高超声速飞机尾喷管设计-制造与验证技术发展综述

高超声速飞机是临近空间领域的重要飞行器形式，具有重要的发展意义。尾喷管是其产生推力的主要部件，其性能和可靠性直接影响整机全局。针对高超声速飞机尾喷管技术，梳理涡轮发动机、火箭发动机和冲压发动机的尾喷管分类与技术特点，总结尾喷管工程研制与应用水平以及共性技术的国内外研究现状，并指出高超声速飞机尾喷管结构关键技术，包括优化设计技术、材料与工艺技术和综合验证技术，最后，给出了高超声速飞机尾喷管技术的重要难题以及后续发展建议。     

超声速民机总体气动布局设计关键技术研究进展

超声速民机已成为世界民机未来发展的主要方向之一。超声速民机由于涉及声爆等一系列特殊的技术问题，比亚声速民机的性能要求更苛刻，对总体气动布局设计提出了更高要求。首先，根据设计思想和主要技术特点，将世界迄今为止的代表性超声速民机布局方案划分为三代：第1代布局主要旨在实现民用超声速飞行并兼顾高低速性能，基本为三角翼/双三角翼布局；第2代布局更加重视低声爆/低阻性能，主要采用大后掠箭形翼布局；第3代布局在低声爆/低阻要求基础上，更加注重多学科综合性能和技术可行性，主要采用“大后掠机翼+鸭翼/T尾/V尾布局和发动机短舱背负式/尾吊式”的布局。其次，梳理了新一代超声速民机总体气动布局设计目前面临的技术瓶颈和难点，对总体设计技术、低声爆设计技术、超声速减阻技术和飞-发一体化设计技术的国内外研究进展和现状进行了综述和分析。最后，展望了新一代超声速民机总体气动布局的发展趋势，针对仍需突破的关键科学与技术问题，探讨了重要研究方向。未来将优先发展超声速公务机或中小型超声速民机，其布局技术特点趋近于第3代布局，声爆、减阻、飞-发一体化、起降噪声、气动弹性、人机功效等方面的综合性能和工程可实现性将成为重点研究对...     

国外高超声速飞机动力发展研究

常规水平起降、可重复使用的高超声速飞机是未来军民用航空器的重要发展方向之一。本文针对高超声速飞机的使用需求和动力技术发展难题，概述了美国、欧盟、英国高超声速飞机动力的发展现状，提出了我国高超声速飞机动力发展的建议，为制定我国高超声速飞机动力发展战略提供参考和借鉴。     

国外高超声速飞机发展分析

高超声速飞机突破现有飞机的速度与高度包线，具有可重复使用、宽速域飞行的技术优势，是未来飞行器技术发展的重大方向之一。国外正加快高超声速导弹向飞机平台的技术转化，已设立多个高超声速飞机研究项目，研究进展较快。本文总结了国外高超声速飞机的研发历程与研究项目整体情况，梳理了在研重点型号的概念方案和研究进展，分析了国外高超声速飞机的主要发展趋势。研究认为，面对国外高超声速飞机加速研制的态势，我国应加强对动力等关键技术的攻关，提高试验能力，为高超领域的科技竞争奠定基础。     

美国低声爆超声速技术研究取得突破

2012年4月初，美国航空航天局（NASA）宣布，其风洞试验证明了可以设计出兼具低声爆和超声速巡航高升阻比两种特性的飞机构型，这表明美国在低声爆超声速飞机设计研究上取得了突破。这项技术进展对于民用和军用超声速飞机发展都较为关键，尤其是民用超声速飞机。     

超声速气流中的煤油喷雾研究

为了强化液体燃料超声速燃烧，注入的液体燃料以喷雾（Spray Atomiztion）的方式，以使加速蒸发和混合。油雾直观力像对研究喷燃烧的内部复杂现象有很大帮助。由于实验上的困难，超声速气流中的喷雾图像较为罕见。笔者给出超声速气流中显示煤油喷雾的一种简单、实用方法。实验在一直联式超声速燃烧实验装置上进行，实验结果表明，煤油射流垂直注入超声速气流产生的油雾发展过程与气体射流基本相似，喷雾穿透深度与扩张随压力雾化喷嘴的压力增加而增加。     

