预冷组合发动机中波瓣混流器对氢气/空气掺混性能影响

波瓣混流器是一种典型的燃烧室气体混合装置,某预冷组合发动机燃烧室采用了波瓣混流器进行氢气/空气的掺混组织。为了获得不同波瓣混流器修型结构对氢气/空气的掺混性能的影响,分别采用导流结构和锯齿尾缘对波瓣混流器进行修型。通过开展数值仿真和对热混合效率公式的修正,从流场速度分布、流向涡和正交涡以及性能参数方面进行了掺混特性的对比分析。结果表明:导流结构对流场中回流区的分布具有显著影响,导流结构的平面面积越大,回流区范围越大;回流区范围增大会增加初始位置的内外涵速度差2.4倍到6倍,减小平均流向涡强度,增大平均正交涡强度,进而影响热混合效率,其中圆形导流结构在流动初期提高3%,后期降低5.9%;锯齿尾缘修型降低了热混合效率,其中三角形修型结构降低约2.8%,较其他结构最明显。

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。

PATR发动机控制特性和最大状态控制规律分析

为了研究预冷空气涡轮火箭发动机(PATR)的最大状态(最大推力和最大比冲状态)控制规律,建立了PATR的稳态变工况模型,研究了控制量对发动机性能参数的影响特性,给出了在总氢流量一定的前提下,发动机的最优性能状态(推力和比冲同时达到最大)控制规律,在此基础上进一步分别得到了发动机的最大推力状态和最大比冲状态的控制规律,并分别给出了发动机处于最大推力状态和最大比冲状态下的飞行包线。结果表明:当总氢流量一定时,PATR发动机的推力和比冲将随主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积的增加而增大;给定总氢流量下的PATR发动机的最优性能状态控制规律为:核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,此时发动机的推力和比冲同时达到最大,发动机处于最优性能状态;当主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积一定时,推力随总氢流量的增加而增大,比冲与之相反;PATR发动机的最大推力状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地增加总氢流量;PATR发动机的最大比冲状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地减小总氢流量。

基于控制规律的PATR发动机典型工况点速度与高度特性分析

为了研究预冷空气涡轮火箭发动机(PATR发动机)在最大推力状态下的部件匹配规律和系统性能特点,建立了PATR发动机的非线性变工况模型,确定了一种能充分发挥发动机推力性能和使其能安全稳定工作的控制规律,并研究了基于该控制规律的PATR发动机典型工况点的速度和高度特性。数值计算表明:保持氦涡轮转速和入口温度为最大允许值,确保主燃室余气系数不大于1.6和外涵冲压燃烧室余气系数不小于1.5,并使尾喷管喉部开度和空气压气机换算流量保持一定的关系时,PATR发动机处于最大推力状态,并能够在安全边界内工作;在控制规律的约束下,飞行条件的变化使得发动机工作状态点在确定的工作线上移动,决定发动机工作状态的重要参数按照一定的规律变化,因此控制量必须进行相应的调节以实现对发动机工作状态的控制。

膜片式微通道预冷器换热微细管束振动分析与可靠性评价方法

针对预冷吸气式组合发动机的膜片式微通道预冷器换热微细管束振动可靠性问题,建立换热微细管固有振动特性计算方法与数学模型,研究预冷器换热微细管在高速气流冲击下的振动模式,给出综合考虑旋涡脱落激振、紊流抖振和弹性激振等多种共振模式的预冷器换热微细管束振动可靠性评价模型,揭示预冷器换热微细管振动可靠度的变化规律。研究结果表明,预冷器换热微细管的固有振动频率与换热微细管外径、壁厚、相邻支撑间隔板之间跨度以及材料特性等参数密切相关,其振型具有正弦函数的特征;预冷器换热微细管在高速气流冲击作用下存在旋涡脱落激振、紊流抖振、弹性激振等共振模式;预冷器换热微细管振动可靠度随外侧被冷却工质流速的增大呈现出先降低后提高并趋近于某一数值的变化规律;为防止预冷器换热微细管发生共振损坏,在结构设计中要充分结合工作剖面、流动换热特性等,合理设计换热微细管束结构参数。

一种多热力循环组合发动机进气道设计方案

针对马赫数0~6的预冷涡轮+冲压组合多热力循环发动机的宽范围工作要求,提出了一种在马赫数2~6范围内流量系数为1.0的宽范围轴对称进气道变几何调节方案,通过中心锥与分流板的协同平移运动,可在满足涡轮与冲压两通道流量分配要求的同时,实现两通道压缩量的匹配调节。对起始半锥角分别为20°和13°的两种变几何进气道方案开展了设计与对比研究。结果表明:起始半锥角对最终方案设计影响最大,起始半锥角为13°的进气道方案较起始半锥角为20°的方案,冲压通道和涡轮通道在来流马赫数为6时临界总压恢复分别提高了16%和14%,最大迎风面积减小了12.4%,但中心锥和分流板平移调节距离分别增加84%和91%。

SABRE预冷器计算模型及其在整机模型中的应用

为实现发动机方案设计阶段预冷器的快速设计与评估,建立了预冷器准二维快速评估模型。将SABRE预冷器的几何结构简化为一个扇环形区域,沿径向和周向将该区域划分为二维节点。应用守恒方程及传热关联式完成单个节点计算,再求解节点矩阵的平衡方程组,计算内外流体特定节点上参数的二维分布,得到预冷器出口参数。将模型嵌入发动机总体性能程序中,实现了发动机设计及非设计点的预冷器性能计算的功能。与文献数据对比表明,预冷器模型传热计算误差<5%,摩擦阻力误差<10%。整机计算结果显示,Ma=0~5时,预冷器空气侧温降为143~932K,温降随飞行马赫数升高单调上升。预冷器传热有效度为0.896~0.945,空气侧总压恢复系数为0.852~0.904。

英国空天飞机云霄塔的总体方案设计及任务需求分析

随着预冷技术、氦气冷却环路集成以及膨胀偏转喷管等关键技术的突破,组合循环发动机佩刀取得阶段性成果,并通过了美国空军研究实验室的方案可行性评估。介绍了水平起降空天飞机云霄塔的关键技术研究进展,并对其系列化的布局迭代过程进行了分析,通过采用动力系统从吸气到火箭模态的转换完成单极入轨,云霄塔大幅降低了发射成本及战术反应时间,并根据任务需求和市场定位拓展出相应型号,欧空局将其定位为欧洲下一代卫星发射系统,预计在2024年正式投入商业运营。