高超声速航空发动机强预冷技术研究

高超声速飞行器动力是水平起降重复使用高超声速飞行器和单级入轨航天器能否成功的决定性因素,但目前仍面临许多问题,而强预冷是解决高超声速飞行器动力面临的问题的重要手段。本文对比分析了国外已有预冷发动机方案,并对其中优势最为明显的高超声速强预冷航空发动机的研究进展进行了总结。针对高超声速强预冷航空发动机中最为核心的紧凑快速强换热器,详细介绍了国内在其所涉及的微尺度流热耦合换热机理、流热耦合数值模拟、紧凑强换热器设计制造等方面的进展。国内外已有研究表明,强预冷高超声速航空发动机技术是一项具有非常巨大的潜在技术优势和前瞻性的共性技术,有望成为未来最适用的高超声速飞行器动力技术,值得引起关注并开展进一步的深入研究。     

一体化热防护结构传热分析及防热特性研究

正高超声速飞行器已逐渐成为各国航空航天领域发展的重要方向,高超声速飞行器的气动加热问题是限制其发展的一个重要问题,被称为"热障",热防护系统对高超声速飞行器至关重要。高超声速飞行器的热防护系统的主要作用,是在高超声速气动热力的环境下保证飞行器内部结构的温度维持在一定的范围内,确保结构的安全,热防护系统的研究对高超声速飞行器的发展和应用具有重大意义。常见的热防护系统有以下几种形式:吸热式热防护系     

高超声速飞行器热防护技术研究进展和趋势分析

热防护技术是决定高超声速飞行器设计成败的关键要素。高超声速飞行器不同部位将承受不同的力、热载荷,需选择不同的热防护方案。以HTV-2、X-37B和NASA的亚轨道运输飞行器为例,系统介绍三类典型高超声速飞行器采用的热防护方案,并揭示了热防护技术的最新进展。未来,材料工艺技术的发展和创新型热防护方案的研发,将进一步提升热防护系统的技术成熟度和适用范围,为各类高超声速飞行器的设计研制提供重要的能力保障。     

高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发

新一代高超声速飞行器流-热-固耦合问题研究对准确评估与设计飞行器热防护系统结构尤为重要。回顾了高超声速飞行器流-热-固耦合问题的发展历程与现状。从物理含义出发,对高超声速流-热-固耦合问题各学科间的耦合关系以及各自的建模方法进行了归纳。对高超声速飞行器流-热-固耦合问题的研究进展,特别是流-热-固多场耦合分析策略/方法进行了总结。从平台框架、功能模块、耦合方法和技术特点等方面,对中国空气动力研究与发展中心自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台(FL-CAPTER)进行了阐述。最后,对高超声速飞行器流-热-固耦合发展所面临的问题和发展趋势进行了讨论。     

高超声速气膜冷却技术研究进展及发展方向

随着飞行器速度的进一步提高以及对可重复使用飞行器的需求,高超声速气膜冷却技术已经成为航空航天技术发展的热点问题。开展高超声速飞行器主动气膜冷却技术研究,对于解决高超声速飞行器面临的热防护问题,突破防热技术瓶颈,有十分重要的意义。本文在对主动冷却热防护技术原理、分类及其机制进行系统研究的基础上,从实验研究和数值模拟两个维度,对二维槽缝气膜孔工艺、离散气膜孔工艺和高超声速逆向喷流技术等高超声速气膜冷却技术以及影响气膜冷却效果的因素的研究现状进行了梳理和分析,进而提出了高超声速气膜冷却技术的防热材料研制、材料制备工艺、多气膜孔特性实验研究、逆向喷流气膜孔冷却技术实验验证等研究方向。     

高超声速飞行器结构热防护技术现状综述

随着航空航天技术的飞速发展,高超声速飞行器的研制日益受到各国的重视,飞行器以高超声速飞行时带来的热防护问题成为结构设计中的关键制约因素和主要技术瓶颈。本文简要介绍了高超声速飞行器的现有热防护基本形式;针对其不同部位的受热环境,重点分析了热防护形式及热防护材料的选择方法;并对未来高超声速飞行器热防护技术的发展趋势进行了展望。     

高超声速滑翔飞行器表面加热特点研究

高超声速滑翔飞行器具有高机动和远程快速到达能力,是高超声速技术应用的前沿领域。快速准确地预测飞行器表面受热变化特征,对高超声速滑翔飞行器热防护系统设计十分重要。以基于锥导乘波构型的高超声速滑翔飞行器和跳跃飞行弹道为研究对象,对其表面不同特征区域的加热开展了快速预测方法研究;采用选用方法分析驻点辐射平衡温度随飞行弹道的变化规律;在弹道特征位置上针对飞行器前缘及上、下表面的加热情况进行分析,获得高超声速滑翔飞行器受热的整体特征,可为分区域选择热防护措施提供参考。     

