用于高超声速推进的MHD-Arc-Ramjet联合循环

为了提高冲压发动机在更高速度区内的性能,扩展发动机的运行速度范围,需要在并行于发动机的燃烧室处附加一套能量旁路系统。从能量旁路系统技术实现的角度,分析AJAX(俄罗斯学者提出的一种带有能量旁路的冲压发动机)中能量注入方式的缺点,改用电弧式能量注入方式,形成一种新型的高超声速推进系统——磁流体-电弧-冲压发动机(MHD-Arc-Ramjet)联合循环。热力分析表明:MHD-Arc-Ramjet联合循环的单位推力与AJAX是相当的;由于前者可以在更高的温度下进行能量注入,其在单位推力方面是具有优势的。最后对MHD-Arc-Ramjet联合循环的研究工作做了展望。

MHD-Arc-Ramjet联合循环与AJAX间的性能比较

为了提高冲压发动机在更高速度区内的性能,扩展发动机的运行速度范围,需要在并行于发动机的燃烧室处附加一套能量旁路系统。采用热力学方法针对两种带有能量旁路的冲压发动机分别在理想和实际情况下进行了性能分析和比较,结果表明:理想条件下AJAX的单位推力要高于MHD-Arc-Ramjet联合循环;考虑到后者可以在更高的温度下进行能量注入,其在单位推力方面是具有优势的。实际条件下在很宽的飞行Ma范围内MHD-Arc-Ramjet联合循环的单位推力要高于AJAX。

多级电弧对MHD-Arc-Ramjet联合循环发动机性能的影响

MHD-Arc-Ramjet联合循环发动机中电弧数目的增加会改变发动机的循环结构,影响发动机的性能。理论上分析了MHD-Arc-Ramjet联合循环发动机中电弧数目的增加对发动机单位推力的影响,讨论了电弧数目趋于无穷大时的发动机性能,定量给出了不同电弧数目下的发动机单位推力。结果表明,MHD-Arc-Ramjet联合循环发动机的单位推力随着电弧数目的增加而增加;当电弧数目趋于无穷大时,发动机单位推力存在最大值;增加电弧数目所获得的发动机单位推力的增益随着电弧数目的增加而不断减缓。

涡轮/冲压组合发动机性能分析工具(英文)

着眼于建立一套性能分析工具,可用于高超声速飞行器串联式涡轮/冲压组合动力装置总体方案的性能评估及设计约束条件分析。为了满足飞行器从起飞到飞行马赫数5宽广飞行包线内对动力装置性能的苛刻要求,所研究的组合发动机通过调整五个可调机构再加涡扇冲压燃油调节来实现变循环概念。该工具采用一维气动热力分析技术,使用了经试验验证的各部件特性,同时考虑了气体的变比热性质。通过采用面向对象的程序设计方法,该工具提供了一个性能仿真平台,可供涡扇工作模式,冲压工作模式,涡扇/冲压模式转换过程的热力循环分析,非设计点性能分析,控制规律研究等。借助于该工具,涡扇模式及冲压模式的热力循环分析结果表明,回流裕度是涡扇模式循环参数选择中需要重点考虑的因素;高的冲压燃烧室出口温度有利于提高冲压发动机的循环性能。

涡轮-冲压组合发动机模态过渡段性能模拟和概念探讨

The paper focuses on the turbo ramjet engine, which is a kind of airbreathing engine.It is expected to apply for hypersonic transport propulsion system. In the process fromturbo mode to ramjet mode, the turbo ramjet composed engine operates through the way ofcombined cycle. In this paper the combined cycle performance was simulated for two layouts.The results show that the laws are feasible.

高超声速串联式组合动力装置方案

为保证高超声速运输机在宽广的飞行包线内（Ma=0—5，H=0—30km）稳定可靠工作，对涡轮／冲压组合动力装置串联方案展开研究．首先建立了经试验数据校核的适于高超声速飞行的组合动力装置部件级变循环详细非线性性能计算模型；在此基础上，利用发动机设计点热力循环分析和非设计点性能分析方法对串联方案的综合特性进行评估，最终给出一种经过优化的串联布局涡扇／冲压组合动力装置总体性能设计方案．研究结果表明，优化方案可有效地缩小组合发动机的结构尺寸与重量，有利于进气道，喷管的调节以及冲压燃烧室燃烧的组织．通过综合调整发动机5个可调几何部位以及涡轮发动机燃油流量和冲压燃烧室燃油流量，可以实现涡扇／冲压模式的平稳转换．

高超音速飞行器及其关键技术简论

简要评述了高超音速飞行器及其关键技术,包括:高超音速飞行的定义、高超音速流动的特征、高超飞行覆盖范围、高超飞行器蒙皮温度、以及高超飞行设计特点;高超飞行器的背景;高超飞行器研制的发展简史,及经验与思考;吸气式高超飞行器典型设计过程、发展战略、技术规划、和关键技术领域.

