TBCC进气道研究现状及其关键技术

介绍了TBCC发动机的组合方案及相对应的进气道方案,通过对国外TBCC进气道技术发展和应用现状的详细分析,阐述了不同布局方式的TBCC进气道的优劣点,总结了发展TBCC进气道所面临的主要挑战及所需解决的关键技术,提出了TBCC进气道技术当前有待突破的首要问题,意在为发展TBCC进气道技术提供基本思路和参考。     

串联式TBCC发动机模态转换模拟

为开展涡轮基组合循环(TBCC)发动机模态转换过程研究,基于某小型涡喷发动机,应用串联式TBCC发动机总体性能数值计算程序进行性能计算。根据沿飞行轨道TBCC发动机冲压涵道与涡轮发动机涵道气流混合过程中的参数变化规律,开展模态转换过程模拟。分析了不同等动压头、加力/冲压燃烧室进口马赫数、出口温度等主要参数对发动机性能的影响。根据小型串联式TBCC发动机模态转换过程和沿飞行轨道的发动机稳态特性模拟,确定了较为合理的模态转换区间,并得到了推力、耗油率等发动机性能参数。研究表明:不同动压头对应不同的模态转换马赫数,加力/冲压燃烧室进口马赫数和出口总温对模态转换马赫数并无影响。     

国外水平起降临近空间高速飞机动力的发展

临近空间高速飞机的飞行包线宽广,常规动力不能满足需求,必须采用组合动力。涡轮基组合循环(TBCC)发动机能实现高超声速飞行器水平起降,是临近空间高超声速飞机的最佳动力。首先从TBCC技术研发路线入手,总结出TBCC主要技术研发领域,如高速涡轮基技术、冲压/超燃冲压发动机技术、飞发一体化技术和热防护技术;其次结合TBCC典型研究计划(RTA、FaCET、TriJet、LAPCAT和SR-72),归纳出每个计划的关键技术及进展,并对各方案的未来发展应用进行阐述;最后对TBCC的发展趋势和技术特点进行了总结。     

涡轮基组合循环发动机控制问题概述

本文对涡轮基组合循环发动机（TBCC）中存在的控制问题进行了综合分析。在TBCC运行过程中存在很多过渡段,对这些过渡段的研究非常富有挑战性。TBCC在过渡段的性能,不仅与组成它的涡轮和冲压发动机本身型式及特征有关,还受到两类发动机之间相互关系及调节机构的影响。TBCC控制问题的关键在于保证过渡段稳态和瞬态的性能品质,具体涉及过渡段的燃料、温度控制,进气道和尾喷管喉部调节及阀门开度控制,以及飞行/推进综合问题等。     

涡轮冲压组合循环发动机引射过程数值模拟

为了研究气流参数和几何参数对TBCC发动机引射工作过程的影响，基于CFD技术，采用数值求解N-S方程的方法，开展了对TBCC发动机引射工作过程的数值模拟研究。基于TBCC发动机引射过程数值模拟结果的分析，可以发现：随着引射段主流（涡轮发动机排出气流）的进口气流角度增加，总压和马赫数的分布趋于均匀，但是总压损失逐渐增大，因此在TBCC发动机引射段结构设计时，不应使涡轮发动机的排气角度过大。存在一个最小的引射段长度Lmin，当引射段长度小于Lmin。时，随着引射段长度的增加，总压损失显著增大；当引射段长度大于Lmin时，随着引射段长度的增加，总压损失基本不发生变化。     

预冷却涡轮基组合循环发动机发展现状及应用前景

本文介绍了国外新型预冷却涡轮基组合循环（TBCC)发动机的技术研究现状,其中最具代表性的是美国的喷流预冷却TBCC发动机和日本的ATREX发动机。在对预冷却TBCC发动机发展现状分析的基础上,介绍了预冷却TBCC发动机的技术优势、关键技术、潜在应用方向及我国开展预冷却TBCC发动机研究的可行性。     

