新型高性能粉末高温合金的研究与发展

粉末高温合金由于在高温下表现出一系列优越的性能而成为制造高推重比航空发动机涡轮盘等部件的首选材料,本研究总结和分析了国外第三代新型高性能粉末高温合金的研究成果,重点描述了这些合金的制备工艺和力学性能,并提出研制高性能粉末高温合金的重点发展方向。

自适应循环发动机不同工作模式稳态特性研究

针对自适应循环发动机(ACE)的一种布局形式,利用所建立的部件级性能仿真模型,对其多种工作模式下典型工作点的匹配机理及工作特性进行仿真和分析。研究结果表明,节流比TR选择对地面起飞推重比和高空高速性能均产生较大影响;可变Flade风扇的出现使得发动机从不加力向加力模式转变时可采用固定的喷口喉道面积;通过多个可调几何的协同调节,ACE发动机循环模式的选择具有更多的灵活性,总涵道比的变化幅度更大(0.28～1.43,地面起飞工作点);相同的推力水平下,与单涵模式相比,三涵模式的单位耗油率在亚声巡航工作点(H=11km,Ma=0.8)大约降低9.1%,在超声巡航工作点(H=11km,Ma=1.5)大约降低2.3%。

新型内突扩加力燃烧室方案可行性分析

介绍了一种新型内突扩加力燃烧室方案,具有质量轻、尺寸小、红外隐身功能突出等优点;在分析当前高推重比发动机需求的基础上,结合目前国内外加力燃烧室的技术水平,根据新一代军用发动机的加力燃烧室进气参数,论证了该方案所具有的现实可行性。

长征五号运载火箭助推动力系统

长征五号是我国新一代大型运载火箭(代号CZ-5),芯级捆绑四个助推器,每个助推器配置两台并联的液氧煤油高压补燃发动机。本文对国内外运载火箭的故障模式进行分析,结合CZ-5火箭首飞实际情况,提出了助推动力系统风险规避应采取的措施。针对CZ-5火箭助推级和芯一级发动机起动点火的特点,分析了CZ-5火箭首次发射中的异型发动机点火匹配特性。简述了YF-100系列液氧煤油发动机的研制历程、技术特征和热环境适应性,重点分析了发动机在可重复使用和大范围推力调节方面的潜力。对比了国内外液氧煤油补燃循环发动机的推重比性能,分析了不同发动机推重比对火箭运载能力的影响,总结了提高发动机性能的措施(如采用泵后摆技术、选用高强度轻质化材料等)。提出了新一代液氧煤油发动机必须在满足高可靠性的前提下,追求高性能、高推重比、降低成本和增强适应性的后续改进方向。

推重比15一级发动机关键技术及分析

全面阐述和分析了推重比15一级涡扇发动机总体、风扇和压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、喷管等设计技术。

主燃区出口特征影响出口温度场性能的数值研究

对不同航空发动机燃烧室主燃区出口特征下的速度分布和温度分布进行模拟,获得了不同主燃区出口特征下的出口温度场。结果表明:在均匀的主燃区出口速度分布下,燃烧室出口温度场更均匀;主燃区出口最高温度突升及温升幅度对出口温度分布系数To和径向温度分布系数Tr的影响很小;主燃区最高温度点向内、外涵靠近时,To和Tr都会迅速增大,靠近外涵时比靠近内涵时增大得快。

航空发动机推重比技术指标研究

以战斗机动力中的推重比指标为研究对象,分析了欧美预研计划中提出的推重比发展目标,及其在具体型号产品中的发展,重点分析了F119发动机推重比指标的实现情况。结果表明:推进系统技术发展指导思想,已从将推重比和耗油率作为技术评价体系改为强调向系统综合要效益;F119发动机采用了预研计划中的高推重比先进技术,但其实际推重比并未达到10;战斗机动力型号产品研发中应秉持全面平衡的指导思想,避免唯性能论。

