氢氧全流量补燃循环发动机主要参数优化分析

根据给定的运载任务,建立了氢氧全流量补燃循环发动机的能量特性模型、运载器质量模型和轨道模型,以运载器有效载荷为目标函数,利用枚举法进行了发动机性能参数的优化研究.通过计算,验证了质量模型的准确性,得到了实现单级入轨发动机的最优性能参数,给出了在当前所能达到的燃烧室压强情况下的优化结果,为新一代氢氧全流量补燃循环发动机的研制提供指导.     

渐变式三组元发动机实现单级入轨的最优控制

通过对推进剂组分进行连续控制，渐变式三组元发动机能够很好地满足单级入轨对比冲和密度比冲的要求。建立这种新概念发动机实现单级入轨的控制方程，得到了液氢燃料比和余氧系数的变化规律。结果表明：渐变式三组元发动机比传统双模式发动机或渐变式氢氧发动机的性能分别高25％和11％。     

用运载器评价发动机方案的方法

早期在对液体推进剂火箭发动机方案进行评价与选择时,仅以发动机本身的指标(如比冲、推重比等)作为方案比较的标准。这样没有考虑发动机子系统与运载器总系统的相互联系,得不到合理的评价结果。液体推进剂火箭发动机是航天运载器的一个子系统,采用运载器的性能指标评价发动机方案才能得到比较客观的结果。 本文推导了运载器的评价指标,给出了运载器的线性化质量方程,阐述了运载器设计参数的简化确定方法,由此提出了一个采用运载器评价发动机方案的方法。最后应用提出的方法对五个发动机方案进行了评价。     

火箭型单级入轨（SSTO）的初步分析

火箭型单级入轨（ＳＳＴＯ）是今后的发展方向之一，从多方面分析了火箭型单级入轨（ＳＳＴＯ）方案的可能性，简要回顾了ＳＳＴＯ的发展历史，特别对三角快帆（ＤＣ－Ｃｌｉｐｐｅｒ）作了分析，认为采取多项先进技术后是完全可以实现的。明确了单级入轨的两个基本方向：提高比冲和降低结构重量。分析了采用不同形式发动机的影响，列出了主要关键技术，最后提出了几个有参考价值的观点。     

两级入轨运载器RBCC动力系统内流道设计与性能计算

针对以火箭基组合循环(RBCC)发动机作为水平起飞两级入轨(TSTO)运载器第一级动力系统的方案,建立了进气道-燃烧室-尾喷管一体化流道耦合性能快速计算模型,初步设计了RBCC发动机一体化内流道。RBCC发动机使用变结构进气道,采用支板/凹腔相结合实现火焰稳定的燃烧室以及单侧膨胀尾喷管;应用经过校验的性能分析模型进行RBCC燃烧室性能快速计算;对比分析了性能分析模型与三维数值计算获得的发动机出口状态参数对于飞行器后体流场的影响性;完成了RBCC为动力的两级入轨方案飞行器动力系统的性能分析与计算;分析评估了飞行弹道条件下RBCC推进系统的性能。计算结果表明:飞行器起飞质量280t时,可以完成运送4t载荷进入近地轨道的任务。     

RBCC-RKT两级入轨飞行器飞行轨迹优化方法

针对火箭基组合循环（RBCC）发动机比冲和推进剂质量流量随飞行条件改变而不断变化的特点,提出了通过增广拉格朗日遗传算法优化飞行器飞行轨迹的方法,在飞行器气动参数和发动机比冲已知、最大飞行动压给定等条件下,进行了火箭基组合循环发动机-液体火箭（RKT）发动机推进的水平起飞两级入轨（TSTO）飞行器飞行轨迹优化计算。研究结果表明：在飞行俯仰角和发动机推进剂质量流量变化范围已知的情况下,利用该方法能够在较好满足给定约束条件的情况下,优化得到飞行俯仰角和发动机流量随时间的变化关系,为飞行轨迹初步设计提供参考。     

半开式富氧补燃混合循环发动机方案研究

针对未来航天主发动机的应用需求,提出了一种燃料供应系统采用开式循环、氧化剂供应系统采用分级燃烧闭式循环的半开式富氧补燃混合循环发动机系统方案,综合分析了这种新型混合循环发动机所能达到的比冲性能,对比分析了新型混合循环发动机作为可重复使用航天运载器主发动机相比于开式循环和常规补燃循环、全流量补燃循环发动机的优缺点,针对推力为100t级的液氧煤油混合发动机的系统进行计算和分析。结果表明,新型混合循环发动机在主燃烧室压力26.5MPa下,海平面比冲可以达到303s,可以以较小的比冲性能损失为代价,实现涡轮泵介质相容、有效提高发动机设计裕度。     