RBCC引射/亚燃模态过渡点选择

以RBCC推进系统为动力的飞行器设计流程出发，建立了考虑发动机工作的限制条件的引射和亚燃模态性能评估方法，研究了不同燃料条件下发动机引射和亚燃模态下比冲和推力系数随飞行弹道的变化规律，提出了基于比冲最优、推力变化最小的模态过渡点选择方法；结合某一具体飞行任务的典型弹道，获得了在飞行马赫数为2．6±0．1、飞行高度为11．7—12．9km范围内进行引射／亚燃模态过渡最佳的结论。

基于直扩流道构型的RBCC发动机亚燃模态高效燃烧组织研究

针对支板喷注煤油和一次火箭引导燃烧的RBCC发动机,在亚燃模态下的高效燃烧组织和性能开展了实验研究和数值分析。实验验证了在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭产生的高温射流作为引导火焰,可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和高效稳定燃烧。通过数值模拟获得了燃烧室的详细流场特征和燃烧组织细节,分析表明支板后方集中的燃料热释放可形成扩张燃烧室流道中的"热力壅塞";通过热力喉道的控制,实现了在直扩流道内的高效燃烧。研究表明:发动机在亚燃模态下燃烧组织应尽可能地使热力喉道处于燃烧室较后位置,使燃料在燃烧室高压区内充分燃烧释热,从而提高其燃烧效率。论文还研究了燃料支板喷注位置的影响,进一步开展RBCC发动机亚燃模态性能的优化。

并联式涡轮冲压组合发动机安装性能数值模拟

为了研究涡轮基组合循环发动机的安装性能,基于美国Georgia大学工程技术研究中心提出的HSF高速飞行器,选择并联式涡扇-冲压组合发动机方案作为研究对象。采用数值模拟方法,研究了并联式涡扇-冲压组合发动机的工作模式转换点的确定方法,以及模式转换过程中气动参数变化和几何调节规律,建立了适用于并联式涡轮基组合发动机的进排气系统安装损失计算模型及安装性能计算模型。研究表明,通过几何和发动机供油规律调节,可保证在推力连续的准则下完成工作模式转换,发动机的安装性能满足飞行器的要求。

支板火箭引射冲压发动机引射模态燃烧流动 (Ⅱ )二次燃烧及构型的影响

对比研究了两种构型的支板火箭引射冲压发动机引射模态的瞬时掺混燃烧(SMC)三维掺混和反应流场,详细分析了静态海平面零马赫数情况下燃烧及构型对引射流场的影响,发现几何构型和二次燃烧的综合影响决定了引射掺混后流体的速度、总温、总压及引射流量,从而也主要确定了发动机的性能,其中构型因素主要决定了掺混的质量,从而决定了低速模态的性能。

基于气化煤油喷注的RBCC燃烧室亚燃模态燃烧组织研究

针对RBCC发动机亚燃模态进行主动冷却的情况下,煤油发生气化后喷入燃烧室的燃烧组织开展研究。在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭高温射流作为引导火焰可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和稳定燃烧,当煤油喷注前加热到气化/超临界态时,燃烧室最高压力相比于室温液态煤油提高约10%左右。当关闭一次火箭后,利用凹腔成功实现火焰稳定,而使用室温液态煤油喷注时,凹腔内无法实现火焰稳定。通过数值模拟获得了不同喷注方案的燃烧室燃烧流场特征和燃烧组织过程,为进一步优化燃烧室的性能提供依据。结果分析表明通过合理布置燃料支板喷注位置,由燃料支板下游集中的燃料热释放使得气流在扩张燃烧室构型中实现"热力壅塞",通过燃料分配实现燃烧室内合理的燃烧释热分布,使RBCC发动机亚燃模态完成高效燃烧组织。

支板火箭引射冲压发动机引射模态燃烧流动 (Ⅰ)瞬时掺混燃烧流场的数值模拟

针对一种适用于多种工作模态的支板火箭引射冲压组合发动机构型,Ma在0～1来流范围的瞬时掺混(SMC)引射燃烧流场进行了数值模拟。详细分析了低速模态SMC湍流流场的流动结构及特征,并对其Ma在0～1范围的性能进行了分析,结果Ma在大于等于0.7范围内获得了推力增强。结论认为该种构型的组合发动机适用于作为机载导弹的动力装置,而更低马赫数范围(包括Ma=0)内的推力增强取决于多种因素的优化匹配。

涡轮基组合循环发动机技术发展趋势和应用前景

涡轮基组合循环发动机将是未来高超声速飞行器的主要动力装置,针对空间运载、高速运输、远程快速打击等任务需求,总结了国内外关于涡轮基组合循环发动机的研究现状,分析了开展涡轮基组合循环发动机技术研究必须解决涵盖了耐温、性能、匹配性、飞发一体化等诸多方面的关键技术,并阐述了涡轮基组合循环发动机潜在的技术优势和可能的应用方向。结合未来军民用领域对高速飞行器的需求,分析了中国开展涡轮基组合循环发动机技术研究的必要性。

