固体燃料空气涡轮火箭发动机工作模式

根据SP-ATR目前存在的燃气难以兼顾清洁和富燃的问题,文章提出将原本由1股燃气单独承担驱动涡轮和补燃功能的工作模式分解为由2股燃气分别担负驱涡和补燃功能的工作模式。通过对比分析该工作模式的SP-ATR和固冲发动机、涡喷发动机工作特点,提出了适合该形式SP-ATR的性能计算模型,得到其飞行包线,发现该SP-ATR工作包线宽广,可完全包含涡喷和固冲发动机的工作包线。在此基础上,计算得到了SP-ATR在不同空域和速度条件下的飞行性能及变化规律:(1)随飞行高度和速度的增加,其比冲、比推力增加,但性能随外弹道变化幅度较小,整个工作范围性能稳定;(2)在近地面和低空SP-ATR均可实现低空亚音速盘旋和5 km高度以上的超音速飞行,且在比冲高于6 700 N.s/kg,同时保持比推力大于1 100 N.s/kg;(3)高空SP-ATR工作高度速度范围宽,比冲性能与冲压发动机相当,比推力为冲压发动机的2倍,相同飞行速度条件下飞行高度增加比冲增加、比推力增加,具有在更高高度巡航潜力,高空性能优势明显。     

火箭冲压组合动力系统特征点推阻特性初探

推阻力是火箭冲压组合动力系统的重要特性,研究推阻特性及影响因素对动力系统研发极为重要.对模型动力系统在高空高速点下的推阻力进行了仿真和试验研究,获得了动力系统在火箭发动机模态、火箭/冲压发动机模态及冲压模态、不同余气系数下的推阻力.结果表明:所研究的模型在火箭发动机模态下,火箭发动机推力室在动力系统内产生的推力大于火箭发动机的设计推力;火箭/冲压发动机共同工作条件下,推力大于火箭发动机设计推力与同一余气系数冲压发动机模态推力之和;冲压模态下,动力系统的推力随余气系数减小而增大;理论计算与试验结果相符.     

RBCC发动机火箭及火箭冲压模态热力循环分析

为了研究RBCC发动机火箭模态及火箭冲压模态的工作特性,基于发动机地面自由射流试验结果,利用一维气动理论构建了发动机火箭及火箭冲压模态的性能分析模型,对发动机6 Ma来流条件的试验数据进行了处理,获得了发动机轴向的沿程气流参数,分析了发动机的热力循环、工作效率、有效能分布以及部件和排气中的有效能分配比例。结果表明：一维计算得到的推力与试验结果误差在5%以内;火箭冲压模态下火箭燃气的引入可以有效提升发动机的热循环效率(约提升20%),火箭燃气的引入对有效能产生率和有效能的分配比例影响不大,火箭冲压和冲压模态的有效能产生率分别为0.45和0.48;火箭模态推力增益产生的主要原因是火箭燃气的能量添加至冲压流道中,形成了有效的热力循环,产生了机械能增量,最终表现出推力增益,约为29%。     

复合预冷吸气式火箭发动机热力循环分析

采用热力学第一定律分析法分析了复合预冷吸气式火箭发动机(SABRE)的基本热力过程,得出了吸气模式和火箭模式下的理想循环功和热效率表达式,确定了影响发动机理想热力循环性能的特征参数。结果表明:吸气模式下SABRE核心机采用布雷顿循环,压气机的增压比和循环增温比是影响理想热力循环性能的关键参数;火箭模式下SABRE采用火箭发动机循环,喷管降压比和出口排气速度是影响理想热力循环性能的关键参数。氦气仅仅在发动机内通过换热器换热实现能量在各循环子系统之间的输运,而其本身并无变化,不对发动机的理想循环功和热效率产生影响。     

