高速飞行器的连续旋转爆震推进技术

吸气式高速飞行器具有重要的战略价值,高性能的推进装置始终是高速飞行器领域的核心问题。基于连续旋转爆震构建的推进系统,与当前基于布雷顿循环构建的推进系统相比,具有显著的性能优势,可以弥补当前推进系统造成的“推力陷阱”问题,有望助力高速飞行器取得长远发展。本文总结了连续旋转爆震燃烧过程与分析模型,以及基于连续旋转爆震构建的推进系统的性能优势与研究进展。进一步,针对连续旋转爆震冲压发动机,讨论了本质非定常燃烧室对发动机进气道与尾喷管的设计要求与需求,介绍了进气道抵抗压力波反传的措施,并进行了数值分析,证明了相关措施的可行性。最后展望了采用基于连续旋转爆震构建的推进系统的发展前景。     

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。     

旋转爆震发动机研究进展综述

旋转爆震发动机以超声速爆震形式增压燃烧，具有结构简单、比冲和效率高、工作域宽等一系列优点，除自身单独作为动力装置外，也可与涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机进行组合，更加有效提升原动力装置性能，在航空航天领域未来应用前景广阔。本文论述了旋转爆震发动机的结构及基本工作原理，阐述了国内外在机理研究和技术验证上的最新进展，并对一些重点在研项目进行介绍。面向现有研究进展，提出解决燃料喷注与掺混、爆震波传播控制、进排气系统设计等关键技术问题是未来旋转爆震发动机的主要研究方向。基于旋转爆震发动机的优势和作战武器装备发展态势，进一步对旋转爆震发动机的军民用领域进行展望。     

旋转爆震燃烧航空涡轮发动机研究综述

旋转爆震燃烧具有燃烧过程自增压、熵增小、循环热效率高等特性,将其应用于航空涡轮发动机,有望实现发动机性能阶跃式突破。主要介绍了旋转爆震燃烧的基本原理及特点,总结了国内外旋转爆震燃烧技术、旋转爆震涡轮发动机性能和试验技术的研究现状,论述了旋转爆震燃烧加快应用到航空涡轮发动机上需要深化研究宽范围进气下稳定爆震燃烧组织、旋转爆震燃烧与上下游匹配等关键技术,并对中国旋转爆震燃烧航空涡轮发动机工程化应用提出了制定长期发展规划、实施专项研究计划、组建联合团队等发展建议。     

中国脉冲爆震发动机技术研究现状及分析

脉冲爆震发动机是利用脉冲式爆震波产生推力的新概念推进系统,具有热循环效率高、结构简单、成本低和质量轻等诸多优点,因而与其相关的科学与技术问题引起世界性关注.讨论了脉冲爆震发动机的工作模式和应用前景,简要回顾了近年来中国脉冲爆震发动机的研究工作,包括燃料的喷射与混合、起爆、爆燃向爆震转变机理、进气道、增推方法、性能分析与数值模拟、多管PDE、组合循环与混合循环、结构强度/换热/噪声分析等.总结了研究中所取得的理论、试验和数值研究成果,对未来脉冲爆震发动机的技术路线和发展方向进行了展望.     

高总温来流下的连续旋转爆震验证试验

为验证吸气式连续旋转爆震推进的可行性,在直连式试验台上开展了连续旋转爆震试验。采用三组元空气加热器模拟吸气式推进时的高总温来流,其设计流量600g/s,总温860K。采用热射流切向喷注的方法成功起爆了H2/air连续旋转爆震波,并实现了稳定自持传播。在H2/air当量比为0.86时,连续旋转爆震波以单个波头的同向传播模态传播,且其未影响到空气加热器的正常工作。爆震波的传播频率为3.68kHz,与高频压力FFT分析所得的主频3.67kHz吻合较好;爆震波传播速度为1248m/s。在未测量高频压力的情况下开展了长程试验,结果表明,在高总温来流条件下,连续旋转爆震波也可以在更长时间范围内稳定工作。     

