换热预冷发动机预冷特性和发动机性能数值研究

为深入了解换热预冷发动机换热器预冷效果和发动机性能，首先设计了叉排管束式细小通道换热预冷器，并采用非定常数值模拟方法对换热效果进行了仿真，然后结合换热预冷发动机性能计算程序对预冷发动机性能进行了研究。结果表明，飞行马赫数为2.5~4.0且氢气空气质量流比为0.03~0.09条件下，换热预冷器能将来流空气预冷90.6~471.2 K，低温氢气经吸热后温度升幅为266.1~455.3 K，换热效果良好。来流空气经预冷后涡轮发动机的飞行包线最高被拓展至马赫数4.0，达到了与超燃冲压发动机的衔接速域。相比于传统涡轮发动机，氢气空气质量流比为0.03时，本文换热预冷发动机加力状态推力能恢复至设计点推力水平；当氢气空气质量流比增加至0.09时，加力状态推力最高达到设计点推力的两倍左右。马赫数2.6以下换热预冷措施能小幅改善发动机比冲和耗油率（仅计算用于燃烧的氢气量）性能，而飞行速度大于马赫数2.6后换热预冷措施也难以抑制比冲和耗油率迅速恶化的趋势。     

甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭发动机性能分析

为研究以甲烷燃料为冷却剂的膨胀循环空气涡轮火箭发动机可行性及性能,采用部件法建立了甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭（Air-Turborocket, ATR）发动机性能评估模型,研究了压气机压比和冷却剂当量比等参数在不同飞行状态下对发动机性能的影响,分析了不同来流工况下发动机正常工作对各部件的性能需求。计算结果表明,通过大于1.0倍当量比甲烷预冷作用,甲烷预冷膨胀循环ATR发动机能在压气机压比低于2.0条件下实现Ma0~4.0速域连续工作,但由于甲烷焓值较低,限制了压气机压比的提升,因此甲烷较低的单位功是限制发动机性能改进的主要因素;甲烷预冷膨胀循环ATR发动机的涡轮功率只有在较高落压比和甲烷压力条件下才能平衡压气机功率需求;冷却循环系统与空气的热力循环匹配问题是各部件协同工作的关键,通过适当选取发动机各部件控制参数,能在Ma0~4.0速域内获得1250~2114s的比冲、70~110s的单位推力和50%的总效率。     

固体火箭超燃冲压发动机理论性能分析

基于布雷顿循环,考虑燃烧产物的离解,针对固体火箭超燃冲压发动机工作过程进行了建模研究,开展了发动机理论性能分析,研究了飞行参数、燃料种类对发动机性能的影响,探究了超燃冲压发动机的工作极限。结果表明：固体火箭超燃冲压发动机的性能随着飞行马赫数的增大和飞行高度的升高而下降;当工作当量比增大时,质量比冲和体积比冲均下降,但比推力逐步上升;当工作空燃比增大时,比推力下降,但质量比冲和体积比冲均逐步升高。燃料种类对发动机性能有显著影响,在空燃比5～27的范围内,固体推进剂的体积比冲存在明显优势,但比推力和质量比冲不及氢气和煤油。相比于氢气和煤油,采用硼基固体推进剂作为燃料的超燃冲压发动机可以在更宽的飞行马赫数范围内工作,预示着固体火箭超燃冲压发动机宽包络飞行的潜力。     

射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能模拟

为扩展吸气式涡轮火箭发动机工作范围,提高发动机性能,在常规涡轮火箭发动机基础上加入射流预冷系统并修改热力模型,建立了射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能计算模型。在给定航迹和控制规律下分析了不同压气机进口限制温度对喷水量、净推力和比冲的影响。仿真结果显示加入射流预冷器可以极大的扩展涡轮火箭发动机的工作范围,在高马赫数下可以极大的提高涡轮火箭发动机的净推力。     

预冷空气涡轮火箭发动机氦循环系统的参数特性

针对预冷空气涡轮火箭发动机(PATR)方案,建立氦循环系统数学模型,模型考虑组件结构特征、几何尺寸、工质物性等主要因素。数值计算表明:PATR的推力和比冲性能较优,模型可描述发动机氦循环热力过程,其中发动机余气系数是影响发动机推力、比冲的关键参数。提高氦循环系统最高设计压力和降低空气预冷器氦进口温度可有效降低压力损失和氦压气机功率,最高压力每增大1MPa,系统平均压力损失下降1.1%,氦压气机输入功率下降3.2%;空气预冷器氦进口温度每升高1K,系统平均压力损失上升0.086%,氦压气机输入功率升高2.3%。     

