及空气和甲烷在大气环境下进行了喷注器的燃烧实验,前者采用红外热像仪测量了火焰温度场,后者采用激光诱导荧光技术测量了火焰中CO2和OH的分子浓度分布.结果表明,该型喷注器的火焰形状和燃烧产物组分随氧化剂和燃料的混合比而变化;火焰稳定在喷注器出口处,剧烈的燃烧发生在火焰中心;平面激光诱导荧光技术用于燃烧过程研究,可以提供燃烧场组分分子浓度的信息.

预冷空气涡轮火箭组合动力系统原理与实现途径

针对重复使用航天运输系统及临近空间快速投放平台动力需求,提出了一种预冷空气涡轮火箭组合动力系统方案,分析了此动力系统的技术特点及与其他组合循环动力的差异,进行了系统初步性能分析。研究表明:通过调节系统参数,此动力系统参数闭合,性能较佳,方案可行;进一步分析了动力系统涉及的核心技术及技术基础,认为预冷空气涡轮火箭组合动力系统具有可实现性。

美国典型高超飞行器项目研发及启示

简要回顾了美国典型高超声速飞行器项目及其动力系统发展的历程,分析了其发展的态势、经验和教训。美国始终将高超声速技术作为航空航天事业发展的重要领域,高超声速飞行器和动力技术方案与国家战略及应用背景密切相关。为了降低技术风险,采取了多方案并行的研发模式。高超声速技术的研发应充分重视顶层设计,注重技术的继承性,发挥不同单位的技术优势,加强基础研究、关键技术攻关和实验设施建设。