美国SSBJ超声速公务机前景看好

从“协和”号飞机商业运营失败的经验可知，超声速旅客机要取得商业上的成功，必须突破两个与超声速巡航密切相关的重大关键技术难题，其一是减少能耗，以降低运营成本；其二是降低声爆，以满足绿色环保要求，此二者缺一不可。美国Aerion集团正致力于将其实用高效的超声速公务机SSBJ推向市场，SSBJ采用革命性的创新技术解决了能耗和声爆这两个超声速巡航难题，力求在技术及商业上都取得突破性的进展。     

DPIV技术在超声速自由涡气动窗口研究中的应用

超声速自由旋涡气动窗口是利用超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔，了解气动窗口的流场结构对提高其气动性能和光学性能是非常重要的。本文采用纳米材料作为示踪粒子，开发了超声速流场的DPIV测试技术，并应用于超声速自由旋涡气动窗口的流动显示和测量。测量的最大流场马赫数为4．21，得到了气动窗口的启动过程和剪切层非线性快速增长的流动图画，获得了超声速自由旋涡射流及其诱导流动的速度场。     

基于超声速有益干扰原理的气动构型概念综述

超声速有益干扰气动设计概念于20世纪30年代提出，其基本思想是利用飞行器部件间的波系干扰获得诸如增升或减阻等性能收益。此概念在20世纪50~60年代得到了大量探索并部分实现了工程应用，在20世纪70年代至世纪末陷入沉寂。近年来，随着超声速运输机和高超声速飞行器技术的复兴，超声速有益干扰概念重新得到重视并有望得到工程应用。本文梳理了超声速有益干扰气动设计概念的发展历史，总结了应用超声速有益干扰原理的典型构型，如超声速双翼机、Flat-top构型、环翼和半环翼构型、伞翼构型、高压捕获翼构型等，并对典型构型的基本原理和气动特点进行了分析。对超声速有益干扰设计概念的未来进行了展望，概述了亟待研究的相关问题。     

NASA稳步推进低声爆超声速客机验证机计划

NASA在高速项目（High Speed Project）合同下正在开展X系列超声速客机验证机的初始概念设计，该项目开发了一系列新的基础技术以及测试设备和手段，这些都将为2020年前实现超声速民用飞行铺平道路。     

超音速混合及燃烧的强化技术

超音速气流中燃料与空气混合直接关系到燃烧效率，强化超音速混合及燃烧已成为各国专家正在解决的关键问题之一。本文在广泛搜集资料的基础上，归纳了已有的强化技术，为开展强化超音速混合及燃烧技术的研究作了必要的准备。     

双旋流模型燃烧室的燃烧特性

同轴双旋流进气能建立起有利于燃烧的流场,文献[1]的结果表明,同轴的内外两股旋流反向旋转时,边界层内的紊流强度和雷诺应力很高,对强化混合和燃烧有利。据文献[2]报导,用这种双旋流改装了JT-8D火焰筒,取消了火焰筒上的主燃孔与掺混孔,试验实测的慢车状态燃烧效率高达99%。表明这种燃烧室方案在燃气轮机和工业燃烧装置中有着广阔的应用前景。本文重点研究两个径向式叶片旋流器在同轴反向旋转条件下的燃烧特性,包括燃烧效率、熄火边界和出口温度场等。      

旋流突扩燃烧室中回流区的嵌套结构

本文探讨了一种综合旋流器和钝体结构特点设计的新型旋流室,并对双股同轴中心旋流突扩燃烧室模型进行了冷和热态试验。试验结果揭示了一个新的物理现象,即旋流器造成的旋流室回流区与钝体形成的突扩燃烧室中心回流区嵌套在一起。热态初步试验表明,该现象的存在能提高突扩燃烧室贫、富油工况的燃烧效率.      