高推重比发动机热障涂层应用现状分析

介绍了热障涂层(TBC)的主要材料和制备工艺,分析了TBC在国内外航空发动机中的典型应用实例。目前工程应用的TBC多为由金属底层和陶瓷面层组成的双层结构,金属底层采用MCr Al Y包覆型涂层或Pt-Al(或Al)渗层,陶瓷面层采用YSZ涂层。美国的航空发动机中,体积较大的静子零件多采用VPS MCr Al Y底层+APS YSZ面层的TBC,体积较小的转动零件主要采用Pt-Al渗层(或EB-PVD MCr Al Y)+EB-PVD YSZ面层的TBC。我国的航空发动机中,燃烧室浮动瓦片和高压涡轮导叶等零件采用了TBC,其主要技术难点在于涂层的厚度均匀性控制、表面粗糙度控制以及涂层对气膜孔影响的控制等方面。

推重比12～15发动机技术途径分析

依据发动机数据库统计结果和大量计算研究 ,本文探讨了提高发动机推重比的技术途径。在当代高性能发动机参数的基础上 ,依靠气动热力学的进步和配以相应材料、工艺技术 ,发动机推重比可达到约 1 2 ;进一步依靠发动机部件设计技术的提高 ,减少叶片机级数、采用整体叶盘结构、高通流设计 ,可使发动机推重比达到 1 3～ 1 4左右 ;要想使推重比达到 1 5,还需采用强度高。

军用航空发动机特征分析

简述了军用航空发动机的发展历程，介绍了变循环发动机的相关概念，总结了第三、第四代战斗机发动机的结构/性能特点和技术特征，重点分析了第五代战斗机推重比12~15发动机的技术特征。结合自适应发动机技术发展（AETD）项目，预估了三外涵变循环发动机的结构和性能特点，得出了第五代军用航空发动机的性能优势。根据归纳出的军用航空发动机总体性能发展趋势，对未来战斗机发动机的发展进行了展望。

基于线性引力场的运载火箭弹道设计研究

为了解决运载火箭末级小推重比情况下最优弹道设计的问题,达到火箭入轨速度损失更小、消耗推进剂更少的目的,采用更加准确的线性引力场模型,通过简化偏航程序角和协态变量,将真空飞行段最优推力方向转换为含有5个约束条件的两点边值问题进行求解,进而通过积分运动方程得出最优弹道。此外,结合运载火箭飞行的特点对迭代初值进行了研究,提出了协态变量和火箭飞行时间初值的设置方法,并归纳出基于线性引力场的运载火箭全程飞行弹道设计思路和设计流程。仿真结果表明:在正常推重比情况下该方法与传统方法的设计结果吻合,俯仰程序角基本呈线性变化;在给定的小推重比情况下,该方法速度损失更小,相比传统设计方法和迭代制导仿真可分别节省推进剂2.9%和2.1%,同时俯仰程序角已不能按线性化规律来设计。该设计方法具有较好的收敛性能和优化效果,对小推重比情况下的弹道设计具有良好的适应能力,可应用于运载火箭上升段全程弹道设计,也可为运载器在线轨迹规划等提供新思路。

航空发动机钛火防护技术及试验验证方法

钛合金在航空发动机上应用广泛,特别是对于追求高推重比的军用发动机更是如此。但采用钛合金存在钛火风险,且钛火故障危害大、发生频率高。分析了钛火故障产生的原因,描述了故障导致的后果,并结合发动机上典型钛火故障,总结了4种较为有效的钛火防护设计技术。阐述了钛火防护技术的试验验证方法和目的,指出只有通过试验验证,才能确认钛火防护技术的安全有效。

高超声速飞行器周期巡航与总体参数关系研究

考虑防热和节能等因素,高超声速飞行器在巡航段应采取周期巡航。采用无量纲参数,将飞行器动力学方程归一化,用胞映射法确定了高超声速飞行器周期巡航的初始条件,并分析了周期巡航与推重比、升阻比等总体参数的关系。得出了大升阻比、高推重比有利于飞行器实现周期巡航以及巡航燃料消耗率主要与升阻比有关等结论。