吸气式重复使用运载器设计初步研究

分析了国内外吸气式可重复使用天地往返运载器的研究现状,在此基础上提出了一个水平起飞和着陆的单级吸气式运载器方案.采用Euler方程数值解法Dahlem-Buck公式和切楔法对该方案气动布局的亚、跨、超、高超音速气动特性进行了计算分析,由结果可见建立的气动布局可以满足总体方案设想中飞行任务的要求.对该方案拟采用的火箭基组合循环发动机(RBCC)进行了详细分析和性能计算,并在此基础上对该方案的飞行弹道进行了计算分析,通过与采用纯火箭发动机动力的天地往返运载器的飞行弹道对比表明,该方案能明显减小运载器的燃料消耗.     

提高固体火箭发动机性能的技术途径

用固体发动机比冲的理论计算方法计算了发动机比冲与平均工作压强的关系，由发动机质量比的表达式，推出质量比与发动机最大工作压强和平均工作压强比以及药柱装填分数的关系。计算和试验结果表明：发动机比冲随着平均工作压强增加而增加；发动机质量比随着药柱体积装填分数增加以及量大压强和平均压强比的减小而增加。结论：提高平均压强和药柱装填分数以及降低最大压强与平均压强比是提高发动机性能的技术途径。     

单级入轨运载器气动布局研究

对单级入轨运载器气动布局进行了研究,设计了一种翼身融合体气动布局,并进行了布局优化。计算结果表明该布局在Ma=6的时候,最大升阻比Kmax可以达到3.755,从高速到低速都能维持在4左右。通过与已有乘波体方案的对比,表明新设计的翼身融合体是一种很有潜力的单级入轨运载器气动布局可选方案。     

航空涡轴发动机发展趋势

基于国际上典型航空涡轴发动机的发展历程,概括了航空涡轴发动机产业发展趋势,其所呈现的系列化、军民两用化和国际合作化特点十分鲜明,国家层面实施的发展计划对航空涡轴发动机的发展起到了重要引领作用。基于统计分析,展望了航空涡轴发动机结构布局和性能发展趋势。研究表明:在结构布局方面,航空涡轴发动机朝着结构紧凑化方向发展,压气机和涡轮级数呈现不断减少的趋势。1 500 kW级以下的航空涡轴发动机将更普遍地采用单级/双级离心压气机和单级涡轮,1 500 kW以上的航空涡轴发动机将更普遍地采用轴流+离心组合压气机和双级涡轮,同心轴前输出功率型式成为主流功率输出型式。在性能方面,未来先进航空涡轴发动机的压比将达到30,涡轮前温度将达到1 900 K,油耗将低至0.20 kg/(kW·h),单位功率将达到400 kW/(kg/s),功质比将达到14 kW/kg。      

新概念脉冲爆震发动机研究的最新进展

论述了新概念脉冲爆震发动机的工作原理、热力循环方式、优点及应用范围 ,对国外脉冲爆震发动机的最新研究进展和存在的问题进行了综述 ,介绍了作者在脉冲爆震发动机探索性研究方面的主要成果 :修正了比冲计算公式 ;发展了一种新的低能量 (5 0mJ)单级起爆系统 ;采用爆震性较差的液体燃料C8H1 6/空气混合物 ,在国际上 ,首次成功地进行了两相脉冲爆震发动机原理性试验 ,所测量的爆震波压力比非常接近充分发展的C -J爆震 ,说明已获得了充分发展的两相脉冲爆震波 ;实验研究了脉冲爆震发动机的直径和爆震频率对其性能的影响 ;突破了将脉冲爆震发动机长度缩短到 1m ,爆震频率提高到 36Hz的关键技术     

一种新型吸气式与火箭组合发动机(LOCE)及先进天地往返运输系统的发展

根据先进天地往返运输系统的要求和火箭与吸气式组合发动机的特点，提出了重复使用的单级入轨飞机吸气式组合发动机方案的优化原则和一种优化的组合发动机循环：高压氢膨胀液化氧气循环吸气式火箭组合发动机（LOCE）。它是一种以火箭技术为基础的吸气式组合发动机，比冲可达35000m／s，其关键是成功地解决了吸气式组合发动机和火箭发动机燃烧室压力的不匹配，其液化效率比普通LACE循环提高了5～7倍。可借用成熟火箭技术，推重比高是低速阶段（Ma＝0～5）的最佳方式之一。     