变循环发动机双涵道模式下变几何控制探索

为了实现变循环发动机的性能优化,利用混合优化算法寻找最优的几何控制变量来实现变循环发动机的性能提升。在节流优化过程中,采用了单独减小高压转子转速和协同调节高低压转子转速两种控制方案,并计算了巡航状态时在这两种控制方案下发动机由最大推力到50%最大推力的节流过程中,发动机性能参数和工作参数的变化。计算结果表明:在高度为11km、马赫数为0.9条件下,保持进口流量不变,在50%最大推力时协同调节方案相比单一调节方案,发动机的耗油率下降了5.997%,另一个巡航状态(高度为9km,马赫数为0.8)下也有相似的结果。这表明采用高低压转速协同控制能对发动机进行更有效的控制,进一步改善了发动机的巡航性能。     

预冷型组合循环发动机技术

预冷型组合循环发动机具有工作速域宽、比冲高和推重比大等优点,在未来空天领域有广阔的应用前景。本文首先回顾了LACE、SABRE和ATREX等主要预冷型组合循环发动机的工作原理、技术特点和研究情况,对各型发动机热力循环中面临的难点问题进行了分析。其次,针对发动机预冷器、压气机、涡轮和燃烧室等关键部件,建立了热力循环计算模型,研究了预冷和燃烧对冷却剂的流量需求问题、预冷器与压气机性能参数匹配问题和压气机与涡轮共同工作问题等。结果显示,1.0～2.0倍当量比的氢在马赫数0～4.5速域内能将空气冷却51～476 K,而相同流量的甲烷在马赫数0～4.0速域内仅能将空气冷却24～182 K;熵函数用于表征预冷器和压气机在热势差效应和功热转换过程中的能量损失总和,根据发动机性能需求,在熵函数图上可设计不同的当量比-压比（φ-π_c）协同工作线;涡轮总功率是影响预冷发动机压气机压比的主要原因,与传统涡轮相比,驱动涡轮的工质（冷却剂）流量小,要求涡轮单位功率高,给涡轮设计带来挑战。最后结合评估结果对预冷型组合循环发动机的未来发展提出了一些建议。     

旁路放气循环高速单轴涡喷发动机安装性能模拟

针对Ma3.5旁路放气循环单轴涡喷发动机,提出一种压气机旁路放气计算方法,建立基于进/排气系统特性数据库的涡轮发动机安装性能计算模型,分析压气机旁路放气对压气机共同工作线和发动机高空高速推力性能的影响,给出压气机旁路放气量的调节原则,计算发动机安装性能、进/排气安装阻力沿飞行轨迹的变化规律。计算结果表明:当飞行马赫数大于2.3后需打开压气机旁路放气,旁路放气阀门面积和放气流量均随着飞行马赫数的增大基本呈线性增大趋势;通过压气机旁路放气,可显著改善单轴涡喷发动机在高空高速飞行条件下的稳定性和安装推力性能,在飞行马赫数3.0附近,可实现安装推力提高30%以上;在跨声速至飞行马赫数2.0区间内,推力安装损失最大,约为非安装推力的25%～30%。     

预冷组合循环发动机吸气式模态建模与性能分析

为了对预冷组合循环发动机开展性能分析，以协同吸气式火箭发动机（SABRE 4）为研究对象，采用部件法建立了发动机稳态模型，计算获得了SABRE 4发动机在吸气式模态下沿飞行弹道的性能参数变化规律。然后对发动机的高度和速度特性进行研究，得到了发动机的飞行包线。计算结果表明，在吸气式飞行弹道内，核心机推力和比冲的变化分别为488~680kN和34786~46954m/s。SABRE 4发动机具备推力大和比冲高的性能优势。在预冷器工作过程中，随着飞行马赫数增大，预冷器换热量不断增大，进入预燃室的氢流量减小，预燃室总温降低，HX3的吸热量减小。与其他压气机和涡轮相比，空气压气机和氦涡轮的工作参数变化较大。SABRE 4发动机通过对来流空气进行预冷，可实现在大空域和宽速域内工作。由于空气压气机的喘振和堵塞边界限制，发动机的高度和速度特性分别存在飞行高度和飞行马赫数的限制。     