带连续爆震加力燃烧室的涡轮发动机循环及推进性能研究

为进一步提升现有涡轮喷气发动机推进性能,可以采用连续爆震加力燃烧室,针对此,本文首先建立考虑了三种耦合热力过程的连续爆震燃烧室热力过程分析模型,通过与传统涡轮发动机性能分析模型相耦合,分析了带连续爆震加力燃烧的涡轮发动机推进性能及加力燃烧室部件特性。结果表明,由于连续爆震燃烧室具有自增压特性,当将其替代传统加力燃烧室可以显著提升加力时涡轮发动机性能;但另一方面,作为加力燃烧室,由于涡轮后气流温度过高,导致连续爆震加力燃烧室增压比的降低,通过对发动机循环参数的选择可以得到改善;同时,连续爆震加力燃烧室部件特性还受到燃烧室进气损失、反应物填充速度及反应物提前燃烧比例影响。     

吸气式连续旋转爆震与来流相互作用

以加热空气为氧化剂,氢气为燃料,开展了吸气式连续旋转爆震试验,研究了连续旋转爆震与来流的相互作用。通过测量隔离段和爆震燃烧室压力,发现了3种相互作用类型:类型1:连续旋转爆震对空气来流不产生影响;类型2:空气来流中存在高频压力振荡,且主频与连续旋转爆震波的传播频率相同,但来流总压不变;类型3:空气来流中存在与连续旋转爆震波传播频率相同的高频压力振荡,且来流总压升高。初步对比了爆震燃烧室尺寸的影响,结果表明随着爆震燃烧室面积的减小,连续旋转爆震对来流的影响增强,影响区域也向上游扩展。     

脉冲爆震发动机的飞行性能计算与分析

为了获得脉冲爆震发动机的飞行性能参数随飞行高度和飞行速度的变化规律,在应用最小G ibbs自由能理论建立求解爆震燃烧的平衡成分及其浓度、平衡参数的基本关系式,据此对爆震波特性参数进行数值模拟的基础上,通过引入进气道和尾喷管建立了一定飞行状态下的多管自吸气式脉冲爆震发动机理论性能计算模型,对脉冲爆震发动机的性能随飞行高度、速度的变化趋势进行研究。结果表明,在不同飞行高度和飞行马赫数的状态下,脉冲爆震发动机性能有一定的变化规律,同时模型也考虑了加入尾喷管对性能的影响,为脉冲爆震发动机的性能分析与理论设计提供了依据。     

共用喷管多管爆震发动机工作过程数值模拟

为研究共用喷管多爆震管间爆震流场的相互作用,利用CFD商业软件,选用通用有限速率模型,以氢气和氧气混合物为例,对不同喷管喉部面积和不同爆震管数的共用喷管多管爆震发动机工作过程进行了数值模拟,并对其性能进行了比较与分析。计算结果表明,喷管喉部面积和爆震管数目对爆震管间的相互影响产生很大影响,模拟结果可为多爆震管脉冲爆震发动机的设计提供理论基础。     

环形射流喷口位置对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究环形射流喷口位置对激波聚焦起爆爆震的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同环形射流喷口位置条件下的激波聚焦起爆过程进行了数值模拟。结果表明,随着喷口距凹壁面距离L增大,直接聚焦起爆和凹壁面反射起爆所需的临界入射压力逐渐增大,相应的聚焦时刻会滞后,形成焦点的位置距凹壁面越远。     

圆柱坐标系下连续旋转爆轰发动机的数值模拟

使用两步化学反应模型对连续旋转爆轰发动机(Continuous rotating detonation engine,CRDE)进行了二维数值模拟研究。数值计算获得了同轴圆管腔中间层曲面上连续爆轰的多个循环过程。分析了燃料入射、提前燃烧、爆轰波结构和波传播速度等几个关键问题。计算获得燃烧室内流场结构与之前实验研究结果定性符合。计算中燃料以最大1400m/s沿轴向入射,爆轰波可约以2400m/s沿周向连续循环传播。计算的燃烧室内爆轰波循环频率约为2300Hz。     

