航空替代燃料低温点火关键物质研究

液体燃料低温条件下挥发的燃油组分对于点火启动有显著影响。通过对航空煤油RP-3和煤基费托F-T燃料低温条件气相组分分析,得到了-40℃到15℃燃料挥发组分及含量分布规律,确定低温条件发动机点火关键物质并进行点火边界测试及分析。通过加入轻烃物质煤基费托燃料点火性能有显著提高作用,其改善顺序为环烷烃最优,其次是支链烷烃,直链烷烃。对航空替代燃料应用于发动机低温冷启动及高空再点火过程有一定指导意义。      

未来航空燃料原料可持续性研究

运用全生命周期评价方法,评价未来航空燃料原料可持续性。以传统石油基航空燃料为基准,分析未来8种航空燃料原料（煤、天然气、能源藻、麻疯树、大豆、棕榈、油菜籽及亚麻荠）的可持续性。评价路径包括原料阶段、燃料阶段和应用阶段。原料阶段考虑基础设施消耗,燃料阶段考虑因电能消耗嵌套引起的碳排放。评价指标不仅包括能量、化石能源、水资源消耗和温室气体（GHG）排放,而且包括了环境污染雾霾中的主要成分PM10和PM2.5排放。本文为选择航空替代燃料原料来源提供理论和技术基础。结果表明,在原料阶段,生物基温室气体排放相比石油基均降低,其中大豆油碳减排最明显,麻疯树基航空燃料PM10和PM2.5排放量大,因在种植过程中加入大量化肥。在燃料阶段,煤基费托过程能量消耗大,碳排放高。通过全生命周期分析,煤基费托温室气体排放高,大豆温室气体排放较低,其次是能源藻。在不与人争粮,不与粮争地的前提下、不占用耕地的能源藻具有可持续大规模制备航空替代燃料的应用前景。      

基于特征模型的再入飞行器制导律设计

研究了一种大升阻比的高超声速飞行器的再入制导问题．应用基于特征模型的自适应控制理论,提出了一种跟踪参考阻力加速度的制导方法,同时通过跟踪飞行方位角,来修正飞行器侧向航程．这种基于特征模型的自适应控制方法不需要通过数据拟合来获得气动升力与阻力的解析表达式,克服了飞行器在再入飞行中,气动数据不断变化时造成的困难．通过跟踪飞行方位角来修正倾斜角指令,可以获得比倾斜角翻转方法更精细的对侧向航程的控制能力．六自由度仿真结果表明,文中设计的制导方法可以达到调整侧向航程的目的,但其代价是损失总航程．     

动力增程型高超声速飞行器的再入轨迹规划

为研究飞行过程中的动力装置启动时刻及燃料消耗情况，对轨迹进行优化，进而提出一种动力增程型弹道的再入模式。推导Sanger弹道的解析解，分析得到高超声速飞行器再入航程最优所必须的迎角及初始速度取值条件等相关前提，利用该结论设计动力装置的启动方式使航程最远、燃料利用率最大。将轨迹设计为Sanger弹道和拟平衡滑翔弹道相结合的混合弹道:再入前期利用助推器间隔点火的方式形成等高类周期跳跃弹道以保证足够远的航程; 再入后期采用拟平衡滑翔弹道，将最优控制问题转化为复杂多约束非线性规划问题，性能指标综合考虑了轨迹平滑和航程。仿真实现了所提出的动力增程型再入弹道; 并在燃料充足、弹道倾角取值合适的条件下，得到“打水漂”弹道形式，该弹道能量损失极慢，具有足够远的飞行能力。仿真表明，与不同点火方式及求解方法得出的弹道相对比，所提动力增程型再入弹道具有3.47~3.84倍的航程、1.04~1.18倍的末端动能以及4.47~15.79倍的燃料利用率。      

航空发动机喷嘴结焦积碳的性质

针对航空燃料燃烧时会在航空发动机喷嘴处产生大量结焦积碳,影响航空飞行器的飞行安全和使用寿命这一问题,研究了某型航空发动机喷嘴零部件上结焦积碳的生成情况.采用扫描电镜(SEM,Scanning Electron Microscope)、透射电镜(TEM,Transmission Electron Microscopy)、能谱仪(EDS,Energy Disperse Spectroscopy)以及X射线衍射技术(XRD,X-ray Diffraction)对结焦积碳的微观形态和性质进行了分析.结果表明:喷嘴零部件上生成的结焦积碳主要有两种形态:一种是丝状焦,另一种是颗粒状焦.其中,丝状焦只出现在零部件表面较光滑的位置,包括短纤维丝状焦和不定形丝状焦,是由金属催化作用所形成的;其形成与喷嘴零部件的结构、材质及表面粗糙度有关.颗粒状焦则主要集中在活塞表面,包括颗粒团聚状焦和颗粒分散状焦,是由催化作用与燃料热裂解共同作用所形成的.      