火箭冲压发动机喷管的两相流动理论比冲——一种简单估算方法

本文导出了类似于火箭发动机的火箭冲压发动机喷管的两相流动理论比冲公式;从理论上证明:对这两类发动机的两相喷管流动特性可以通过一个共同的组合参数——当量排气速度来进行分析;介绍了一种变滞后两相流动比冲损失的简单估算方法;提出了一种处理奇点问题的近似解法。     

Index allocation for a reusable LOX/CH4 rocket engine

Reusable rocket engines are the core components of reusable launch vehicles, and have thus become a major focus of aerospace engineering research in recent years. In practice, subsystem design is based on the overall index allocation of an engine; therefore, a multidisciplinary optimization approach is necessary. In this study, design of a reusable methane/liquid oxygen (LOX/CH4) rocket engine with a gas generator cycle was investigated using multidisciplinary optimization. Two parameters were chosen as design variables: pressure and fuel mix ratio of the main combustion chamber. Optimization objectives were specific impulse, structural mass, and life cycle cost of the reusable rocket engine, and constraints were assigned to each discipline according to rocket design requirements. Then, an optimization model was developed, and optimal design parameters were acquired for the LOX/CH4 rocket engine. The proposed method is effective for designing the index allocation of reusable rocket engines and takes into account the multidisciplinary nature of complex systems.     

近代大型液体火箭发动机的特点

本文对近代大型液体火箭发动机的特点进行了综述和分析.文中指出:使用高能、无毒的液氧、煤油和液氧、液氢为大型液体火箭发动机的推进剂势在必行;采用高压补燃循环系统可以明显提高发动机的比冲、减小发动机尺寸和质量;采用推进剂利用系统可以减少推进剂的剩余量,以提高运载火箭的有效载荷;使用辅助增压泵可降低贮箱压力,并提高发动机主泵的入口压力,以保证主泵在没有汽蚀的条件下可靠工作;高可靠性、长寿命和重复使用对航天产品尤为重要.     

组合循环发动机飞机/发动机性能一体化分析

采用飞机/发动机一体化分析方法,开展了两种典型组合循环发动机方案（方案一为涡轮/亚燃冲压/双模态超燃冲压组合发动机,方案二为涡轮/引射冲压/双模态超燃冲压组合发动机）总体性能对比研究。基于给定的马赫数为65巡航的高超声速飞行器的飞行任务需求,进行了约束分析与任务分析,优选出满足约束条件下的飞行器起飞推质比和机翼载荷,得到了相应的飞行器起飞总质量和海平面起飞推力,并进行了两种方案的对比研究。结果表明:在完成相同的飞行任务下,方案一的起飞总质量与方案二相当,前者比后者减小了26%;方案一的起飞推力比方案二高出103%;基于涡轮发动机水平,方案一和方案二分别需要采用两台海平面起飞推力为129kN和119kN量级的涡轮发动机。此外,飞行器起飞总质量随巡航距离增加而显著增加,巡航距离为4000km时,两种方案的起飞总质量将达到85t左右。      

涡轮基组合动力技术发展分析

在高超声速推进系统中,涡轮基组合动力装置凭借宽广的飞行范围和良好的比冲性能,成为临近空间飞行器的主要候选动力装置。历经几十年发展,其在关键技术方面取得了诸多突破,目前正向着工程研制方向迈进。通过对国外TBCC动力技术的发展路径、技术特点、研制经验进行系统分析,认为TBCC动力技术研究主要围绕高速涡轮发动机、冲压发动机以及组合循环发动机的技术验证开展。用于TBCC动力的涡轮发动机首选是现有发动机的改进,未来可能在继承涡轮发动机先进技术的基础上,针对高马赫数任务场景等特点进行适应性设计,发展高速涡轮发动机;冲压发动机技术进展显著,但还需向大尺寸方向发展;模态转换技术虽然取得一定突破,但还需深入验证。基于未来临近空间飞行器的需求,立足于现有技术基础和可预见的技术方向,分析提出了TBCC动力技术发展建议：提前开展关键技术预研、基于现有资源发展演示验证平台及进行基于技术发展需求的飞发协同设计。