低压条件下复合式多级旋流杯燃烧室燃烧效率研究

对低压(常压或低于常压)条件下航空发动机燃烧室的燃烧效率作了初步的研究,主要目的是研究复合式多级旋流杯燃烧室燃烧效率的改进。复合式多级旋流杯组织方案由离心雾化和旋流杯空气雾化组成,采用双油路,副油路为小流量离心喷嘴,主油路为直射式喷嘴匹配空气雾化,头部采用三级涡流器组织燃烧。燃油采用RP-3航空煤油。使用单头部燃烧室为试验件,在常压和低压状态下,模拟燃烧室进口速度和总油气比。燃烧效率采用燃气分析法,用效率分析仪进行测量。研究结果表明,复合式多级漩流杯燃烧组织方案能改善低压下的燃烧,提高燃烧效率。      

EXPERIMENTAL STUDIES ON SWIRLING AND RECIRCULATING TWO-PHASE FLOW FIELD IN A COLD MODEL OF DUAL-INLET SUDDEN-EXPANSION COMBUSTOR

The axial and tangential velocities of gas and particle phases and particle concentration for turbulent swirling and recirculating gas-particle (simulating gas-droplet) flows in a cold model of a dual-inlet sudden-expansion combustor with partially tangential central tubes, proposed by the present authors, were measured by using a 2-D LDV system and a laser optic fiber system combined with a sampling probe. The results show that there are both gas and particle strongly reverse flows and swirling flows in the head part of the combustor. The velocity slip between gas and particle phases is remarkable. The particle concentration is higher near the wall and lower near the axis. There are two peaks in the concentration profiles near the inlet tubes. The above-obtained flow characteristics are favorable to ignition, flame stabilization and combustion. The results can also be used to validate the numerical modeling.     

整体式液体冲压发动机旋流燃烧室试验研究

介绍了在燃烧室进口安置旋流室和火焰稳定器后,在增加燃烧稳定性和强化燃烧方面所取得的突破性进展。地面热试车的结果表明,旋流室与火焰稳定器相结合的结构方案,能够有效地消除低频燃烧振荡,提高燃烧效率。     

时空守恒CE/SE数值方法在凹槽燃烧流动中的应用研究

应用时空守恒元和解元CE/SE方法,发展了求解化学反应流场的三维并行计算程序。为验证程序,对超声速冲压喷射燃烧室模型进行了计算,计算结果与实测数据以及相关文献的计算结果吻合较好,验证了本文的处理方法和程序的正确性。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对不同长深比的凹槽燃烧流动进行了数值模拟,分析了凹槽增强混合对稳定火焰的作用。计算结果表明,CE/SE方法具有模拟凹槽超声速燃烧流动的能力,数值模拟的结果有助于认识凹槽的火焰稳定机理。     

内外函混合加力燃烧室扩压器内液雾湍流两相流场和浓度场数值模拟

 本文用κ-ε湍流模型和液雾轨道模型,对二维内外函混合加力燃烧室扩压器内有蒸发的液雾两相流动和混合进行了数值预报。其中对气相速度场和温度场的计算结果与实验符合令人满意,液雾两相流的计算结果在趋势上也是合理的,表明本文的模拟方法可用于加力燃烧室性能估算及优化设计。     

弱旋流燃烧器燃料/空气预混均匀性研究

实施贫预混燃烧技术的关键是保证燃料与氧化剂的均匀混合,避免在燃烧时形成局部高温点而导致NOx排放增加。本文针对弱旋流燃烧器设计了甲烷/空气预混方案,首先通过试验结果验证了数值计算方法的可靠性,然后对当量比为0.7的预混气体进行数值模拟,分析了燃料喷射孔和弱旋流流场特性对掺混的影响机制。结果表明：喷射孔径影响燃料的初始分布,很大程度上决定了在有限空间内可以达到的最终混合效果,对给出的预混结构,存在最佳当量孔径b=0.01及对应的平均动量通量比 J =75.59,使混合效果最优。弱旋流流场由中心直流通量和外环旋流通量共同作用,其中旋流对燃料扩散起主导作用。在保证弱旋流特性的前提下,通过增大孔板阻塞比或旋流叶片几何角的方式能够强化旋流作用,从而提高预混均匀性。     

流向旋涡强化混合技术的试验研究

针对冲压发动机燃烧室中氢燃料的燃烧特点,设计了一种流向旋涡发生器（Ｓｔｒｅａｍ－ｗｉｓｅＶｏｒｔｅｘＧｅｎｅｒａｔｏｒｓ,简记作ＳＶＧｓ）型强混稳焰器,并与传统的Ｖ型稳焰器作比较。冷态试验与热态试验的结果都揭示,这种新型稳焰器有较高的燃烧效率和较低的总压损失,性能强于Ｖ型稳器。在ＳＶＧｓ稳焰器中引入了方孔射流,试验证实,其混合效果强于圆孔射流。