微藻航空燃料的热氧化安定性与热沉

航空燃料安定性和热沉对飞机和发动机工作可靠性、飞机飞行安全及战术性能的发挥有重要作用。利用热重-差热分析联用仪研究了2种典型微藻航油的热氧化安定性和热沉,并与标准航空喷气燃料RP-3进行了对比。结果表明:混合生物油的失重终点温度和最大失重点的温度与标准航空喷气燃料RP-3相比均向高温区移动。在失重区间内,除了物理热沉还有化学热沉的贡献。在热重曲线中定义了2个无量纲参数:引发温度和燃尽指数,引发温度表征起始裂解温度,燃尽指数表征沉积特性。2个参数结合可以较好地诠释燃料的热安定性和热沉。球等鞭金藻油高碳数烷烃在提高热沉基础上导致碳沉积的形成,但小球藻油在热沉提高的基础上,并没有形成碳沉积。说明通过有效控制高碳数烷烃分配比例增加其热沉并控制其积碳在理论和技术上是可行的。      

BWB客机经济性相关设计参数的影响分析

为了分析翼身融合布局客机(BWB,Blended Wing Body)高巡航升阻比和与其匹配的下一代低油耗发动机所带来的经济性收益,通过估算飞机的总体参数和计算飞行性能,以每座公里耗油量为衡量标准,定量分析巡航升阻比和发动机耗油率等相关参数对250座级和450座级的影响;与现有同量级常规布局客机对比分析,估算出BWB系列客机经济性收益的具体数据,并分析座级和航程对BWB客机经济性的影响,得出BWB系列客机发展的趋势和特点,最终综合考虑收益与可实现难度和代价,给出合理的设计参数值.      

中国微藻航空煤油制备潜能及CO2减排

综合考虑中国各地温度变化、水资源和CO₂的供给能力等因素,分析了中国适合微拟球藻规模化养殖的地区;根据2013年沿海地区燃煤发电排放CO₂量,结合蓬莱地区微拟球藻规模化养殖的实际数据,预测了中国微藻的年产量潜力及在现有技术水平下利用这些微藻原料可制备航空煤油的潜力;并采用全生命周期模型GREET计算了微藻航空煤油相比传统石油基航空煤油在全生命周期内中可减少CO₂的排放量。结果表明:目前中国具有每年8894万t的微藻养殖潜力,这些微藻共可制备航空煤油1917万t;与传统航煤相比,制备1 t微藻航空煤油在全生命周期内相比传统航空煤油可降低CO₂排放2.28 t。     

超燃燃烧室等离子体点火和火焰稳定性能

为了研究热等离子点火器在超燃冲压发动机中的应用,在来流马赫数2.0工况下,针对乙烯和氢气两种燃料,进行了超燃环境中等离子体点火的试验和仿真研究.在来流总温1 500~1 950 K,燃料当量比0.1~0.55范围内对等离子点火器的点火和改善燃烧性能的性质进行了详细分析.结果显示:对于氢气和乙烯燃料,等离子体点火器使两种燃料的点火性能均得到明显改善,点火延迟时间大大缩短,燃料着火范围扩大、贫燃极限当量比降低.但未观察到其在加速掺混以及改善燃烧性能方面的明显作用.进行了与乙烯燃烧试验对应的数值仿真工作,选用了两种乙烯化学反应模型进行对比研究.仿真结果显示:8步9组分反应模型与试验结果符合较好,而3步6组分反应模型过高的估计了反应剧烈程度,燃烧室压力值偏高,压力起始上升位置偏向上游.所用的8步模型比3步模型更适合于超燃燃烧室中乙烯反应的模拟.     

基于AFDX网络的飞行管理仿真系统

系统建模与数字仿真是大型客机飞行管理系统研发的重要阶段.初步建立了基于航空电子全双工交换式以太网(AFDX,Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)的飞行管理系统分布式实时仿真系统模型.对飞行计划、飞行导引、轨迹预测、性能计算、综合导航、导航数据库、综合显示等核心功能进行了分析建模和算法开发.并在此基础上对飞行管理计算机、综合导航系统、自动飞行系统等仿真子系统进行了设计,在满足实时性要求的前提下,基于AFDX网络与分布式仿真结构实现了对以飞行管理计算机系统为核心的航空电子仿真系统的集成,给出了一种通用的、基于AFDX网络的飞行管理系统分布式仿真框架.仿真系统的运行结果证明:基于AFDX网络的分布式仿真结构能够有效满足实时性要求,提高网络通信性能.      

全二维气相色谱用于航天煤油组成的研究

利用全二维气相色谱,结合飞行时间质谱和火焰离子化检测器,对航天煤油组成进行了定性和定量分析,根据试验结果分析了族组成、碳数分布与航天煤油性能之间的关系。研究结果表明：该航天煤油主要由异构烷烃、单环环烷烃、双环环烷烃组成,具有高燃烧值和良好的稳定性。研究结果可以为航天煤油组成的分析和优化提供依据。     