“升力推力”飞行器技术分析

大气层中的高超声速巡航飞行,将是继喷气发动机时代之后航空发展的又一里程碑,而飞行器设计的"升阻比"屏障也是继热障、黑障之后的又一技术关键."升力推力"飞行器是根据新世纪对高超声速飞行器的需求提出的一种新型飞行器概念,它可以使飞行器的升阻比得以有效提高.本文对"升力推力"飞行器概念及其动力进行了技术分析,并对其未来的发展进行了展望.     

高超声速飞行器热结构设计分析技术研究

综述了国内外高超声速飞行器结构热设计分析技术的进展,探讨了计算气动热力学应用于高超声速飞行器结构设计的能力与局限性的现状,提出并讨论了高超声速飞行器热结构设计分析的关键技术及其发展趋势:(1)高超声速飞行器瞬态表面温度和气动加热率计算技术;(2)流-热-固多物理场耦合机理模型技术;(3)流-热-固多场耦合计算分析技术;(4)高超声速飞行器热防护结构设计技术。     

高超声速飞行器复杂结构热试验技术

为解决高超声速飞行器复杂结构热试验加热器设计难题,以高超声速飞行器钝头体试验样段为研究对象,对复杂结构热试验从试验方案确定,加热器详细设计,温度、应变、位移的测量及热流控制方法等相关技术进行研究。通过自行设计的红外加热器完成了钝头体试验样段的高温试验,获得了大量的温度、应变、位移等试验数据。通过本次研究,梳理了高超声速飞行器复杂结构加热器设计流程,为优化结构设计提供了重要试验数据支持。     

高超声速飞机动力需求探讨

近年来,随着高超声速技术的长足进步,特别是在超燃冲压技术逐渐面向工程化的背景下,关于高超声速飞机及其动力系统的讨论也频繁出现。为了在宽速域条件下工作,基于不同热力循环工作模式的组合动力系统相继被提出,高超声速飞机的动力发展形式出现了百花齐放、百家争鸣的局面,也对高超声速飞机动力系统的选型提出了巨大挑战。通过对飞机发展史及高超声速相关发展技术的综述,阐述了现阶段组合动力是高超声速飞机动力主要发展方向这一结论,针对高超声速飞机需求,梳理和分析了几种高超声速组合动力系统的工作原理、工作特性及优缺点,并展望了采用组合动力系统对未来高超声速飞机研究带来的挑战。随着飞行速度的提高,高超声速飞机和动力系统的一体化势在必行。     

适应飞机需求的进气预冷技术路线分析

为了综合评价高超飞机用高Ma的涡轮发动机及其组合动力的预冷技术方案,从工程应用角度以飞机动力需求为牵引, 开展了射流预冷、超临界氦强预冷和燃油强预冷技术方案的对比分析。针对3种预冷技术方案的原理、技术优势、存在的问题,以 及适应飞机需求的标志性技术指标开展分析和评估,从跨速域时性能、技术难度及风险、付出的成本代价和周期,以及发展前景等 方面开展了综合分析。结果表明：从满足产品需求的角度出发,与超临界氦强预冷和燃油强预冷技术方案相比,射流预冷技术装 置结构简单、可靠性高、总压损失小、可与进气道高度集成、供水量适度,以及涡轮发动机本身提供的功率足以驱动射流预冷系统 无需额外能源,是目前涡轮发动机扩包线的较优方案。     

基于第二动力技术的TBCC综合能源展望

飞行器电能、液压能和气压能的功率需求由第二动力系统单独做功或提取发动机主轴功率供应。TBCC发动机模态转换后,第二动力系统无法从发动机主轴提取功率。因此,需要解决空天飞行器第二动力系统长时间大功率能量输出的问题。分析航空蓄电池、起动发电机、APU、GTS、ATS和RAT的技术特点、发展现状以及第二动力的发展趋势,结合高超声速飞行器的发展趋势,提出ATS/RAT组合和多电超导发动机/大比能的储能装置技术组合是实现空天高超声速飞行器综合能源的技术路线。     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。     

Utilisation of turboelectric distribution propulsion in commercial aviation: A review on NASA’s TeDP concept

