空气涡轮火箭发动机燃烧室异形尾缘波瓣混合器掺混、燃烧特性研究

为了促进空气涡轮火箭发动机(ATR)燃烧室内涵富燃燃气与外涵空气之间的掺混,提高燃烧室燃烧效率,本文通过对波瓣进行尾缘修形设计,探究C形尾缘结构对波瓣下游流动及燃烧特性的影响规律。研究发现:(1)在波瓣混合器尾缘增加C形结构,会诱导产生多源副涡结构;(2)径向高度越高,径向速度梯度越大,造成副流向涡和副展向涡的强度和尺度越大;(3)由于受到C形尾缘结构诱导的副流向涡和副展向涡的影响,燃烧室展向截面温度分布出现“串状”局部高温区,燃烧得到强化;(4)当燃烧室距离与波瓣直径<1时,内、外涵气流掺混强烈,热混合效率、燃烧效率以及总压损失迅速增大;(5) C形尾缘结构数量与燃烧效率不成单调递增关系,当C形结构数量≤2时,副涡强化掺混起主导作用,燃烧效率随着副涡量的增大而增大;当C形结构数量≥3时,出口面积增大导致的涡量衰减起主导作用,燃烧效率随着副涡量的增大而减小。

固体推进剂空气涡轮火箭发动机的非设计点性能研究

为了简化控制系统和节流装置,采用涡轮进口富燃燃气流量为常数的调节计划,建立了固体推进剂空气涡轮火箭发动机(SPATR)的非设计点计算数学模型。分析了不同设计点涡轮进口富燃燃气流量对SPATR性能的影响,确立了设计点富燃燃气流量选择的方法。计算了SPATR的非设计点性能。结果表明,所建数学模型合理、可行,能满足SPATR在不同高度和速度下飞行任务的需要。

空气涡轮火箭发动机研究的进展及展望

空气涡轮火箭发动机是适用于临近空间飞行器的吸气式组合动力装置,具有大空域、宽速域的特点,受到了世界各军事大国的重视。综述了空气涡轮火箭发动机的技术特点和国内外在这一领域的发展现状,对其研究中存在的技术难点和发展前景进行了分析讨论。

空气涡轮火箭发动机内外涵气流掺混研究

通过无化学反应、均匀进气条件下肼单组元空气涡轮火箭发动机混流燃烧室内流场的数值计算,得到了流向涡与正交涡系产生、衰减演变过程及其对内外涵气流掺混效率的影响规律。结果表明,大尺度阵列二次环流诱导形成的流向涡对内外涵气流掺混起主导作用,大波瓣穿透率的斜切波瓣混流器的综合性能较优。结合热试车结果,分析了包括波瓣混流器在内的两类掺混方案的强化掺混效率。分析表明,非均匀进气条件对小尺寸空气涡轮火箭发动机掺混燃烧效率影响很大。

局部进气条件下空气涡轮火箭发动机掺混燃烧研究

为揭示空气涡轮火箭发动机燃烧室中富燃燃气与空气在涡轮局部进气条件下的混合增强机制和燃烧反应机理,对富燃燃气与空气的湍流混合及燃烧过程进行了数值模拟,并结合试验结果定量分析了两类燃烧组织方案的掺混和燃烧效率。研究结果表明:涡轮局部进气条件下波瓣混流器强化掺混的主导因素是大尺度流向涡的对流型混合,涡轮局部进气对涡系的初始空间分布及涡量强度具有显著影响,其对下游掺混质量的影响与波瓣型面相关;肼分解燃气与空气的燃烧是一种分支链锁反应,其主要反应历程是氢气的氧化反应和氨气的分解,热混合效率可作为掺混燃烧效率预测的重要参考量。