基于技术参数评估的涡扇发动机总体性能设计

为了充分掌握各代涡扇发动机技术参数水平及其发展趋势，统计包括现役型号在内的15台2～4代涡扇发动机的总体性能参数、循环参数和部件参数，采用考虑涡轮冷却的总体性能计算和重量预测相结合的发动机技术参数综合评估模型并利用计算程序绘制趋势曲线，评估技术参数的发展趋势，结果表明技术参数逐年改善的趋势是比较稳定的，并用曲线趋势外推法取得下一代关键参数的定量数据。在此基础上探索下一代高推重比涡扇发动机可能的总体性能方案，为下一代先进涡扇发动机的预研和设计提供参考。

微型涡喷发动机顶层设计研究

对微型涡轮喷气发动机的顶层设计问题进行了研究。首先分析了发动机尺寸对性能的影响,揭示了微型发动机推重比具有与尺寸成反比提高的潜力。基于各相关学科近期能达到的技术水平,选择了微型发动机尺寸并提出了初步设计方案。对微型涡喷发动机的压比、燃烧室出口温度和各部件效率等设计参数进行了单变量和双变量分析,得到了这些参数对推力、耗油率等性能的影响规律。提出了一个能简便准确地判断微型发动机顶层设计方案是否能产生推力的判别准则,并得出了高、中、低性能的三种气动热力参数顶层设计方案。

TRIZ理论在航空发动机方案设计中的应用

从满足未来战斗机需求出发,将TRIZ创新理论及其解题工具引入到高推重比发动机方案创新设计中。针对高推重比发动机发展中的两个重要问题进行技术矛盾分析,由矛盾矩阵得到相应的矛盾解决原理(No.1分割原理和No.15动态特性原理),创造性地构建出可变涵道核心机驱动风扇的涡扇发动机概念方案,满足了未来高推重比涡扇发动机宽包线、长航时的技术特征要求。

高推重比对航空发动机结构设计的影响

提高推重比是航空发动机设计追求的最主要目标之一,而高推重比一方面取决于高水平的气动热力学设计,同时也取决于高水平的结构设计技术和方法。本文从结构设计关注点、新颖结构、选材趋势及由此带来的结构设计思维变化等方面,论述了对高推重比的不断追求为结构设计工作所带来的变革和发展。

航空发动机超短环漩流燃烧方案探索

本文将轴流式叶轮压气机兼做高漩数强漩流发生器，利用其强离心力场大切向分速，充分发挥漩流下高火焰传播速度和强回流特点，组织起漩流燃烧。探索其一系列潜在优势。提出超短环漩流燃烧室新方案。提高燃烧室性能并缩小体积，减轻重量，为提高涡轮发动机推重比探索新途径。

高负荷吸附式风扇气动性能数值模拟

采用NUMECA商用软件,模拟了叶片附面层吸气技术对高负荷风扇叶片三维流场的影响。重点研究了抽气模型的建立方法,深入分析了不同开孔位置、尺寸及不同抽吸量对风扇气动性能的影响。结果表明,在来流条件相同的情况下,转、静子选取适当的开孔位置,抽吸流量为总流量的1.5%时,压比、效率最大可分别提高6.5%和1.6%。

并联TBCC动力对高超声速飞行器性能的影响

针对马赫数为6的一级高超声速巡航飞行器的动力需求,提出涡轮/亚燃冲压/双模态超燃冲压组合动力(T/RJ/DMSJ)和射流预冷涡轮/亚燃冲压/双模态超燃冲压组合动力(PCT/RJ/DMSJ)两种方案。在给定的飞行任务下,分析起飞推重比分别为0. 8和1. 0时,飞行器完成任务时的航程和飞行时间,并对比了PCT/RJ/DMSJ在两种工作模态下的性能。研究结果表明:在相同的起飞推重比下,两种组合动力方案的航程和飞行时间相差不大。当起飞推重比为0. 8时,采用PCT/RJ/DMSJ组合动力方案比T/RJ/DMSJ组合动力方案的航程高出3. 6%,飞行时间高出3. 8%;当起飞推重比为1. 0时,PCT/RJ/DMSJ的航程和飞行时间比T/RJ/DMSJ的分别高出4. 6%和4. 8%。在小推重比下,跨声速段的燃料消耗和飞行时间占整个加速爬升段的比例较大,随着推重比的增加,这个比例减小,巡航可用的燃料比例增大,巡航距离增加,提高起飞推重比可以提高超声速飞行器的航程并缩短飞行时间。