美国高超声速涡轮基组合循环发动机的进展及分析

旨在为未来空天动力技术研究和产品研制提供参考与借鉴。综述了美国高超声速涡轮基组合循环(TBCC)发动机的进展,重点对与涡轮发动机有关的预研计划进行详细描述,如国家空天飞机(NASP)计划、高速推进评估(Hi SPA)计划、猎鹰组合循环发动机试验(Fa CET)计划等。总结与归纳了TBCC发动机的研究发展的特点:TBCC发动机一直是高超声速飞行器研究的关键技术;目前涡轮发动机的首选是现有涡轮发动机改进,未来可能选择正在预研的高速涡轮发动机或自适应发动机;冲压发动机和模态转换技术已经取得明显进展,但还需长期深入验证。     

国外并联式涡轮基组合循环发动机技术发展途径浅析

为借鉴国外并联式涡轮基组合循环(TBCC)发动机技术研究经验,从飞行器使用需求出发,分析了并联式TBCC发动机面临的技术挑战,并从高速涡轮基技术、冲压发动机技术和组合技术三个方面,梳理了美国典型并联式TBCC发动机的研发计划。在此基础上,分析并提出了并联式TBCC发动机技术发展途径:拓展涡轮基工作马赫数上限和冲压发动机工作马赫数下限以实现并联式TBCC发动机模态转换,采用射流预冷技术扩展现有涡轮工作包线是短期内实现性较好的技术验证途径,开发高速涡轮发动机技术是未来发展的必然趋势。     

高超声速并联TBCC总体性能分析与模态转换仿真

为了解决涡轮冲压组合循环(TBCC)高超声速推进系统的推力间隙问题,通过在风扇前嵌入预冷器冷却进口空气的方法扩展涡轮基的工作上边界,采用变几何方案提高冲压发动机在低马赫数下的推力。建立了双模态TBCC稳态性能模型,计算对比了不同构型TBCC的推力性能,选定了涡轮-冲压模式转换区间,计算了转换过程的推力变化、燃油和液氮的消耗量。结果表明:采用预冷、变几何方案能填补不预冷、定几何方案的推力间隙,在模态转换过程所消耗的液氮占飞行器总质量的0.6%。     

国外TBCC关键技术及试验设备研究综述

从空气动力学角度系统梳理了TBCC发动机研究需攻克的关键技术,并论述了国外开展相关研究建设的重要试验设备。其中,关键技术主要包括进气道技术、模态转换技术、高马赫数涡轮发动机技术和尾喷管技术;试验设备主要包括单项技术攻关设备、关键部件验证设备、缩比原理机验证设备和全尺寸样机验证设备。从国外开展TBCC发动机关键技术和试验设备建设的研究中得到几点启示,可为我国进行TBCC发动机研制提供参考及借鉴。     

涡轮基组合动力技术发展分析

在高超声速推进系统中,涡轮基组合动力装置凭借宽广的飞行范围和良好的比冲性能,成为临近空间飞行器的主要候选动力装置。历经几十年发展,其在关键技术方面取得了诸多突破,目前正向着工程研制方向迈进。通过对国外TBCC动力技术的发展路径、技术特点、研制经验进行系统分析,认为TBCC动力技术研究主要围绕高速涡轮发动机、冲压发动机以及组合循环发动机的技术验证开展。用于TBCC动力的涡轮发动机首选是现有发动机的改进,未来可能在继承涡轮发动机先进技术的基础上,针对高马赫数任务场景等特点进行适应性设计,发展高速涡轮发动机;冲压发动机技术进展显著,但还需向大尺寸方向发展;模态转换技术虽然取得一定突破,但还需深入验证。基于未来临近空间飞行器的需求,立足于现有技术基础和可预见的技术方向,分析提出了TBCC动力技术发展建议：提前开展关键技术预研、基于现有资源发展演示验证平台及进行基于技术发展需求的飞发协同设计。     

涡轮-冲压组合发动机技术发展浅析

为了确定发展高超声速涡轮-冲压组合发动机的基本思路和分解关键技术，通过对涡轮-冲压组合发动机的基本概念和原理分析，以及国内外发展情况和应用前景等分析，提出了我国发展涡轮-冲压组合发动机的基本思路和需要解决的关键技术。     