加力式空气涡轮火箭发动机特性研究

通过ATR发动机总体性能仿真,研究了加力式ATR发动机特性。将燃气发生器及补燃室的热力计算模块集成到压气机与涡轮的共同工作点非线性气动热力模型中,计算考虑了变比热容影响。仿真结果表明,注入加力推进剂可有效提高发动机比推力,但比冲会降低;加力ATR发动机性能与设计点参数、设计点有无加力及加力推进剂流率大小有关;发动机需精心匹配,以保证补燃室内二次燃烧的混合气组分有较高的焓值和合适的余氧系数,从而获得较高的发动机性能。在非设计点上,对于调节计划为相对转速不变的加力ATR发动机而言,在尾喷管喉部面积不变时,需同时调节涡轮燃气发生器和加力推进剂流量,发动机为双变量控制。

空气涡轮火箭发动机掺混燃烧研究进展

在混流燃烧室内组织富燃燃气与空气的高效稳定掺混燃烧对于空气涡轮火箭发动机(ATR)性能至关重要。回顾了国外各研究机构关于ATR掺混燃烧方案的试验研究,对波瓣混流器在航空领域强化内、外涵气流掺混中的典型应用及研究成果进行总结评述,总结并提出ATR掺混燃烧的特点和关键问题,分析了后续掺混燃烧研究中需重点关注的问题。

空气涡轮火箭发动机的性能研究

文中进行了ATR（air-turbo-rocket）发动机总体性能研究，以验证其作为近空间飞行器动力系统的可行性。根据ATR的结构特点，建立了发动机性能和特性分析数学模型．编制了计算程序，在设计点计算和分析了燃料／空气比对ATR性能的影响。计算了非设计点性能．对比了不同推进剂的非设计点性能。计算结果表明ATR能够在宽的速度（0-4Ma）、高度（0-11km）范围内工作，单位推力可以达到1200N·s／kg，比冲达到7000N·s／kg。这一结果表明ATR发动机适合作为近空间飞行器的动力系统。

空气涡轮火箭发动机热力循环特性分析

采用热力学第一定律分析法分析了液体推进剂空气涡轮火箭发动机(Air Turbo Rocket,ATR)的基本热力过程,通过能量平衡计算得出了理想循环功、热效率和发动机比冲,确定了影响理想热力循环性能的5个特征参数,进而分析了地面静态和飞行状态下热力学特征参数对发动机热力循环性能的影响规律。结果表明:提高燃烧室温比、发生器温比和涡轮落压比有利于ATR循环功和燃料比冲性能的提升,提高压气机压比将在增大循环功和热效率的同时降低燃料比冲性能;理想循环热效率随来流马赫数的增大而增大,循环功和燃料比冲随来流马赫数的增大而先增大后减小,存在极大值。

固体燃料空气涡轮火箭发动机方案和技术研究

针对固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)的工作特点,提出了双燃气发生器的加力工作模式,并根据总体性能要求确定了部件的工作参数。主要采用数值模拟和实验研究相结合的手段,分别针对压气机和涡轮部件开展了气动设计和增压装置集成,获得了工作特性,并完成了增压系统工作特性的冷流实验验证。开展了考虑涡轮后低温旋流条件下多股气流的高效掺混燃烧研究,通过研究涡轮转速、空气入射角度、补燃室富燃燃气流量和富燃燃气射流位置对燃烧效率的影响,确定了原理样机和关键部件的恰当形式和布局方式。最终开展了原理样机的地面热试实验,验证了双燃气发生器的SPATR发动机的工作原理,热试实验结果表明燃气涡轮增压装置工作可靠,性能满足设计要求,其中压气机压比达到了3.3,转速为82kr/min,补燃室燃烧效率为85.21%。

空气涡轮火箭发动机起动过程推进剂供应及尾喷管面积变化规律研究

为了认识固体推进剂空气涡轮火箭发动机推进剂供应快慢和尾喷管面积变化对发动机起动过程产生的影响,采用容积法建立了考虑工质变比热及化学平衡的发动机动态模型,通过给定不同的推进剂供应速率、尾喷管喉部面积大小及尾喷管喉部面积随转速变化速率,模拟了发动机各工况下的起动过程,对比分析了这些参数对发动机起动时间、共同工作线位置的影响规律。研究发现,增加推进剂供应速率会使发动机起动时间降低,但压气机更接近喘振边界,当尾喷管喉部面积较小时,尾喷管会出现壅塞现象,导致压气机喘振。在此基础上,给出了采用较快推进剂供应速率和尾喷管喉部面积随转速升高而增大相结合的调节方法,使压气机在避免喘振的同时远离堵塞边界,实现了发动机的快速安全起动。

