RBCC发动机引射模态进气道特性研究

为了研究RBCC发动机引射模态的进气道特性,基于二元混压式进气道,建立了二维RBCC发动机流道构型。利用数值模拟获得不同来流马赫数和主火箭流量时发动机的流场结构和进气道性能。研究发现,不同来流马赫数时,发动机流动特征和进气道特性差异较大,可划分为几个典型区间。只有在低亚声速区间,火箭引射才可影响发动机的进气道性能。来流马赫数和进气道喉道面积是影响RBCC发动机引射模态进气道性能的主要因素,发动机设计时,应尽可能增大进气道的喉道面积。

一种RBCC二元进气道变几何方案研究

对工作于引射和亚燃模态的RBCC发动机进气道来说,宽马赫数工作的要求显得尤为突出,使得二元进气道应采用变几何结构。针对内压段收缩比对二元混压式进气道性能的影响,文中开展了理论分析和数值模拟研究,并由此提出了一种将内收缩比调节和边界层流动控制相结合的变几何二元进气道方案。研究发现,该方案以低马赫数小范围内较少的流量损失为代价,实现了进气道起动马赫数、阻力的降低和出口总压的增加,改善了进气道的综合性能。

RBCC火箭对直扩通道抗反压能力的影响研究

提高直扩通道抗反压能力,改善进气道/燃烧室匹配特性,是RBCC研究的重要方向。本文研究了在隔离段出口位置布置火箭对直扩通道的抗反压能力的影响,并对比了火箭中心和侧壁布置方式下的数值仿真结果。研究表明:火箭射流可以提高直扩通道的抗反压能力,且抗反压上限和火箭室压呈现出较好的线性关系;火箭侧壁布置较中心布置抗反压能力稍强;火箭侧壁布置,火箭高室压和高反压条件下,背压激波以正激波形态存在。

二元外并联RBCC进气道变几何方案研究

为改善RBCC进气道在高马赫数下喉道段变几何部分的连接和气动热问题,参考外并联TBCC进气道的变几何方案,对RBCC进气道进行了外并联变几何研究。在低马赫数区间,通过调节使进气道获得合适的总收缩比和两通道的相同内收缩比,使得两通道喉道和出口截面的性能参数相近来减小掺混损失和达到相近的抗反压能力。在高马赫数区间,关闭低速通道,高速通道型面不变。数值模拟结果表明:在来流马赫数2.0,2.5,3.0,3.5下两通道喉道和出口截面的平均马赫数相差在0.05范围内,流量系数保持在0.7左右;在整个工作范围Ma=2~6内流量系数较高,总体性能较优,该变几何方案是正确可行的。

火箭射流对RBCC进气道性能的影响

火箭基组合循环(RBCC)推进系统在引射模态时存在火箭发动机和冲压发动机的共同工作,为了分析引射模态时进气道的性能和流场特征,根据RBCC的特点,设计了一种RBCC用二元式进气道,采用数值模拟方法研究了不同飞行高度、马赫数和掺混段反压下火箭射流对进气道性能的影响。研究发现,火箭发动机的工作状态决定了火箭射流对进气道性能的影响:当火箭发动机工作在过膨胀状态时,火箭射流的引射抽吸作用明显提高了推进系统的抗反压能力,但并不改善进气道的起动能力;当火箭发动机工作在欠膨胀状态时,火箭射流的压力扰动会使进气道扩压段产生结尾激波,进气道性能随之改变。

内置中心支板的RBCC变几何二元进气道设计与数值模拟

针对使用RBCC发动机作为第一级动力的两级入轨飞行器，提出了一种内置中心支板的可变几何二元混压式进气道方案。该进气道工作马赫数范围0—7，设计点Ma=5。通过调节唇口外罩角度以及喉部的高度，可改变进气道的几何构型。数值模拟结果表明：（1）该进气道通过采取变几何和吸除措施能够在Ma=2．4下实现自起动，为引射模态向亚燃模态转级提供了必要条件；（2）采用变几何措施可显著拓宽进气道在起动状态下正常工作的马赫数范围；（3）亚燃和超燃模态典型马赫数下，进气道出口各项性能指标适中，可以满足RBCC发动机燃烧室对进口空气参数的要求；（4）通过变几何调节，还可提高进气道的抗反压能力。

RBCC二元进气道起动性能数值模拟研究

根据RBCC动力飞行器的弹道特点,RBCC进气道的设计点马赫数往往较高,导致低马赫数下的起动性能较差。针对某宽工作马赫数范围,设计点Ma=5的RBCC变几何二元进气道,对其引射-亚燃转级马赫数附近的起动性能进行了数值研究。数值模拟计算表明:(1)进气道工作于低马赫数下(即非设计点),不起动时唇口附近存在一道"λ"激波产生溢流和激波损失,导致性能相对起动时有明显下降;(2)进气道内收缩比越大自起动马赫数越高;相同内收缩比下"脉冲起动"比自起动容易;(3)采用吸除措施可以降低进气道的自起动马赫数,改善进气道的起动特性;(4)采用调节进气道唇口的措施可以在牺牲少量流量的代价下实现进气道的自起动,同时提高进气道的总压恢复系数。