RBCC发动机火箭推力增益之探讨

为提高火箭基冲压组合循环(RBCC)发动机火箭冲压模态下火箭推力增益,基于模拟飞行Ma=4来流条件的数值计算结果,分析了火箭射流与冲压主流超/超剪切流动的特性,探讨了火箭推力增益的组成,并给出了提高火箭推力增益的措施:1)冲压流道、火箭工作参数的选取必须确保两股超声速剪切流之间的流动匹配,在有限空间内快速、低损的实现高能火箭射流与低能冲压主流间的动量及质量输运,最大限度地提高发动机喷管排气速度及压力;2)采用高室压火箭,通过增加推力室室压,提高火箭燃气膨胀程度,减小火箭推力增益损失。     

硼在冲压发动机中应用的特点、展望和问题

本文讨论了与液体冲压、固体通道增压和固体冲压发动机有关的理论能量特性、性能和实际问题。证明了在这些发动机中,尤其是在限制体积的系统中,用硼比用碳氢化合物作燃料将获得显著的理论能量增益。可是,由于硼的燃烧性能差、点燃温度高(1900K),因此要获得高的燃烧效率就须给燃烧系统施加许多特殊的限制。含硼量高的固体燃料和推进剂呈现不规则燃烧,引起推力波动,而且硼粒子的凝聚物由于在燃烧室内停留时间不够充分,可能出现不完全燃烧。     

侧置火箭对发动机尾喷管的影响研究

某些应用条件下,飞行器需要RBCC发动机提供更大的推力,受飞行器/发动机一体化气动外形约束,冲压流道推力很难大幅提高,不得不提高火箭发动机推力。当火箭推力需求过大时,传统的在隔离段或燃烧室流道内布置火箭发动机的方法受限于狭小的空间约束,火箭发动机设计难度增加,性能降低。为此,提出了一种将火箭发动机布置于冲压发动机尾喷管侧壁的方法,并开展了火箭状态对尾喷管性能影响的初步研究。结果表明:这种布置方式充分利用尾喷管较大的几何空间,火箭射流可在尾喷管内继续膨胀,不仅不会削弱尾喷管的推力性能,甚至可以产生额外的推力增量,且其升力会大幅增加。此外,该方式还可实现火箭发动机大推力和高比冲的较好匹配,其应用也可拓展至RBCC发动机外的相似领域。     

弹丸速度对超爆轰冲压加速器性能影响

为研究超爆轰模态冲压加速器的推进性能，采用混合的Roe/HLL（Harten, Lax, Van Leer）格式，结合自适应网格加密技术(AMR )与沉浸边界法(IBM )，数值模拟了弹丸速度高于预混可燃气体C-J爆速的冲压加速器流场，揭示了弹丸速度对流场结构与推力的影响。结果表明当弹丸速度在一定范围时，斜爆轰波可驻定在弹丸肩部或头部，在弹丸尾部形成高压区加速弹丸，并且，斜爆轰波驻定在弹丸头部推力更高，稳定工作的速度范围 更宽 。     

固体燃料冲压发动机推力平稳性及飞行稳定性分析

分析了固体燃料冲压发动机中燃面退移速率的影响因素,建立了燃面退移速率仿真模型。在此基础上,建立了固体燃料冲压发动机工作过程仿真模型。采用该模型对固体燃料冲压发动机超音速巡航导弹的推力平稳性和飞行稳定性进行了分析。分析结果表明,选择适当的发动机设计参数能确保推力随时间的变化最小;发动机能根据巡航导弹飞行高度和速度的变化进行调整,使巡航导弹维持在设计点飞行。     

小偏差分析法在冲压发动机直连模拟试验中的应用

依据某给定几何尺寸亚燃冲压发动机的结构和性能参数,通过简化冲压发动机数学模型,理论推导了发动机直连试验模拟参数与推力之间的关系。针对其典型试验状态和工作特性,采用小偏差分析法计算了不同模拟参数及其组合对发动机推力和空气流量的影响结果。在此基础上,重点分析了不同模拟参数对发动机调节、高度和速度特性的影响规律,说明了模拟方法的合理性。该分析方法对固体冲压和液体冲压发动机地面直连试验性能评估具有一定指导意义。     