空气涡轮火箭发动机风车状态数值仿真研究

开展了飞行高度20 km、速度Ma 3条件下,空气涡轮火箭发动机(ATR)风车状态数值仿真研究。根据ATR发动机结构方案,建立了三维计算模型,并以压气机转子扭矩为0作为风车状态判据,使用计算流体动力学方法,计算获得了不同给定转速下ATR发动机三维流场结果。研究发现,冷态条件下随着给定压气机转子转速的不断升高,发动机通流能力逐渐增强,发动机入口气流静压逐渐降低,速度逐渐增加。同时,确认了在飞行高度20 km、速度Ma 3条件下,ATR发动机风车转速约为6 900 r/min,内阻约2 170 N。此时,发动机进出口总压损失约61%。其中,压气机流道进出口总压损失达到了32.6%。

固体燃料空气涡轮火箭发动机工作模式

根据SP-ATR目前存在的燃气难以兼顾清洁和富燃的问题,文章提出将原本由1股燃气单独承担驱动涡轮和补燃功能的工作模式分解为由2股燃气分别担负驱涡和补燃功能的工作模式。通过对比分析该工作模式的SP-ATR和固冲发动机、涡喷发动机工作特点,提出了适合该形式SP-ATR的性能计算模型,得到其飞行包线,发现该SP-ATR工作包线宽广,可完全包含涡喷和固冲发动机的工作包线。在此基础上,计算得到了SP-ATR在不同空域和速度条件下的飞行性能及变化规律:(1)随飞行高度和速度的增加,其比冲、比推力增加,但性能随外弹道变化幅度较小,整个工作范围性能稳定;(2)在近地面和低空SP-ATR均可实现低空亚音速盘旋和5 km高度以上的超音速飞行,且在比冲高于6 700 N.s/kg,同时保持比推力大于1 100 N.s/kg;(3)高空SP-ATR工作高度速度范围宽,比冲性能与冲压发动机相当,比推力为冲压发动机的2倍,相同飞行速度条件下飞行高度增加比冲增加、比推力增加,具有在更高高度巡航潜力,高空性能优势明显。

甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭发动机性能分析

为研究以甲烷燃料为冷却剂的膨胀循环空气涡轮火箭发动机可行性及性能,采用部件法建立了甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭(Air-turborocket,ATR)发动机性能评估模型,研究了压气机压比和冷却剂当量比等参数在不同飞行状态下对发动机性能的影响,分析了不同来流工况下发动机正常工作对各部件的性能需求。计算结果表明,通过大于1.0倍当量比甲烷预冷作用,甲烷预冷膨胀循环ATR发动机能在压气机压比低于2.0条件下实现Ma0~4.0速域连续工作,但由于甲烷焓值较低,限制了压气机压比的提升,因此甲烷较低的单位功是限制发动机性能改进的主要因素;甲烷预冷膨胀循环ATR发动机的涡轮功率只有在较高落压比和甲烷压力条件下才能平衡压气机功率需求;冷却循环系统与空气的热力循环匹配问题是各部件协同工作的关键,通过适当选取发动机各部件控制参数,能在Ma0~4.0速域内获得1250~2114s的比冲、70~110s的单位推力和50%的总效率。

