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。     

流-固-推进耦合下的机体/推进一体化性能分析

吸气式空天飞行器的一体化性能随扰动变化的敏感性高,在高马赫数飞行条件下,有必要开展流-固-推进耦合性能分析。针对机体/推进一体化布局的吸气式飞行器,明确一体化部件之间的耦合关系和耦合问题,利用CFD、有限元和准一维流方法,结合本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)降阶手段,建立吸气式空天飞行器流-固-推进多物理场耦合快速分析方法,并开展多场耦合特性分析。结果表明:(1)进气道压缩面的流-固耦合导致出口静压的最大振荡振幅约为平均静压的21.6%,而出口马赫数的最大振幅约为平均马赫数的8.45%。(2)进气道出口性能的振荡会影响发动机的推力性能,导致推力振荡幅值可达平均值的31%,且随着时间的推移,会在进气道外压缩流场产生大量的气动涡,涡结构进入进气道后会导致进气道出口性能的持续下降,进一步削弱了发动机的平均推力性能。     

RBCC飞行器爬升段轨迹设计方法

 火箭基组合循环（RBCC）的发动机推力与飞行轨迹相互影响,导致飞行器轨迹设计与发动机性能分析存在耦合作用。对RBCC飞行器爬升段的轨迹设计方法进行研究,提出了基于马赫数-动压参考曲线的轨迹设计方法。对非均匀有理B样条(NURBS)曲线进行了定义补充,以用于描述具有任意形状的马赫数-动压参考曲线,并对参考曲线的各控制参数选取方法进行了研究;建立了基于二分法求解迎角并实现轨迹方程求解的算法流程。利用提出的轨迹设计方法对空中载机发射的RBCC飞行器进行了爬升段轨迹设计与分析,计算结果表明：(1)马赫数-动压参考曲线法考虑了发动机性能与飞行轨迹的耦合作用,能够适用于RBCC飞行器爬升段的轨迹设计;(2)引射模态低速段（Ma<2.0）消耗的推进剂质量超过爬升段的50%以上,是发动机性能优化的关键;(3)引射模态推进剂流量最大值与最小值之比达到了6.3;(4)当飞行马赫数达到1.7后引射模态下的来流空气冲压作用超过了一次火箭的引射作用,在保证空气捕获方面占主导地位。     

俄罗斯高超声速无人运载飞行器“铁锤”项目解析

高超声速技术是未来空天领域的技术制高点。为对抗美国的多项空天飞行器与高超声速技术研制计划,俄罗斯提出了“铁锤”高超声速无人运载飞行器项目,旨在利用成熟的航空与火箭技术,研制可重复使用的空天系统超轻型无人运载飞行器。重点介绍了“铁锤”项目第一阶段运载飞机及其动力的研究进展,并通过对运载飞机原型机方案、总体布局,以及带隔道的进气道、冲压发动机等关键技术的解析,初步总结了该项目运载飞机技术的特点和气动特性,可为我国空天入轨飞行器及其动力研究提供参考借鉴。     

基于飞/发一体化的涡轮冲压组合发动机概念方案设计

建立了飞/发一体化约束分析与任务分析模型,形成了由飞行器指标参数到发动机推力需求的概念设计方法。基于某超声速飞行器的设计指标,开展了飞/发一体化分析,确定了满足任务约束的飞行器总重和发动机推力需求,初步确定了发动机的技术方案,并基于飞/发一体化分析方法,对飞行器的任务轨迹、组合发动机模态转换马赫数和超级燃烧室尺寸进行了优化,可为后续组合发动机总体方案设计提供明确牵引。     

垂直发射巡弋飞行器总体设计方法研究

垂直发射巡弋飞行器采用由固体火箭发动机与涡喷发动机组合而成的动力系统,飞行器与动力系统一体化设计更为复杂。本文提出双质量迭代算法,通过装药质量与燃油质量的迭代计算实现垂直发射巡弋飞行器总体参数初步设计,对飞行器与动力系统的一体化设计问题进行研究,基于典型任务剖面分析了关键设计参数对于飞行器总体性能的影响规律。结果表明,飞发集成引起的涡喷发动机推力损失系数和固体火箭发动机推重比均会对飞行器总体性能产生重要影响,当推力损失系数在0.2以下时,该系数每提高0.05,起飞质量增大约3%,涡喷发动机的最大推力指标提高约5%。在总体方案设计时应尽可能降低涡喷发动机推力损失系数,并将固体火箭发动机推重比控制在4～8的范围内。     

