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。     

脉冲爆震外涵加力分排涡扇发动机性能分析

为了研究外涵带脉冲爆震燃烧室分排涡扇发动机的性能,基于部件法建立了外涵装有脉冲爆震燃烧室（PDC）的分排涡 扇发动机性能模型,分析了PDC工作参数、外涵循环参数和飞行工况对整机性能的影响。结果表明：PDC频率提高,PDC增压比和 加力温度提高,发动机单位推力增大,耗油率升高;PDC当量比增大,PDC增压比和加力温度先提高后降低,发动机单位推力先增 大后减小,耗油率一直升高;脉冲爆震外涵加力由于只利用外涵部分气流组织燃烧,耗油率远低于传统加力的,当PDC频率超过 41 Hz时,脉冲爆震外涵加力发动机的单位推力大于传统加力涡扇发动机的;涵道比增大,参与爆震燃烧气流增多,发动机单位推 力增大,耗油率升高。风扇压比提高,发动机单位推力先增大后减小,耗油率一直降低;在飞行高度一定时,飞行马赫数提高,发动 机单位推力减小,耗油率升高;在飞行马赫数一定时,飞行高度增加,发动机单位推力先增大后略微减小,耗油率先降低后略微升 高;在不同飞行工况下,脉冲爆震外涵加力发动机的耗油率远低于传统加力涡扇发动机的。     

双模态冲压发动机Ma6性能潜力受燃烧室入口参数影响的灵敏度分析

为系统掌握燃烧室入口参数对双模态冲压发动机性能潜力的影响,采用双模态冲压发动机燃烧室工作过程的一维分析方法,在飞行马赫数为6的不同燃烧室工作工况(即不同特征马赫数Mac)条件下,保持进气道捕获流量不变,研究了燃烧室入口马赫数Main和总压恢复系数σin对性能潜力(燃料比冲Isp,f)的影响。获得的数据表明,冲压发动机的性能潜力受燃烧室入口马赫数和总压恢复系数两者的综合影响,燃烧室入口马赫数越低、总压恢复系数越高,发动机性能潜力越大;在常见的燃烧室入口参数范围内(入口马赫数∈[2.4 3.5],入口总压恢复系数∈[0.3 0.7]),入口马赫数每减小0.1,燃料比冲增加约1.1%~1.8%,入口总压恢复系数越小,影响程度越大;入口总压恢复系数每增大0.1,燃料比冲增大约2.4%~4.0%,入口马赫数越大影响程度越大;存在燃烧室入口条件不同,但是发动机的比冲性能潜力相同的情况。对燃烧室分段过程的损失分析表明,在入口为超声速、加热段为亚声速(特征马赫数不大于1)工况条件下,入口马赫数增加导致燃烧区前激波串损失增大,是比冲性能降低的主要原因;燃烧室特征马赫数越大,燃烧过程导致的损失越大;从燃烧室入口到尾喷管出口全过程总压损失越小,获得的比冲性能越大。推导和拟合了冲压发动机冲量差燃料比冲随燃烧室入口马赫数和总压恢复系数的灵敏度关系式,与被拟合数据的差异在3%以内,该关系式可用于双模态冲压发动机部件参数匹配与流道一体化设计工作。     

进气道内压缩比对固体燃料超燃冲压发动机性能的影响

为研究固体燃料超燃冲压发动机进气道与燃烧室的匹配特性,以飞行马赫数为6、飞行高度为25km为设计点对发动机各部件进行初步设计,采用数值模拟方法计算了一系列具有不同进气道内收缩比的发动机模型.结果表明:在保持燃烧室结构不变的条件下,发动机推力与比冲随进气道内压缩比增大开始显著下降,随后小幅上升;在保持燃烧室入口面积扩张比不变的条件下,发动机总体性能随进气道内收缩比的增大而提高.在满足进气道起动与燃烧室火焰稳定的前提下,发动机设计应采用尽可能大的进气道内收缩比与尽可能小的燃烧室入口面积扩张比.      