国外TBCC发动机发展研究

涡轮基组合循环(TBCC)发动机是未来高超声速飞行器最适合的动力系统之一,配备该类发动机的高超声速飞行器具备水平起降、机动飞行和重复使用能力。本文对国外开展的TBCC研究项目(如美国的RTA、FaCET和Trijet,日本的HYPR和ATREX,以及欧洲的LAPCAT)进行了系统阐述,较为详细地分析了各研究项目中TBCC方案特点,表明随着涡轮发动机技术的全面发展,及采用火箭引射冲压和预冷等技术,涡轮发动机的工作马赫数可扩大到4.0,且TBCC发动机具有工程可实现性,是未来最具发展潜力的空天动力。     

涡轮基组合动力与火箭的耦合特性分析及匹配优化设计

基于高斯伪谱航迹优化方法,建立了"火箭辅助型涡轮基组合动力"的飞行器/推进系统匹配分析方法,针对地面水平起降、以马赫数5巡航的高超声速飞行器,以巡航航程最远为目标,完成了涡轮基组合动力（TBCC）与火箭的耦合特性分析及匹配优化设计。研究结果表明：对于可行的TBCC方案（起飞推重比为1.0）,引入合适推力的火箭有助于提升加速爬升段的总效率并降低质量消耗,且对巡航航程有着一定的提升（4%起飞重量推力火箭可增加航程0.97%）;对于不可行的TBCC方案（起飞推重比为0.8）,引入火箭不仅可实现推进系统方案的收敛,且其巡航航程相比可行的TBCC方案最多可增加7.9%。考虑到TBCC较大的"死重"和较低的单位迎面推力对巡航性能的不利影响,结构质量占比为25%的巡航型飞行器建议采用"13%起飞重量推力火箭辅助起飞推重比为0.7的TBCC "推进系统。相比之下,结构质量占比为55%的加速型飞行器建议采用" 5%起飞重量推力火箭辅助起飞推重比为0.98的TBCC"推进系统。     

串联式TBCC进气道模态转换模拟器设计及其特性分析

为了实现涡轮基组合循环（TBCC）推进系统平稳模态转换过程的模拟,在前期风洞试验研究的基础上对串联式TBCC进气道模态转换模拟器进行重新设计。采用线性化及非对称的思路对该模拟器进行设计并对其特性展开数值仿真研究。结果表明：该模拟器不仅需要模拟发动机工况改变引起的背压变化,而且能通过流通截面面积线性变化,实现两个通道的流量分配。该装置的特点是能保证模态转换过程中每一点的涡轮/冲压通道的总堵塞比不变,使本文所研究的进气道在总堵塞比保持为65%时进行模态转换,结尾激波基本维持在喉道等直段内且进气道出口马赫数基本维持在0.30,流量系数基本为0.45,涡轮/冲压通道流量呈线性变化,与预期目标一致。     

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。     

一种双流路变几何涡轮基组合循环进气道的设计与仿真

针对涡轮基组合循环(TBCC)发动机宽速域的工作需求,提出了一种外并联双流路的变几何进气道方案.通过转动涡轮和亚燃通道的唇罩前缘,可对进气道的捕获高度进行调节,并可实现模态切换;通过亚燃通道下壁面的多连杆机构,可对进气道的内收缩比进行调节,以实现进气道在宽马赫数范围的高效工作.通过对该进气道进行CFD数值模拟,获得了其流动和工作特性,并与定几何进气道方案进行了对比分析.研究结果表明:该变几何进气道具较宽的工作马赫数范围,且具有良好气动性能.与定几何方案相比,该变几何进气道在来流马赫数Ma为2.5,3.0,4.0时的总压恢复系数分别高出了12.5%,30.2%,133.3%.      

串联式涡轮冲压发动机加力/冲压燃烧室设计及流场计算

以串联式TBCC加力/冲压燃烧室为研究对象,提出包含一体化整流支板、加力内锥及长短交错的径向火焰稳定器组成的TBCC加力/冲压燃烧室方案。针对TBCC发动机加力/冲压燃烧室进行了数值模拟,获得该燃烧室在不同模态下的流场特性。计算结果显示,在涡轮工作状态和涡轮/冲压共同工作状态下,TBCC发动机加力/冲压燃烧室的总压恢复系数均在95%左右;在冲压工作状态下,其总压恢复系数在86%左右。可以满足在不同模态下加力/冲压燃烧室对总压恢复系数的要求。