一种两级入轨可重复使用飞行器规模评估方法

以水平起降两级入轨可重复使用天地往返飞行器为研究对象,在考虑发动机模态转换条件及性能和飞行器推阻特性的情况下,提出了一种基于运载任务能力的飞行器结构质量和容积规模评估的逆向分析方法。根据飞行任务特点,分别借鉴提出了一种运载系统一级和二级的飞行器气动布局方案。以2T有效载荷、LEO近地轨道为任务需求,以马赫数6.0、高度30km为分离点,对飞行器外形尺寸和结构质量及燃料装填进行了评估,并探讨了飞行器结构质量与尺寸间的关系,以及推进剂参数、发动机性能和飞行剖面等对飞行器规模的影响。结果表明,发动机效率对飞行器整体规模影响显著,液体燃料在起飞总重方面有优势,更适合于两级入轨飞行器。同时,不同飞行剖面对飞行器规模有一定影响,概念设计阶段应合理选择飞行剖面以减轻设计难度。     

可重复使用宽域高速飞行器低速段动力方案分析与选型

为快速评估不同类型的发动机方案在可重复使用宽域高速飞行器上的适用性,对飞行器动力方案中至为关键的低速段动力方案进行了综述分析。系统研究了不同动力方案在解决宽域工作问题方面基本原理的差异,给出了各方案的工作过程及宽域工作性能,并概括分析了典型方案所适配的目标飞行器的基本情况,为飞行器总体动力方案的设计提供参考。研究结果表明：宽域高速飞行器任务需求差异对低速段动力方案的选择具有重要影响;宽域加速型任务与高速巡航型任务差异较大,但随着飞行器马赫数上限的增加,两种任务模式下低速段动力方案选择的差异开始变小;对于某一确定飞行任务的宽域高速飞行器,满足其加速需求的低速段动力方案也不唯一;基于涡扇的变循环发动机方案、燃料直接预冷发动机方案及火箭冲压RBCC与现货涡轮发动机组合的方案在加速型任务与高马赫数巡航型任务中均可适用;基于现货发动机改造及组合的低速段动力方案,在低成本、高敏捷的两级入轨飞行器第一级中应用前景较好。     

空气液化发动机参数分析

为了准确分析空气液化发动机为飞行器性能的影响，有必要分析发动机在整个飞行过程中的参数变化。对基本空气液化方案和空气液化分离方案两种发动机进行了构型和系统分析。计算表明空气液化发动机的推力、比冲等重要的总体参数在飞行过程中会有较大的变化。分析数据对全面、准确分析飞行器性能提供了依据。     

多模态RBCC主火箭室压对引射流动燃烧影响研究

为了研究火箭冲压组合动力循环(RBCC)发动机主火箭室压对引射模态发动机性能的影响,针对宽范围飞行的二元中心支板式构型,分析了引射模态亚声速飞行阶段发动机工作特点,采用发动机与飞行器前后体集成的全流道数值模拟计算方法,研究了主火箭室压对RBCC亚声速飞行阶段燃烧室流动燃烧及发动机性能的影响。结果表明:主火箭室压增至26MPa时,由于主火箭喷管面积扩张比相应增大,使得主火箭喷管出口射流欠膨胀程度没有增大,避免了Fabri壅塞现象的产生,同时增大的主火箭射流马赫数使主火箭射流对第一级凹腔下游二次流道的挤压作用明显减弱,综合作用使得Ma=0和Ma=0.8条件下引射比分别提高了22.4%和40.0%;全流道计算结果表明在亚声速飞行阶段,提高主火箭室压一方面提升了主火箭推力,另一方面提升了燃烧室及后体推力,综合作用使得发动机比冲分别提高了11.5%和25.3%。提高主火箭室压有利于提升宽范围飞行RBCC发动机亚声速飞行阶段发动机性能。