基于SABRE技术的高超声速预冷飞行器应用分析

结合热力循环过程建模和数值模拟分析方法,构建了基于SABRE技术的佩刀发动机方案并对发动机特性进行分析。根据发动机模态特点和特性优势,综合文献资料,对佩刀发动机的飞行器应用方式进行了分析。分析认为,佩刀发动机有希望为多种飞行器应用方向提供动力,包括为临近空间巡航飞行器和亚轨道载荷发射/投放、空天入轨等飞行器提供动力。

合成射流激励器增强同向燃气氧气掺混数值模拟及机理研究

建立了将合成射流激励器腔体、出口喉道及外部受控流场作为单连域计算处理的全流场计算模型(X L模型)。基于此计算模型,对合成射流激励器增强同向燃气 氧气掺混的流场进行了数值仿真和机理研究。研究表明,应用合成射流激励器可以显著增强同向燃气/氧气的掺混,其主要控制机理是合成射流激励器对同向燃气/氧气流起到流动方向控制作用,使两侧两股氧气平行射流向内发生偏转,从而大大缩短了每股射流的核心区长度;同时,激励器工作改变和加强了射流出口附近的涡结构,通过涡结构的强对流作用极大地增强了燃气/氧气平行射流在出口附近的混合。

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。

复合预冷吸气式火箭发动机热力循环分析

采用热力学第一定律分析法分析了复合预冷吸气式火箭发动机(SABRE)的基本热力过程,得出了吸气模式和火箭模式下的理想循环功和热效率表达式,确定了影响发动机理想热力循环性能的特征参数。结果表明:吸气模式下SABRE核心机采用布雷顿循环,压气机的增压比和循环增温比是影响理想热力循环性能的关键参数;火箭模式下SABRE采用火箭发动机循环,喷管降压比和出口排气速度是影响理想热力循环性能的关键参数。氦气仅仅在发动机内通过换热器换热实现能量在各循环子系统之间的输运,而其本身并无变化,不对发动机的理想循环功和热效率产生影响。

协同吸气式火箭发动机研究进展

协同吸气式火箭发动机(SABRE),因能充分利用大气层内的空气,具备良好的经济和技术可行性,是Skylon空天飞机的最佳动力方案。作为一款将吸气式与火箭式发动机高度集成的组合循环推进装置,SABRE在内部结构、热力循环及燃料利用等方面都有其独到之处。首先介绍了SABRE结构和工作循环过程,简述和归纳了氧化剂冷却燃烧室、推力补偿喷管、进气道和液氢燃料等关键技术;然后对发动机核心热交换技术,尤其是极具创新的预冷器的设计与制造作了详细分析;最后,总结了SABRE最新研究成果并对我国开展相关研究工作进行了展望。

冲压推进技术评论

从飞航式导弹的历史发展的观点,论述了不同时期各类动力装置在导弹中的地位和作用.指出随导弹的不断发展,战术技术性能的不断提高,目前导弹正向超音速和高超音速(Ma>2～6)、中高空(H>15～40km)、超低空(H<30～100m)和中远程(L>100km)方向发展,而航空航天技术的发展也从亚音速、超音速开始发展到高超音速.这就是说导弹和航空航天技术已经发展到进入冲压发动机最佳工作领域的新阶段.为了适应未来新一代导弹以及军民用高超音速飞行器的技术要求,就必须发展一种重量轻、体积小、速度快、射程远而机动性能又好的动力装置,而冲压及其组合推进技术则是它的最佳选择.现在冲压推进技术本身的发展已近成熟,而导弹和航空航天的技术发展又为它提供广阔的活动新天地,冲压推进技术活跃于世界舞台的新时代即将到来.

预冷组合循环发动机吸气式模态建模与性能分析

为了对预冷组合循环发动机开展性能分析,以协同吸气式火箭发动机(SABRE 4)为研究对象,采用部件法建立了发动机稳态模型,计算获得了SABRE 4发动机在吸气式模态下沿飞行弹道的性能参数变化规律。然后对发动机的高度和速度特性进行研究,得到了发动机的飞行包线。计算结果表明,在吸气式飞行弹道内,核心机推力和比冲的变化分别为488~680kN和34786~46954m/s。SABRE 4发动机具备推力大和比冲高的性能优势。在预冷器工作过程中,随着飞行马赫数增大,预冷器换热量不断增大,进入预燃室的氢流量减小,预燃室总温降低,HX3的吸热量减小。与其他压气机和涡轮相比,空气压气机和氦涡轮的工作参数变化较大。SABRE 4发动机通过对来流空气进行预冷,可实现在大空域和宽速域内工作。由于空气压气机的喘振和堵塞边界限制,发动机的高度和速度特性分别存在飞行高度和飞行马赫数的限制。

