超燃冲压发动机变结构进气道设计

针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于多目标优化的变结构进气道设计方法,获得了进气道结构随马赫数和攻角变化的调节规律。以总压恢复系数、压升比和阻力系数为优化目标,以二维混压式进气道为对象,采用遗传算法进行了基准进气道优化设计,得到Pareto非劣解;以一组Pareto非劣解为基准,在不同马赫数和攻角下进行了进气道变结构优化设计,拟合得到进气道结构随马赫数和攻角变化曲线。仿真结果证实了理论分析的正确性,并发现进气道变结构实现了发动机大范围内高性能工作;进气道高度可变,使得发动机在亚燃和超燃模态均能正常起动和稳定工作;以高马赫数作为设计马赫数,变结构设计后,发动机性能提高。     

固体火箭冲压发动机性能调节研究

在对固体火箭冲压发动机的高度特性进行分析的基础上，分别研究了壅塞式和非壅塞式固体火箭冲压发动机性能调节特性及方案，并着重分析了非壅塞式固体火箭冲压发动机的燃气流量自适应调节原理与规律，分析计算表明，非壅塞式固体火箭冲压发动机不仅结构简单，且能明显提高发动机在非设计状态时的性能。     

主动冷却超燃冲压发动机最大工作马赫数评估

采用主动冷却方式对超燃冲压发动机进行热防护是解决其长时间工作的有效措施。针对超燃冲压发动机燃烧室恶劣的热环境,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的主动冷却结构,建立了发动机主动冷却结构设计的数学模型。引入发动机冷却液流量系数,从飞行器整体热防护角度出发,以发动机燃烧室主动冷却结构中冷却液的出口温度为依据来评价超燃冲压发动机可以达到的最大工作马赫数,以及分析发动机冷却液流量系数、飞行高度和燃烧室化学反应当量比对最大工作马赫数的影响。结果表明,增加冷却液流量系数、适当降低飞行高度、一定范围内提高化学反应当量比,可降低冷却液出口温度,从而提高发动机的最大工作马赫数。     

小偏差分析法在冲压发动机直连模拟试验中的应用

依据某给定几何尺寸亚燃冲压发动机的结构和性能参数,通过简化冲压发动机数学模型,理论推导了发动机直连试验模拟参数与推力之间的关系。针对其典型试验状态和工作特性,采用小偏差分析法计算了不同模拟参数及其组合对发动机推力和空气流量的影响结果。在此基础上,重点分析了不同模拟参数对发动机调节、高度和速度特性的影响规律,说明了模拟方法的合理性。该分析方法对固体冲压和液体冲压发动机地面直连试验性能评估具有一定指导意义。     

涡轮/冲压组合发动机性能分析工具

着眼于建立一套性能分析工具，可用于高超声速飞行器串联式涡轮/冲压组合动力装置总体方案的性能评估及设计约束条件分析。为了满足飞行器从起飞到飞行马赫数5宽广飞行包线内对动力装置性能的苛刻要求，所研究的组合发动机通过调整五个可调机构再加涡扇冲压燃油调节来实现变循环概念。该工具采用一维气动热力分析技术，使用了经试验验证的各部件特性，同时考虑了气体的变比热性质。通过采用面向对象的程序设计方法，该工具提供了一个性能仿真平台，可供涡扇工作模式，冲压工作模式，涡扇/冲压模式转换过程的热力循环分析，非设计点性能分析，控制规律研究等。借助于该工具，涡扇模式及冲压模式的热力循环分析结果表明，回流裕度是涡扇模式循环参数选择中需要重点考虑的因素；高的冲压燃烧室出口温度有利于提高冲压发动机的循环性能。     

冲压发动机的发展和应用

冲压发动机利用大气中的氧气作为氧化剂,在高速远航程的飞行中具有独特的优越性。图1示出了冲压发动机的工作马赫数和比冲范围。当飞行马赫数大于3.5时,冲压发动机的比冲高于其它喷气发动机,是大气层内高速飞行的理想动力装置。冲压发动机结构简单,内部没有转动部件,质量小,推重比高,成本低,特别适于导弹和高速飞行器使用。 可以认为,冲压发动机的发展经历了4个阶段,即冲压发动机的概念研究阶段;普通型冲压发动机发展阶段;组合型冲压发     

冲压发动机转级流场数值仿真研究

冲压发动机需要利用助推发动机加速到接力马赫数,然后动力系统进行转级,实现冲压发动机接力工作。为了提高空间利用率,目前的冲压发动机多采用整体式设计方案,要求在冲压发动机设计时必须考虑助推发动机退出冲压发动机燃烧室的分离过程对发动机转级的影响。采用CFD技术对冲压发动机转级的分离过程进行了数值仿真计算,显示分离过程对冲压发动机的转级有很大影响。     

高速旋转冲压增程弹用进气道复杂流场数值模拟

采用块结构网格与二阶精度流场分区求解技术,对高速旋转、含侧向支柱冲压增程弹丸进气道内外复杂流场进行了数值模拟,得到了高速旋转工况下对应于不同来流马赫数和攻角,以及临界工况时超音速进气道内外流场复杂的波系结构。在旋转工况下,进气道流场结构与不旋转时相似,但旋转速度以及攻角的存在对冲压发动机进气道的总体性能产生了负面影响,进气道总压恢复系数和动能系数均有所降低,而流场畸变指数则显著增大;冲压发动机进气道在较低马赫数工作时的综合性能优于在较高马赫数工作时的综合性能。     