Emissions produced by the aviation industry are currently a severe environmental threat; therefore, aviation agencies and governments have set emission targets and formulated plans to restrict emissions within the next decade. Hybrid aircraft technology is being considered to meet these targets. The importance of these technologies lies in their advancements in terms of aircraft life cycles and environmental benignity. Owing to these advancements, hybrid electric systems with more than one power source have become promising for the aviation industry, considering that the growth of air traffic is projected to double in the next decade. Hybrid technologies have given future hybrid fans and motor-fan engines potential as alternative power generators. Herein, Turboelectric Distributed Propulsion (TeDP) is discussed in terms of power distribution and power sources. The fundamentals of turbofan and turboshaft engines are presented along with their electricity-generation mechanism. TeDP is discussed from a design viewpoint, with a detailed discussion of different types of hybrid electric and turboelectric systems. Examples of proposed TeDP aircraft models and numerical modelling tools used to simulate the performance of TeDP models are reviewed. Finally, innovative turboelectric systems in which electric power savers and mechanical gear changers have been discarded for weight optimisation are presented along with other prospective models, engines, approaches, and architectures. The findings of this review indicate the knowledge gaps in the field of numerical modelling for NASA’s TeDP and its capability to increase the efficiency by up to 24% with a 50% reduction in emissions relative to those of conventional gas turbines.     

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作：采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。     

机载供电系统双余度控制器的容错控制

介绍双发（Twin-engines）系统的战斗机的机载供电系统控制器的设计和实现。机载供电系统控制器是管理飞机的供电系统的航空电子设备,是飞机供电系统的核心设备,肩负飞机安全的使命。为了提高控制器的可靠性和灵活性,放弃传统的模拟方法,使用先进的数字化技术实现对飞机供电、配电系统的管理。在设计中为了提高可靠性,使用主动复制的容错技术,设计了双余度控制器,在发生单通道错误的情况下,整个系统能够正确工作。对机载供电系统控制器容错技术进行了研究,包括双余度系统的管理策略、同步控制机制、余度管理和故障综合、信号比较监控和通道切换逻辑。     

舰载全电推进系统智能燃气轮机的关键技术及发展展望

随着对性能、运行安全和节能减排的日益重视,对燃气涡轮发动机的设计要求越来越高。在过去的10年中,智能燃气 涡轮发动机由于可以兼顾性能及可靠性而越发受到重视。通过提炼智能燃气涡轮发动机的收益及挑战,系统回顾了智能燃气涡 轮发动机涵盖的技术领域及需求。通过与航空发动机及地面燃气轮机的典型任务剖面差异进行对比,提出针对舰载燃气涡轮发 动机智能化特色需求。在此基础上,梳理出进气畸变实时监测及畸变指数评估、压缩系统喘振预警及叶片振动监测、高压涡轮自 适应热管理和高温旋转件叶尖间隙测试4项关键技术。重点讨论了每项关键技术带来的收益、国内外研究现状及实施这些技术 所面临的挑战。然而,上述关键技术的落地仍需从单一技术的成熟及完善、多维度的技术收益论证2个层次持续开展相关工作。     

A power and thermal management system for long endurance hypersonic vehicle

Due to the pneumatic heating and combustion effect, the scramjet engine of hypersonic vehicle faces high temperature challenge. It is necessary to comprehensively consider its thermal management and power generation together. A new Power and Thermal Management System (PTMS) combined with Supercritical Carbon Dioxide (SCO₂) closed Brayton cycle and fuel vapor turbine is proposed and discussed in this paper. The new PTMS can meet the cooling requirement of hypersonic vehicle at Mach number 6–7, and avoid the coking and scrapping in the scramjet cooling channels. Compared with the PTMS only based on fuel vapor turbine, the new PTMS utilizes the waste heat of scramjet to generate more electricity. In addition, it can reduce the use of fuel sink for cooling, and the additional weight penalty can be compensated for long endurance hypersonic flight.     

Hydraulic piston pump in civil aircraft: Current status,future directions and critical technologies

The piston pump is the key power component in the civil aircraft hydraulic system, and the most common pump used in the aviation field is the pressure compensated variable displacement type. In this review paper, a basic introduction to the civil aircraft piston pump is presented, including the classification, structure, working principle, design features, and achievements by some research groups. Then, the future directions of the aircraft pump are reported from various perspectives. Further, the critical technologies are analyzed and summarized in detail from six thrust areas: friction couples, noise reduction, inlet boost, thermal management, fault diagnosis and health management, and mechanical seal. Finally, the challenges and limitations of the research on the aircraft pump are discussed to provide valuable insight for future scholars.