SABRE预冷器计算模型及其在整机模型中的应用

预冷器的性能对SABRE等预冷组合循环发动机具有重要影响,为实现发动机方案设计阶段预冷器的快速设计与评估,建立了预冷器准二维快速评估模型。将SABRE预冷器的几何结构简化为一个扇环形区域,沿径向和周向将该区域划分为二维节点。应用守恒方程及传热关联式完成单个节点计算,再求解节点矩阵的平衡方程组,计算内外流体特定节点上参数的二维分布,得到预冷器出口参数。将模型嵌入发动机总体性能程序中,实现了发动机设计及非设计点的预冷器性能计算的功能。与文献数据对比结果表明,预冷器模型传热计算误差小于5%,摩擦阻力误差小于10%。整机计算结果显示,Ma0~5范围内,预冷器空气侧温降范围为143K至932K,温降随飞行马赫数升高单调上升。预冷器传热有效度范围为0.896-0.945,空气侧总压恢复系数范围为0.852-0.904。     

吸气式激光推进飞行器发动机特性分析

介绍了吸气式脉冲激光爆轰推进的环聚焦构形飞行器概念,建立了进气道流动模型;利用Chapman-Jouguet爆轰理论和Sedov自相似律,建立了冲量发生与推力传递模型,给出了冲量耦合系数及等效比冲与飞行参数、激光脉冲参数之间关系的解析表达式。计算了发动机冲量耦合系数及等效比冲随飞行高度、马赫数、入射激光强度和脉宽等因素变化的曲线,结果可为相关构形飞行器的弹道与激光器工作模式设计提供参考。     

面向一体化计算的整体式液体冲压发动机建模及性能评估

为发展冲压发动机性能工程预估方法,建立了面向一体化计算的整体式液体冲压发动机性能计算模型,并使其兼容基团贡献算法,提高了拓展性。利用模型分析了冲压发动机在攻角0°～6°、高度0～18km、马赫数2.0～3.5、余气系数1.0～2.9范围工况多维度连续变化下,比冲、推力系数和燃油质量流量的速度-高度特性、高度-节流特性、节流-速度特性以及攻角特性。研究结果表明:性能计算模型可在一体化计算条件下、基团贡献算法允许范围内,不依赖试验数据对冲压发动机性能预估,计算结果与技术参考值相比相对误差均小于14%。推力系数和比冲具有基本一致的速度-高度特性和相似的高度-节流特性,受燃气组分影响,推力系数和比冲的节流-速度特性差异明显。燃油质量流量的变化规律不同于比冲和推力系数,在进入平流层后呈现折缓趋势,而呈现连续性,速度越大、高度越低、余气系数越小,燃油质量流量越高,反之则越小。引入攻角以后,攻角越大,比冲和推力系数越低,进气道起动马赫数越高;攻角-起动马赫数曲线小范围内近似线性,攻角超过5.6°非线性加剧。     

空天机复合循环推进技术新概念研究——液化空气循环在其中的应用

研究了空天机复合循环推进技术中的一个新概念——以液化空气循环为基础的SERJ组合发动机性能。计算了空气液化后分离为液氧和液氮后组合发动机在不同高度、不同飞行马赫数下的性能曲线,并考虑了液化空气量对组合发动机性能的影响。对计算结果的分析表明,液化空气循环虽然使组合发动机推力下降,但能使比冲有较大幅度的上升;液化空气量过大与过小均不利于进一步提高比冲性能,而是存在一个最佳值。     

飞行状态下脉冲爆震发动机性能估计分析

在理想单循环脉冲爆震发动机分析模型的基础上,通过引入进气道建立了一定飞行状态下的自吸气的脉冲爆震发动机理论性能计算模型,研究了当飞行状态改变时,脉冲爆震发动机的性能变化趋势,计算结果表明,对给定模型,飞行高度和飞行马赫数对脉冲爆震发动机性能的影响是不一样的,决定于进气道和爆震室的推进特性,同时模型也考虑了爆震频率和爆震室直径对性能的影响,这为脉冲爆震发动机的理论设计和分析提供了一定依据。      

某民用涡扇发动机飞行包线内吸雨量计算分析

分析吸雨对发动机工作性能的影响,首要的是确定能被发动机吸入的雨量。通过综合考虑适航规章要求的大气雨水分布、环境温度、飞行速度、发动机功率和聚集效应对发动机吸雨的影响,结合完整的推力调节计划,计算分析了某民用大涵道比涡扇发动机在不同推力等级下全飞行包线内风扇进口水气比(WAR)。结果表明:在同一马赫数下,风扇进口水气比在6 100m处达到最大;在该高度以下,水气比随着高度的增加而增大;在该高度以上,水气比随着高度的增加而减小;飞行马赫数越大、环境温度越高,水气比也越大;并且标准天空中慢车推力下的风扇进口水气比最大可达到7.38%。该计算方法可为民用涡扇发动机吸雨适航取证的关键点分析提供参考。     

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。