双支板超燃冲压发动机燃烧特性研究

为研究分级喷注超燃冲压发动机火焰稳定、燃烧状态及火焰传播特性,以双支板超燃燃烧室为基本构型,开展了当量比连续调节试验研究。模拟低飞行马赫数5.5工况,燃烧室入口马赫数为2,总温1436 K,试验表明:燃烧室单独上游喷注熄火当量比为0.19,该值不受下游燃烧的影响;单独下游喷注熄火当量比为0.46,上游火焰会削弱下游当量比变化对壁面压力的影响,并且会使下游熄火当量比值降低。通过调节上游当量比可实现燃烧状态的转换,转换过程存在迟滞。模拟高飞行马赫数6.5工况,燃烧室入口马赫数为3,总温1 899 K,试验表明:随着总温的增加,单独上游喷注可实现点火和稳焰,上游火焰发生抬举,燃烧室抗反压能力增强,可喷注更多燃料。     

气象因素对飞机进近飞行燃油效率的影响

气象因素对航空飞行意义重大。为了考察航空飞行的燃油效率,基于飞机性能数据库（BADA）模型,考虑气象因素,建立飞机燃油消耗的修正模型。以广州白云国际机场某进港航班为例,开展飞机进近飞行仿真试验,从燃油流量和燃油消耗量2个维度分别讨论气温、气压、风速变化对飞机燃油效率的影响。结果表明:气象因素与飞机燃油效率存在明显的相关性。当飞机飞行高度一定时,气温升高,燃油流量和燃油消耗量增大,燃油效率降低;气压增强,燃油流量无明显变化,燃油消耗量略有降低,燃油效率升高;风速增加,燃油流量和燃油消耗量先减小后增大,燃油效率先升后降,风速为4 m/s时燃油效率最高。当飞机飞行高度下降时,气温和气压升高,风速下降,燃油流量小幅度波动上升,燃油效率降低。最佳气象条件下,一次进近飞行能减少约3%的燃油消耗。研究结果对提高实际飞行的燃油效率有一定的参考意义。      

喷气飞机等高度飞行的航程与航时计算

当燃油消耗率的推力系数为常数时,运用解析方法给出了分别要求远航、久航性能时最佳巡航状态(飞机姿态、速度)的计算方法,并给出了飞机采取等姿态或等速度飞行策略下的航程与航时计算方法.结论是,为得到远航性能要求飞机采取变姿态、变速度飞行策略,为得到久航性能要求飞机采取等姿态、变速度的飞行策略.通过算例表明,只要选取的飞行参数接近最佳飞行状态,当采取等姿态、变速度飞行策略时,也能得到接近最佳远航的航程.当燃油消耗率的推力系数不为常数时,也对上述问题进行了研究,并给出了主要计算过程.      

正丁醇/煤油混合物非预混燃烧压力振荡特性

为探索生物混合燃料在燃气轮机燃烧室内的应用,将丁醇掺混入航空煤油中,根据燃烧室的实验结果构建熵波对流模型,定量分析其不同体积分数对燃烧室内压力振荡频率的影响。实验结果表明:在燃烧室进口压力1.98 MPa、温度600 K和油气比0.03下,随着丁醇所占体积分数增大,燃烧室内压力振荡频率逐渐下降,而幅值变化无明显规律。熵波对流模型结果与实验吻合较好,通过分析表明,不同燃料组分热值变化引起的对流时间改变,是燃烧室压力振荡频率变化的主要原因,为控制燃烧室内压力振荡提供了参考。      

等离子体对燃气在补燃室中燃烧特性的影响

为研究等离子体对多组分燃气在发动机补燃室中的助燃特性,建立了多组分燃气供给系统以及扩散燃烧实验模型。测量了等离子体炬的发射光谱,得到了等离子体炬的主要激发态粒子;拍摄了多组分燃气在补燃室的扩散火焰照片,得到了等离子体对多组分燃气的扩散火焰形貌的影响;测量了补燃室4个不同截面上的静压和总压,分析了等离子体对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响。实验结果表明:等离子体炬主要产生氮气和氧气的激发态粒子;加入等离子体后,喷出冲压尾喷管的火焰长度得到进一步缩短,说明等离子体可以在更短的燃烧室长度内使得多组分燃气得到更加充分的燃烧;加入等离子体时,补燃室不同截面的静压和总压都会出现突升台阶,说明等离子体可以加快燃气的化学反应速率,提高多组分燃气在发动机中的燃烧效率,且等离子体功率越高,燃气燃烧效率的增长率越高。     

基于凹槽火焰稳定器的煤油超声速燃烧试验

在直联式超声速燃烧试验台上进行了煤油的超声速燃烧试验,使用了4种不同结构的凹槽火焰稳定器和多种直径的煤油喷嘴,煤油当量比0.24~1.32,引导氢当量比0.53,在多种工况下均实现了煤油的成功点火和稳定燃烧.通过测量燃烧室壁面静压分布比较不同工况下煤油燃烧性能.研究发现:凹槽结构对煤油的点火性能影响较大,较大的凹槽长深比更有利于煤油的点火,部分凹槽能在无引导氢条件下实现煤油自燃点火;试验中使用的4种凹槽均有较好的火焰稳定效果,煤油燃烧时燃烧室壁面压力平稳;煤油当量比是影响煤油燃烧性能的最主要因素.在煤油当量比相同的条件下,较高的喷注压力能够提高煤油的燃烧性能.      

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=0~30km)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.