基于推力连续准则的小型涡轮冲压组合发动机模态转换过程分析

基于数值模拟方法开展了小型涡轮冲压组合发动机性能计算与匹配性分析.给出了详细的性能计算流程、设计点参数确定准则和模态转换过程参数计算方法.根据涡喷发动机压气机进口、涡轮出口的总静压参数沿飞行轨迹的变化规律,确定了涡轮模态向冲压模态转换的合理区间.根据冲压燃烧室进口参数和静压平衡等约束条件,确定了小型涡轮冲压组合发动机关键截面几何参数.分析了不同的流量调节阀开度对模态转换过程参数变化的影响.按照推力连续的准则,确定了模态转换过程流量调节阀开度随马赫数的变化规律.最后给出了沿飞行轨迹的涡轮冲压组合发动机推力、比冲和喷管喉道面积的变化.      

气化煤油与乙烯超声速燃烧特性对比

为了研究燃料成分变化对超燃冲压发动机燃烧特性的影响,以气化RP-3(中国3#航空煤油)和乙烯为燃料进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=2.92,3.46,总温Tt=1430K。基于点火延迟时间、燃烧室壁面静压分布、推力增益和比冲,对比分析了两种燃料的超声速燃烧特性。结果表明,化学活性更高的乙烯比气化煤油具有更高的燃烧性能和燃料利用效率;Ma=2.92,当量比φ≈0.60和1.06时,乙烯的比冲比气化煤油分别约高15%和7.2%;当Ma增加到3.46时,相当的当量比下乙烯和气化煤油之间的比冲差距稍有扩大,约为18%和9.6%。燃烧室入口马赫数和当量比等工况参数对发动机燃烧特性有显著影响。燃料成分对发动机燃烧特性的影响随当量比的提高而弱化,但对燃烧室入口马赫数不敏感。     

基于等效热力过程的宽域冲压全流道性能设计方法

为了开展宽域冲压发动机的全流道设计工作,将双模态冲压发动机等效热力过程分析方法拓展到全流道设计,建立了基于等效热力过程的宽域冲压全流道性能设计方法。将该方法应用于带几何可调进气道的宽域冲压发动机全流道方案设计,分析了进气道调节、燃烧室尺寸对发动机性能潜力的影响。研究结果表明：马赫数2.0～3.5范围,在比冲和流量2个因素之间,流量对发动机推力性能影响更大,所以在低速段应尽力增大进气道流量;与第2级转折角相比,第2级折转角对比冲和推力的影响权重更大,采用较小的2级折转角有利于提高性能;获得最优推力和比冲性能需要不同的进气道方案。在所研究的马赫数范围,燃烧室需用面积相差很大,飞行马赫数越低、需用面积越大。若以低马赫数的高推力要求为设计依据,需要付出横向尺寸的代价,意味着阻力和重量的增大;若以高马赫数的高推力要求为选择依据,需要在低马赫数时付出推力性能的代价,意味着加速时间和耗油量的增大。本文发展的方法可以快速筛选获得最优推力性能或比冲性能的全流道方案,为宽域高性能冲压发动机的全流道性能初步设计提供有力支撑。     

喷管对旋转爆震发动机性能影响的实验

为了研究喷管对旋转爆震发动机（RDE）性能的影响,设计了RDE推力测试台,RDE环形燃烧室的内径和外径分别为70mm和80mm,长度为40mm,以氢气和空气分别作为燃料和氧化剂,采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,使用高能火花塞点火,并用压电式压力传感器测量推力,实验研究在燃烧室出口安装收敛喷管、扩张喷管以及拉瓦尔喷管对发动机工作性能的影响.结果表明,入口总质量流量小于0.126kg/s时,在发动机稳定工作的工况范围内,收敛喷管对发动机推进性能的提高最为明显.爆震波的传播速度及RDE的推进性能随着入口质量流量的增大而逐渐提高,而当量比则存在一个最佳值,使爆震波的传播速度及RDE的推力达到最大.基于混合物的比冲最高能够达到95.21s.      