基于燃气射流控制的可调进气道数学模型研究

针对固定几何形状冲压发动机超音速进气道在高马赫数状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室或燃气发生器引入燃气喷入外压缩面和喉道,实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案。采用数值方法计算了不同马赫数工况下,喷射条件变化时进气道的性能参数。根据流场数值计算结果,采用B样条理论建立了燃气射流控制可调进气道数学模型,利用此数学模型可确定进气道外部斜激波位置以及总压恢复系数随工作马赫数和射流喷射条件的变化关系。结果表明,随着射流入射角度和射流流量增大,射流调节能力呈增强趋势。     

马赫数1.5～4.5的曲面轴对称变几何进气道设计

针对空气涡轮火箭冲压发动机马赫数1.5~4.5工作范围的设计要求,提出了一种唇口平移的曲面轴对称进气道变几何方案及其新型调节机构,并通过数值仿真方法对其总体性能和流动特性进行研究。结果表明:采用曲面压缩的轴对称变几何进气道总体性能较高,尤其是流量捕获能力良好,可以满足整个工作范围的需求。此外,新型调节机构简单可行,利于工程实现。     

超声速进气道流场三维数值模拟

超声速进气道是固体火箭冲压发动机至关重要的部件之一,直接影响燃烧室的燃烧及发动机性能。基于N-S方程、标准k-ε双方程湍流模型,利用FLUENT软件对某型固体火箭冲压发动机楔形超声速进气道内外流场进行了三维数值模拟。计算得到了超声速进气道在飞行马赫数为Ma=3.5的情况下的流场性能。并在相同马赫数下,研究了等比压缩和攻角条件下的进气道流场的分布情况。模拟结果表明：进气道的总压恢复系数和流量系数等性能指标受到攻角的影响而发生变化。     

MHD-Arc-Ramjet联合循环与AJAX间的性能比较

为了提高冲压发动机在更高速度区内的性能，扩展发动机的运行速度范围，需要在并行于发动机的燃烧室处附加一套能量旁路系统。采用热力学方法针对两种带有能量旁路的冲压发动机分别在理想和实际情况下进行了性能分析和比较，结果表明：理想条件下MAX的单位推力要高于MHD-Arc—Ramjet联合循环；考虑到后者可以在更高的温度下进行能量注入，其在单位推力方面是具有优势的。实际条件下在很宽的飞行Ma范围内MHD—Arc-Ramjet联合循环的单位推力要高于AJAX。     

冲压发动机点火前内流场数值仿真研究

冲压发动机在点火前由于燃烧室的压力较低,内通道流场状态与发动机正常工作时的差别很大。因此,在发动机设计时,必须要考虑形成正常点火条件对发动机结构的约束。本文利用有限体积法对N-S方程进行空间离散,对发动机点火前的不同内通道结构下的冷流场进行了数值模拟,结果表明稳定器和喷油装置对形成合理的点火条件很重要,稳定器的布局对点火状态有很大影响。     

加热器在冲压发动机试验技术中的应用研究

直连试验技术是冲压发动机研究中一项非常关键的技术,论证分析了如何模拟直连试验模型进口流量、总温及总压等关键参数,并以此为基础研制了一种高室压、大流量及耐高温的空气加热器,通过对该加热器和试验台相关组件的试验研究,结果表明以空气、氧气及煤油组织燃烧的加热器工作性能良好,解决了冲压发动机直连试验这项关键技术。     

火箭/冲压组合发动机工作特性分析

为分析火箭/冲压组合发动机在不同工作模态下的工作特性,对其在没有二次补燃情况下的内流场进行了数值模拟和分析,结果表明:(1)在火箭引射模态,火箭发动机应尽可能工作在其设计状态;(2)为有利于掺混燃烧,在较低的高度、较高的速度下由引射模态转换到亚燃冲压模态可能比较好;(3)在亚燃冲压模态,火箭发动机以某种低工况工作对冲压发动机的点火和火焰稳定是极为有利的;(4)在纯火箭模态,进气道关闭与否对组合发动机的整体性能几乎没有影响;为了获得较高的性能,二次喷管应采用扩张通道。     

RBCC发动机火箭推力增益之探讨

为提高火箭基冲压组合循环(RBCC)发动机火箭冲压模态下火箭推力增益,基于模拟飞行Ma=4来流条件的数值计算结果,分析了火箭射流与冲压主流超/超剪切流动的特性,探讨了火箭推力增益的组成,并给出了提高火箭推力增益的措施:1)冲压流道、火箭工作参数的选取必须确保两股超声速剪切流之间的流动匹配,在有限空间内快速、低损的实现高能火箭射流与低能冲压主流间的动量及质量输运,最大限度地提高发动机喷管排气速度及压力;2)采用高室压火箭,通过增加推力室室压,提高火箭燃气膨胀程度,减小火箭推力增益损失。     

钝化唇缘对超声速混压式进气道性能的影响

在高速旋转条件下,利用二维轴对称N-S方程对唇缘钝化的超声速弹用进气道内外的复杂流场进行了数值模拟,所得流场结构清晰.湍流模型为RNG k-ε两方程模型,数值格式为一阶迎风格式.获得了在设计马赫数下不同外罩唇缘钝化半径对进气性能参数的影响.研究表明,在唇缘钝化半径合理增大的情况下,进气道的稳定工作范围变宽,总压恢复系数提高,唯一不利因素为进气道总阻力有所增大,证实唇缘钝化后的进气道能满足固冲增程炮弹的使用要求.