脉冲爆震涡轮发动机性能计算

建立了一种基于爆震波ZND理论和循环分析的PDTE性能计算模型-ZND循环分析模型(模型-1)。将该模型及目前已有的推力壁模型(模型-2)分别与基于实验的PDC特性图模型(模型-3)进行对比,计算了模型PDTE的设计点性能,结果表明:模型-1计算得到的PDTE单位推力(FS)及单位燃油消耗率(sfc)的计算误差较模型-2分别减小了1.75%和4.04%,准确性有所提高。与需要大量实验数据的模型-3相比较,模型-1更简便,可用于PDTE性能的快速评估。应用模型-1计算了飞行状态改变时PDTE性能增益的变化趋势。     

纳米级金刚石系列产品的现状及展望

介绍了利用爆炸法合成的纳米级金刚石及其在磨合油、金属修补剂等方面的应用,同时介绍了国外的应用开发情况。     

凹面腔内激波聚焦起爆爆震波过程的数值模拟

运用CFD方法和基元反应机理对环形向心射流产生的激波在凹面腔内的反射聚焦起爆爆震波过程进行了数值模拟,并根据流场分布及变化情况分析了激波聚焦及其在H2-Air混合物中起爆爆震波的全过程。对于本文建立的模型,起爆点在抛物形壁面的底部顶点处,聚焦起爆爆震波后的瞬间压力达到21.3MPa,温度达到4540K。爆震波在凹面腔内向开口端传播过程中仍会出现两次聚焦,压力达到约18MPa,温度达到4000K左右。研究结果表明:利用环形向心射流产生的激波在凹面腔内聚焦可以成功直接起爆爆震波,是一种有效的爆震直接起爆方法。     

爆震管喷管流动数值研究

为了获得高性能的爆震管,应用时空守恒元和解元(CE/SE)法对带不同形式喷管的爆震管进行二维轴对称数值模拟,分析复杂的爆震波流场,研究喷管对爆震管性能的影响。结果表明,爆震管的推进性能的提高受喷管的长度、夹角和形状的影响,其中长喷管性能优于短喷管,收敛扩张喷管性能优于收敛喷管,钟形喷管性能优于扩张喷管。     

爆震管内火焰发展机理试验

为客观地了解爆震管内火焰燃烧发展变化的过程,首先设计了光电池测量系统,在同一截面上安装了高频响PCB压力传感器、离子探针和光电池。通过测量离子探针和光电池的触发时刻来验证光电池测量火焰信号的正确性,然后通过分析光电池信号的持续时间来间接获得单个截面处火焰燃烧的持续时间。结果表明:当爆震波传出爆震管后,管内仍在继续燃烧,且燃烧持续时间的量级为毫秒级。     

高温超声速流中爆震波特性数值研究

通过对高温超声速流中爆震波性质的研究,评估其在高超声速冲压发动机燃烧室的燃烧组织中应用的可行性,并通过数值模拟对分析结论进行了验证。提出了一种新的爆震波起爆机制,注入高温超声速流中的燃料混气可通过自身缓慢的释热使流动进入局域热壅塞状态,进而借助局域热壅塞产生的激波实现爆震波的起爆。计算结果表明在适宜的温度与马赫数条件下,注入高温超声速流中的燃料可通过新的起爆机制在超声速流中形成一道稳定的驻定爆震波。表明在高超声速冲压发动机燃烧室中存在着通过驻定爆震波实现火焰稳定的可能性。     

喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能影响分析

为了研究喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,对不同喷管收敛-扩张角下的爆震发动机工作过程进行了数值模拟,结果表明,不同喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能的影响并不相同。增大扩张角,喷管出口面积增大,推力投影面积增大,排气时间减少,喷管内压力下降较快。收敛角为5°或扩张角为5°时的爆震发动机性能较好。     

燃料种类对脉冲爆震发动机性能影响的研究

针对自行设计的脉冲爆震发动机试验模型,研究燃料种类对脉冲爆震发动机性能的影响规律,并以汽油的实验值为例给予验证。为脉冲爆震发动机燃料的选择提供理论依据。