超燃冲压发动机总体化性能分析

针对由后掠侧压进气道、矩形燃烧室和后掠侧板尾喷管构成的超燃冲压发动机模型,为了快速准确得到超燃冲压发动机的整机性能,建立了一套分析发动机总体性能的耦合流场计算方法。其中进气道和尾喷管流场分别求解三维单一气体和多组分抛物化N-S方程,燃烧室流场求解一维N-S方程,各部件在交接面处传递几何和流动参数。运用总体性能计算方法,研究了发动机构型的气动特性,给出了飞行高度、马赫数和攻角改变对发动机性能的影响规律。结果表明:该总体性能计算方法可用于超燃冲压发动机总体性能的快速预估;飞行高度对推力、升力和俯仰力矩的影响均较大且程度相近,三者随飞行高度增加均减小;飞行马赫数对发动机推力、升力的影响相近,对俯仰力矩的影响最大,三者随飞行马赫数增加均增加;飞行攻角对升力的影响最大,俯仰力矩次之,对推力的影响最小,随飞行攻角增加,发动机升力近似线性增加,推力和俯仰力矩分别呈增加和减小趋势。     

化学平衡效应对冲压燃烧室性能潜力与工作过程关系的影响分析

为了研究化学平衡效应对冲压发动机燃烧室性能潜力以及工作过程关系的影响,分析了考虑和不考虑化学平衡效应的准一维分析方法获得的三种典型冲压燃烧室工作过程与性能潜力的差别。研究结果表明,化学平衡效应减小了燃料的燃烧效率、燃烧室所需扩张比以及比冲,改变了高飞行马赫数下燃烧室扩张比与性能的对应关系;不考虑化学平衡效应时,亚声速燃烧室的最大比冲略优于双模态燃烧室,亚声速燃烧室和双模态燃烧室的最大比冲都出现在特征马赫数最小时;当考虑化学平衡效应时,双模态燃烧室的最大比冲略优于亚声速燃烧室,亚声速燃烧室的最大比冲出现在特征马赫数1时,双模态燃烧室的最大比冲在飞行马赫数4,5,6,7时分别出现在特征马赫数0.3,0.4,0.7和1.5附近;在高飞行马赫数时,应研究确切的化学反应过程,以确切协调燃烧室设计关系。      

粉末燃料冲压发动机理论性能分析

研究粉末燃料冲压发动机的理论性能,采用编制的热力计算软件,分别对以硼粉、铝粉、镁粉为燃料的发动机性能进行了计算,分析了不同参数对发动机比冲的影响趋势,为进一步研究及发动机设计奠定了基础。通过与常规液体燃料冲压发动机及固体火箭冲压发动机进行比较,说明了粉末燃料冲压发动机在比冲及体积比冲方面的优势。鉴于金属粉末燃烧产物中凝相物质含量高的特点,研究了两相流损失对发动机性能的影响。     

基于亚燃的高超声速冲压发动机内流道研究

为了研究亚燃冲压发动机在高超声速条件下工作的性能,采用总体性能计算方法和流体力学仿真对基于突扩燃烧的高马赫数亚燃冲压发动机内流通道进行匹配设计研究,得到了其速度特性和调节特性。结果表明,设计出的亚燃冲压发动机在高超声速范围内性能良好,能够正常工作。在接力点处,马赫数Ma=3.5,高度H=12km,得到最大推力系数为0.649,此时比冲为13 801.2N·s/kg;在巡航点处,Ma=5.0,H=21km,发动机余气系数α=1.8时,得到推力系数为0.370,此时最大比冲为12 574.0N·s/kg。研究认为,最大飞行马赫数为5~6的高超声速冲压发动机采用亚燃是可行的。     

燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机影响实验研究

为了研究燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机工作特性的影响,搭建了气液两相旋转爆轰实验系统,以汽油/富氧空气为工质,氢气/氧气预爆轰管作为点火装置,在不同燃烧室宽度下开展了一系列实验研究,分析了爆轰波的起爆过程,以及燃烧室宽度对爆轰波传播特性与发动机推力性能的影响。实验结果表明：点火后,燃烧室内需要经过一个爆燃转爆轰过程才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波在不同燃烧室宽度下均以双波对撞模态传播,对应的波速分布在850~1025m/s内,随着当量比增加,波速整体呈增加趋势;当燃烧室宽度减小,波速整体有所降低;不同燃烧室宽度下推力性能存在显著差异,其中燃烧室宽度在16.5mm下,发动机的推力和燃料比冲要明显低于11.5mm和9mm的;随着燃烧室宽度减小,内外壁面边界层在流场中的作用更为突出,降低了发动机推力的稳定性。     

燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响

为了研究旋转爆轰发动机燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响,采用守恒元和求解元(CE/SE)方法对带化学反应的汽油/富氧空气两相旋转爆轰理论模型进行求解,获得了气液两相旋转爆轰流场结构,并分析了燃烧室轴向和周向长度对燃烧室流场、爆轰波传播特性以及发动机推力性能的影响。计算结果表明:轴向长度对燃烧室上游流场影响甚小,却对下游流场参数影响较显著。随着轴向长度增加,燃烧室出口压力、温度、密度以及周向速度均降低,轴向速度则逐渐增大,同时发动机平均推力密度和燃料比冲先增大后减小。当周向长度过短,燃烧室内难以形成自持传播的爆轰波,随着周向长度增加,上游爆轰波强度增加,对应的流场参数均有所增大,但发动机推力性能略有所降低。     

水冲压发动机地面直连试验技术研究

建立了垂直进水的水冲压发动机地面直连试验系统。采用垂直进水方式,消除了进水冲量对轴向推力的影响。通过在进水管路上安装汽蚀文氏管,解决了发动机试车过程中流量不稳的问题。基于含镁量50%的固体推进剂,对某型水冲压发动机进行了两组不同水燃比的地面直连试验,试验过程中采集了发动机燃烧室压强、进水流量和发动机推力等数据。对两组试验数据的燃烧效率和比冲分析表明,水燃比的适量增加,有助于发动机性能提高。该试验结果符合之前的理论预估,证明了水冲压地面直连试验技术的有效可行。     

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。     

二级入轨载机小涵道比涡扇发动机探讨

对五种涡轮发动机的概念研究表明 :小涵道比涡扇发动机与冲压发动机组合,适于用作二级入轨载机的动力装置。      

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。      

含铝固体燃料冲压发动机工作性能分析

为探究含铝固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能，基于纳米铝颗粒和端羟基聚丁二烯（HTPB）的混合固体燃料，采用雷诺转捩模型、颗粒表面反应模型和涡概念耗散模型，建立了二维两相湍流燃烧模型；数值计算分析了含铝固体燃料冲压发动机内流场，以及不同含铝质量分数和粒径下的燃面退移速率、推力与比冲。结果表明：发动机的进气条件对颗粒相的燃烧与运动起主导作用；与纯HTPB推进剂相比，添加质量分数为5%的铝颗粒能够提高补燃室压强和温度，增大燃烧室内高温区面积，可使推进剂平均燃面退移速率提高18.53%，发动机推力提高21.37%，密度比冲提高2.38%，适当增加铝颗粒含量或减小粒径，对提高推进剂燃面退移速率、发动机推力和密度比冲具有积极作用。     

前置涡轮组合脉冲爆震发动机性能分析

为解决纯脉冲爆震发动机地面启动问题,并提升其低马赫数下的性能优势,提出了一种利用外涵中爆震室头部压力驱动内涵中涡轮转动部件的前置涡轮组合脉冲爆震发动机,建立了相应的性能分析方法,并对其部件特性及整机性能进行了计算研究。结果表明,近似稳态的涡轮总温总压进口条件可以在该组合发动机中实现,同时随着爆震室头部侧向开孔面积与爆震室面积之比(即驱动面积比)增大,流入发动机内涵驱动涡轮的气体流量增大,而涡轮前总温、总压及涡轮落压比减小,组合发动机整机推进性能增大;通过改变驱动面积比的大小,可以获得不同的压气机增压比以适于不同的飞行马赫数,进而实现发动机宽广的工作范围。