新型四余度功率电传推力矢量控制技术

通过对现有不同类型功率电传(PBW—Power by wire)系统进行分析,根据航天运载器使用特点,提出了理想PBW系统的概念,并基于负载敏感原理提出了新型PBW系统方案。在此基础上,针对载人航天等高可靠性应用场合,提出了四余度PBW系统方案。通过仿真研究证明所提出的新型PBW系统具有比传统PBW系统更好的综合性能,是最接近于理想PBW系统的设计方案。通过对四余度PBW系统在故障情况下的工作情况进行仿真研究表明,四余度PBW系统具有两次故障工作、三次故障安全的余度等级。文中所提出的系统方案在未来大推力固体火箭发动机和氢氧发动机推力矢量控制系统中具有广泛的应用前景。     

Development Study on ATREX Engine

This is the status report of the development study on ATREX engine (Air Turbo Ramjet) that is now under way in the Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) cooperation with the Ishikawajima Harima Heavy Industries (IHI), the Kawasaki Heavy Industries (KHI), the Mitsubishi Heavy Industries (MHI). ATREX engine will be applied for the propulsion system of fly-back booster of TSTO space plane. ATREX is the combined cycle (a fan-boosted ramjet) engine providing the effective thrust from sea level static to flight Mach number 6. ATREX is worked on the expander cycle with precooling the incoming air as shown in Fig. 1. ATREX employs the tip turbine configuration which allows the compactness and the light weight of turbo machinery and the variable geometry airintake and plugnozzle which allow the wide range operation conditions.From 1990 to 1992, “ ATREX-500“ has been tested at the sea level static conditions. ATREX-500 is the 1/4-scale model of which fan inlet diameter is 300 mm and overall length 2,200 mm. From 1992 have been performed the wind tunnel tests on the primary components of ATREX, the axisymmetric variable geometry airintakes, the precoolers and the variable geometry plug nozzles. In parallel to the windtunnel tests, the ram combusters have been tested simulating the hypersonic flight conditions and the application studies on advanced carbon-carbon composite for the tip-turbine and fan assembly has been proceeded.In 1994 initiated the flight test plan in which ATREX will be verified in the practical flight conditions by using an unmanned flying test bench.In 1995 will be tested ATREX-500 installing the precooler under the sea level static conditions to examine the engine performance and the icing on the precooler.The present paper addresses the high loading ram combuster experiment using the mixer with skewed lobes to generate swirl flow and the analytical studies and the designs on the precooler and the precooled ATREX engine and the flight test plan.     

基于碳氢燃料裂解工作的ATR发动机性能分析

提出了一种基于碳氢燃料裂解气体驱动涡轮工作的ATR发动机方案,并对特定裂解气成分的碳氢ATR发动机性能进行计算,获得了裂解气中烷/烯比对发动机性能的影响规律。结果表明,在同一飞行条件下,随着发动机转速上升,推力逐渐上升,比冲基本呈减小趋势;在同一转速下,碳氢燃料裂解气中烷/烯比越大,发动机比冲越高。在烷/烯比4、转速百分比70%条件下,发动机比冲最高达到约7 644 m/s;随着烷/烯比逐渐升高,裂解气比热容逐渐升高。     

涡轮增压固体冲压发动机热力循环分析

针对未来导弹对推进系统高比冲、宽马赫、大空域的要求,将空速域宽广的空气涡轮火箭(ATR)和比冲性能好的固体火箭冲压发动机(SPR)进行集成,提出了涡轮增压固体冲压发动机(TSPR)的概念,对其进行热力循环分析,验证此组合概念发动机的原理可行性,建立了其热力循环分析模型.利用该模型在典型弹道上对ATR、SPR和TSPR的...     