RBCC引射/亚燃模态过渡工作过程数值模拟

针对模态过渡过程中的瞬变特性,开展了引射/亚燃模态过渡工作过程中的RBCC进气道/燃烧室一体化数值模拟,计算比较了四种不同的模态过渡方案,分析了模态过渡工作过程中流动、燃烧模式和进气道状态的瞬变过程,研究结果表明:(1)推力产生较大波动的主要原因是燃烧室内燃烧/流动参数匹配性差和在流动方向上燃烧放热间断引起的;(2)主火箭保留的燃气在模态过渡过程中起到了火焰稳定和自持燃烧的作用,保留合理流量的燃气不仅可以缩短模态过渡时间,而且可以提高发动机的比冲;(3)提出了通过调节燃料喷注策略和主火箭节流方式实现模态平稳过渡的方案,并对该方案进行了数值验证,可望为进一步的实验研究提供了燃烧控制方法。

ATR/冲压组合动力高超声速飞行器性能分析

针对ATR/冲压并联组合动力的高超声速飞行器,按照典型弹道对其总体性能参数进行计算和分析。结果表明:ATR工作段飞行器的加速性能良好,尤其是在Ma2.0~3.5范围内。总航程随着推重比增加而迅速增加,而飞行时间差别很小,其中ATR工作阶段所占比例显著降低。总航程和飞行时间随着升阻比增加而显著增加,且影响最大的是冲压发动机工作的Ma6.0附近区域。上述研究从飞行器系统角度出发,进一步深化了对ATR发动机的认识。

RBCC亚燃模态热力调节方式研究

为了进一步提升RBCC亚燃模态性能,利用一维分析模型,并基于燃烧室隔离段匹配工作,开展了热力调节方式研究。结果表明,影响RBCC扩张流道内热力喉道生成位置的主要因素为燃烧室扩张比、放热量、放热速率及放热位置,扩张比越大、放热量越少、放热越快和放热越靠前,热力喉道越早生成,通过一定范围参数的改变,热力喉道生成位置变化了9%~22%,当燃烧室扩张比和燃料总放热量相同时,热力喉道的生成位置越靠后燃烧室压力积分推力越大。相比扩张比和放热速率,改变燃料喷注位置是一种有效且易实现的热力调节方法。对于较为靠后的燃烧组织,应匹配较大扩张角的流道,能有效提高热力调节的可调范围,拓展发动机工作裕度。开展了亚燃模态来流Ma=3~5性能优化研究,相比固定喷注位置,采用改变燃料喷注位置的热力调节方式,发动机推力性能能够获得16.5%~24.1%的提升。

火箭/冲压组合发动机工作特性分析

为分析火箭/冲压组合发动机在不同工作模态下的工作特性,对其在没有二次补燃情况下的内流场进行了数值模拟和分析,结果表明:(1)在火箭引射模态,火箭发动机应尽可能工作在其设计状态;(2)为有利于掺混燃烧,在较低的高度、较高的速度下由引射模态转换到亚燃冲压模态可能比较好;(3)在亚燃冲压模态,火箭发动机以某种低工况工作对冲压发动机的点火和火焰稳定是极为有利的;(4)在纯火箭模态,进气道关闭与否对组合发动机的整体性能几乎没有影响;为了获得较高的性能,二次喷管应采用扩张通道。

预冷却吸气式涡轮冲压膨胀循环发动机发展简介

分析了吸气式涡轮冲压膨胀循环(ATREX)发动机模型和工作原理,介绍了其主要部件的研究和发展情况,与常规发动机相比说明了其发展的优势,总结归纳了这种发动机技术特点和发展的关键技术。研究认为ATREX发动机采用液态氢预冷却方式,大大扩展了常规涡轮发动机的工作范围,可满足高速飞行器或两级入轨航空航天飞机第一级动力装置的要求。

支板火箭RBCC亚燃模态性能的影响因素（英文）

针对2种扩张流道的RBCC燃烧室构型,通过三维数值模拟和地面直连试验,研究了燃烧室结构参数以及火焰稳定装置等对亚燃模态性能的影响。结果表明,第二级燃烧室采用较小的扩张角,有利于燃料的进一步燃烧,减小总压损失,燃料支板和凹腔火焰稳定器的共同使用,能有效提升燃烧室内的燃烧组织效果,扩展火焰的传播范围;直连试验验证了通过构型的改进,燃烧室性能得到大幅提高,压力积分推力增大了682 N。当凹腔距离燃料支板较近时,火箭关闭之后,燃料能够实现自持燃烧,比冲性能可提高50%。通过减小主支板宽度,在来流Ma=4时,能够更容易在隔离段中建立预燃激波系,保证亚燃燃烧反应更好地进行,燃烧室内推力提高了418 N。