空气涡轮液体火箭发动机建模与仿真研究

空气涡轮火箭发动机ATR(Aero Turbo Rocket)是一种吸气式组合推进装置,可以作为战术导弹、巡航导弹和重复式二级入轨航行器的一级动力等不同任务背景飞行器动力而引起关注。文章建立了液体推进剂ATR发动机非线性气动热力模型,模型考虑变比热容影响,并将发生器与主燃烧室热力计算模块与涡轮发动机仿真迭代计算模块集成,开发了仿真软件,可用于ATR发动机设计点和非设计点特性计算。文中分析了热力循环参数对液体推进剂ATR发动机性能的影响,通过性能仿真研究了发动机特性。结果表明:ATR发动机压气机增压比可大幅降低,既提高了比冲也使结构复杂性降低;需匹配各部件设计参数,使大工况范围内部件工作在温度压力许可范围。

空气涡轮固体火箭发动机的研究

介绍了空气涡轮固体火箭发动机 (SPATR)的性能特点 ,以及美国CFD研究公司在总体设计 (包括推进剂、涡轮机 )上的研究、对验证发动机的试验结果 。

基于NSGA-Ⅱ算法的ATR发动机PI控制器多目标优化方法研究

为了使空气涡轮火箭发动机(ATR)从慢车快速、稳定和准确地加速到最大状态,以ATR发动机燃气发生器流量和尾喷管喉部面积为控制变量,采用快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ算法)建立了发动机控制器参数多目标优化方法。将超调量、稳态误差、上升时间及误差积分值四个指标以加权的形式作为目标函数,引入执行机构超调惩罚机制,建立了PI控制器参数Pareto最优解集,完成了ATR发动机从慢车加速到最大状态的动态过程仿真。结果表明,将双回路多个控制性能指标以加权的形式组合作为目标函数,可以获得均匀分布的Pareto前沿;联合应用多目标优化方法和基于熵权法的优劣解距离法(TOPSIS),能够在双回路耦合下获得满足设计要求的ATR发动机动态特性,极大地缩短了人工整定控制器参数的时间;在加速过程中,多目标优化方法将涡轮膨胀比上升时间作为目标函数之一,与尾喷管面积开环控制动态过程相比,可以使涡轮膨胀比更早到达目标值,共同工作线远离喘振边界。

射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能模拟

为扩展吸气式涡轮火箭发动机工作范围,提高发动机性能,在常规涡轮火箭发动机基础上加入射流预冷系统并修改热力模型,建立了射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能计算模型。在给定航迹和控制规律下分析了不同压气机进口限制温度对喷水量、净推力和比冲的影响。仿真结果显示加入射流预冷器可以极大的扩展涡轮火箭发动机的工作范围,在高马赫数下可以极大的提高涡轮火箭发动机的净推力。

先进火力支援系统/SPATR发动机一体化设计——约束分析与任务分析

通过导弹/发动机一体化设计的计算,验证了SPATR发动机在先进火力支援系统(AFSS—Advanced Fire SupportSystem)中的可用性。利用飞航导弹/涡扇发动机一体化设计思路,建立了AFSS/SPATR发动机一体化设计的约束分析和任务分析模型,并给出了算例和分析。简述了AFSS任务剖面和约束条件的给定、导弹的质量组成及SPATR发动机模型。对AFSS的约束分析和任务分析计算结果表明,建立的AFSS/SPATR发动机一体化约束分析与任务分析模型合理可行;采用SPATR的AFSS具有超音速飞行能力(H=3～5 km,Ma=1.8),比采用固体火箭发动机的导弹航程更远,并具有盘旋待机能力。

反辐射导弹/SPATR发动机总体性能计算

参考飞航导弹/涡扇发动机一体化设计的思路,建立了基于能量法的反辐射导弹/固体推进剂空气涡轮火箭发动机(SPATR,solid propellant air turbo rocket)总体性能计算的约束分析和任务分析模型并给出相应的算例和分析。简述了空射反辐射导弹任务剖面、约束条件的给定、导弹的重量组成以及SPATR发动机模型。计算结果表明,相比采用固体火箭发动机的HARM导弹,采用SPATR发动机的反辐射导弹具有超音速飞行(H=11km,2.5 Ma;H=3km,1.8 Ma)、远航程(低、高空航程均增加47%以上)和盘旋待机(H=3km,0.6 Ma,300s)能力,其性能极具使用价值。