Research on hypersonic aircraft using pre-cooled turbojet engines

Systems analysis of a Mach 5 class hypersonic aircraft is performed. The aircraft can fly across the Pacific Ocean in 2 h. A multidisciplinary optimization program for aerodynamics, structure, propulsion, and trajectory is used in the analysis. The result of each element model is improved using higher accuracy analysis tools. The aerodynamic performance of the hypersonic aircraft is examined through hypersonic wind tunnel tests. A thermal management system based on the data of the wind tunnel tests is proposed. A pre-cooled turbojet engine is adopted as the propulsion system for the hypersonic aircraft. The engine can be operated continuously from take-off to Mach 5. This engine uses a pre-cooling cycle using cryogenic liquid hydrogen. The high temperature inlet air of hypersonic flight would be cooled by the same liquid hydrogen used as fuel. The engine is tested under sea level static conditions. The engine is installed on a flight test vehicle. Both liquid hydrogen fuel and gaseous hydrogen fuel are supplied to the engine from a tank and cylinders installed within the vehicle. The designed operation of major components of the engine is confirmed. A large amount of liquid hydrogen is supplied to the pre-cooler in order to make its performance sufficient for Mach 5 flight. Thus, fuel rich combustion is adopted at the afterburner. The experiments are carried out under the conditions that the engine is mounted upon an experimental airframe with both set up either horizontally or vertically. As a result, the operating procedure of the pre-cooled turbojet engine is demonstrated.     

不同尾翼受发动机羽流作用对弹体飞行性能的影响

针对某型靶弹在试验飞行时采用不同尾翼布局所得的截然不同的飞行结果，开展了固体火箭发动机喷流干扰对飞行器飞行性能影响的研究。结果表明，发动机喷流与发动机推力偏心、偏斜的共同作用将对飞行器飞行姿态和弹道产生影响，且影响程度与飞行器尾布局有很大关系。     

Equivalence ratio and constriction effects on RBCC thrust augmentation

A theoretical analysis of a variable area rocket based combined cycle engine with and without simultaneous mixing and combustion is presented. The flowfield is solved using a steady, quasi-one-dimensional, inviscid control volume formulation with combustion effects included via a generalized equilibrium calculation. Compression augmentation is shown to be sensitive to the equivalence ratio within the primary rocket chamber, where ejector section performance is greatest at both low and high equivalence ratios but near a minimum at stoichiometric conditions. The thrust generated by the RBCC engine compared to that generated by the same rocket in isolation can be increased by as much as 12% at constriction ratios of between 45% and 50%. Thrust augmentation is also shown to vary with equivalence ratio, where for a fixed geometry the maximum thrust is generated at equivalence ratios slightly below unity.     

轴承位置对涡轮泵转子系统稳定性的影响研究

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了轴承位置对稳定性的影响研究。建立了涡轮泵转子非线性系统的动力学模型,分别研究了理想安装时和非理想安装条件下泵端和涡轮端轴承位置变化对转子系统稳定性的影响,给出了失稳转速随轴向位置的变化规律,为液体火箭发动机涡轮泵转子系统结构设计、故障诊断与安装维护提供理论依据。     

利用TDLAS技术评估火箭基组合循环发动机试验性能

针对宽范围工作的火箭基组合循环（RBCC）发动机推力、比冲和燃烧效率等性能难以通过关键参数的实时测量直接计算的问题,提出利用可调谐二极管激光器吸收光谱（TDLAS）技术实现发动机燃气温度、H2O组分浓度和速度多参数同时实时在线非接触式激光光谱测量方法,搭建用于RBCC地面试验性能分析的时分复用-扫描波长TDLAS系统。通过试验获得的(7444.352+7444.371)/7185.597cm -1 谱线附近吸收光谱,从而得到燃气温度、H2O组分浓度和速度参数,并结合数值模拟方法确定的流场参数纵向分布,实现基于关键参数在线测量的发动机性能直接计算。该方法有助于评判燃烧组织和结构改变对发动机性能的影响。