SABRE吸气模式热力循环及预冷器性能分析

为加深SABRE吸气模式下发动机性能研究,采用一系列基本热力过程分析了吸气模式热力循环过程,计算了各支路循环功及总循环功,分析了影响循环功的主要因素。对预冷器的性能进行了分析,计算了预冷器的性能参数,在此基础上估算了预冷器的总体参数。结果表明,SABRE吸气模式热力循环可简化为标准布雷顿循环,影响循环功的主要参数为预燃室和燃烧室的进出口温度,影响循环效率的主要参数为压气机增压比,预冷器是提升发动机性能的关键,最大功率为409.54MW,长度约为5118.2mm,提高换热效率,降低预冷器体积十分必要。

预冷型组合循环发动机技术

预冷型组合循环发动机具有工作速域宽、比冲高和推重比大等优点,在未来空天领域有广阔的应用前景。本文首先回顾了LACE、SABRE和ATREX等主要预冷型组合循环发动机的工作原理、技术特点和研究情况,对各型发动机热力循环中面临的难点问题进行了分析。其次,针对发动机预冷器、压气机、涡轮和燃烧室等关键部件,建立了热力循环计算模型,研究了预冷和燃烧对冷却剂的流量需求问题、预冷器与压气机性能参数匹配问题和压气机与涡轮共同工作问题等。结果显示,1.0~2.0倍当量比的氢在马赫数0~4.5速域内能将空气冷却51~476 K,而相同流量的甲烷在马赫数0~4.0速域内仅能将空气冷却24~182 K;熵函数用于表征预冷器和压气机在热势差效应和功热转换过程中的能量损失总和,根据发动机性能需求,在熵函数图上可设计不同的当量比-压比(φ-π_(c))协同工作线;涡轮总功率是影响预冷发动机压气机压比的主要原因,与传统涡轮相比,驱动涡轮的工质(冷却剂)流量小,要求涡轮单位功率高,给涡轮设计带来挑战。最后结合评估结果对预冷型组合循环发动机的未来发展提出了一些建议。

协同吸气式火箭发动机预冷技术研究现状

可重复使用的组合动力空天飞机计划多采用吸气式组合动力发动机提供动力。吸气式组合发动机能够充分发挥吸气式发动机和火箭发动机的性能优势,但是需要先进的预冷技术来确保其在高马赫数飞行速度下的正常运行。基于此,从结构特点、设计过程、制造技术和霜冻控制等方面对协同吸气式火箭发动机(Synergistic Air Breathing Rocket Engine,SABRE)轻质高效预冷器技术进行了分析。

利用TDLAS技术开展吸气式发动机来流热试实验参数测量

利用可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)燃烧诊断技术,开展了吸气式发动机来流热试实验燃气温度、H2O组分浓度和气流速度测量。选用1392 nm和1395 nm分布反馈式(DFB)半导体激光器,构建了交叉光束时分复用(TDM)系统,通过扫描波长方法,交替调制两个激光器以获得燃气双吸收谱线中心(7185.597 cm-1和7168.437 cm-1)附近吸收光谱。根据双线测温原理,通过双线积分吸收率比值推断燃气静温,并由此温度测量值,结合单线积分吸收率计算燃气中H2O组分浓度,此外,根据成70°夹角双激光束吸收中心的多普勒频移量计算气流速度,从而实现了发动机燃气参数的非接触式和实时在线测量。

协同吸气式火箭发动机性能优化研究

在H=15~25 km、Ma=2.5~5的飞行区间内,以提高SABRE循环效率为目标开展了优化研究,提出了两种优化方案,建立了SABRE发动机性能参数计算模型,计算了预冷器氦气出口温度提高50 K、氦气涡轮进口温度提高50 K和采用氦再循环方案后发动机推力、比冲和循环效率随飞行高度的变化规律。结果表明:预冷器氦气出口温度提高50 K,循环效率平均提高1.79%,比冲平均提高2196 m/s;氦气涡轮进口温度提高50 K,循环效率平均提高3.95%,比冲平均提高4833 m/s;采用氦再循环方案,循环效率平均提高3.4%,比冲平均提高4154 m/s;但分别造成推力1%、2%和1.8%的下降,这是氢流量减少造成的。预冷器氦气出口温度和氦气涡轮进口温度得以提高的关键是设计出更加快捷、高效的预冷换热器,但具有较大的技术难度,氦再循环方案实现较为容易,但只工作于20 km以上的飞行高度,并且增加了发动机结构质量。当前技术条件下可优先发展氦再循环技术,长远考虑应发展预冷换热器相关技术,加强在材料、设计、加工等方面的创新研究。