侧向收缩比对RBCC侧压式进气道起动性能的影响

低来流马赫数时,侧向压缩将是RBCC发动机进气道的主要压缩形式。文中开展了侧向收缩比对RBCC侧压式进气道起动性能的影响研究。采用数值模拟方法获得了进气道的流场分布和性能参数。结果发现,不同侧向收缩比的进气道在起动过程中都伴随着流场结构的突变,且该突变和总压恢复系数的突然增加是同步的,这种同步性对应的来流马赫数就是进气道的起动马赫数。对于RBCC侧压式进气道,需权衡利弊,选取大小合适的侧向收缩比。

中心支板钝化对RBCC进气道性能的影响

为了研究RBCC发动机内置中心支板钝化对进气道性能的影响,针对一变几何侧压式进气道进行了中心支板不同钝化半径下的三维数值模拟。获得了钝化半径对进气道典型工况下性能、支板抗烧蚀能力和起动特性的影响规律。数值结果表明,压升和阻力随支板钝化半径的增大而增大,出口马赫数和总压恢复系数随钝化半径的增大而减小,且来流马赫数越高,变化幅度越大;出口流场均匀度随钝化半径基本不变。钝化半径增大,进气道起动马赫数增加,中心支板抗烧蚀能力增强。

马赫数2.5～7.0的二元变几何进气道设计

针对RBCC发动机Ma=2.5~7.0的宽范围工作要求,提出了一种部分顶板转动+唇口平移的二元进气道变几何方案,并通过数值仿真对其总体性能和调节方法进行了研究。结果表明:采用激波依次封口设计概念的变几何进气道在高低马赫数下的总体性能较优,尤其具有良好的流量捕获能力。转动部分顶板的变几何方案拓宽了进气道工作范围,向后平移唇口可以实现超额定工况的起动和Ma=2.3的自起动。变几何进气道的调节方法简单、工程应用可行。

挡板对四模块可调进气道特性的影响

针对RBCC发动机Ma=2．5～7．0宽范围工作要求，设计了顶板部分可调的四模块二元变几何进气道，并研究了挡板对其总体性能和流场结构的影响。数值计算结果表明：进气道整个工作范围内，鬯、体性能较优，特别是流量捕获能力。带挡板时进气道流场基本保持了二维特征，不带挡板时『呵川具有明显的三维特征，压缩效率降低，流量系数显著下降。带挡板时进气道左／右模块性能摹本相等，不带挡板时左／右模块差别明显，与右模块相比，左模块基本保持了二维流动特征，压缩效率明显更高。

RBCC进气道双流道变几何方案研究

提出了一种基于双流道变几何的二元进气道设计方案:通过下流道的开关,实现进气道压缩角和收缩比的调节,使得进气道能够适应更宽的工作范围,并能兼顾与飞行器和燃烧室的一体化设计.研究表明:该方案可在保证原有双模态冲压发动机进气道高来流马赫数性能不变的前提下,将自起动马赫数降至引射/亚燃模态过渡点附近,该方案自起动马赫数为2.8;低来流马赫数时进气道具有较高的流量系数(来流马赫数为3.0时达到0.62)、较高的总压恢复系数(来流马赫数为3.0时达到0.79)和较低的阻力(低来流马赫数时降低了30%多).

某RBCC样机进气道的设计与数值模拟

针对某包含引射、亚燃两模态（马赫数为0～4．0）的支板式火箭基组合循环（rocket based combinedcycle）发动机地面集成试验，设计了样机用带支板的二元进气道．数值模拟对比分析了在亚燃模态下进气道加入支板前后的性能以及流道内的流动情况，验证了设计的合理性，并且给出了支板位置以及构型的改变引起RBCC发动机进气道性能变化的规律和优化设计结果．

几何高度对RBCC发动机超声速侧压式进气道起动性能的影响

对两类典型的侧压式进气道在来流Ma=1.5~5.0范围内的起动性能开展数值模拟研究,研究了几何高度对进气道性能的影响.研究发现：不同高度的进气道起动过程所表现出来的流场特征差别较大,对于合适的高度,进气道未起动时的性能大为改善,起动过程的性能变化趋于平缓,起动马赫数较小（存在最小值）,此时进气道具有较好的起动性能并能在来流马赫数小于自起动马赫数时较好工作.