RBCC发动机性能分析方法研究

通过进行前体的边界层效应修正、采用有限化学反应速率模型和中心差分形式的Mac Cormack格式,求解燃烧室性能分析模型方程,以及采用灵活的发动机性能计算方法等,建立了较为完善的RBCC发动机性能分析模型及软件,并进行了软件应用研究。分别采用二维CFD计算和试验结果对该模型进行了校验,其相对误差小于10%。结果表明,该软件适用于RBCC发动机性能分析。     

火箭基组合循环(RBCC)发动机性能分析

介绍了采用引射火箭模式的RBCC发动机工作原理,并在对其概念设计模型进行简化的基础上,进行了RBCC发动机系统性能分析,评估了RBCC发动机系统主要设计参数(发动机系统出口截面直径和燃料化学反应后的总温)的变化对其性能(推力、推力系数和比冲)的影响,认为:1)燃料经过加热后,推力和推力增益都上升了69.97%,比冲增加了180.18%;2)随着二次燃烧过程中燃烧室温度的上升,发动机的推力、推力增益和比冲得到了很大的提高,火箭发动机的性能得到了很好的改善;3)随着RBCC发动机系统出口截面直径的增加,尾气对发动机的反推力、推力增益以及比冲急剧下降,不利于其性能的改善。     

RBCC发动机不同构型隔离段流场仿真

为探究椭圆微扩和异形变截面这两种结构隔离段对RBCC发动机推力性能的影响,以某构型RBCC发动机试验件为研究对象,对比了地面试验与数值模拟发动机下壁面中心线上的静压分布,验证了数值模拟结果的准确性。在来流马赫数为3、余气系数为1.5的工况下,通过数值模拟对两种隔离段构型下RBCC发动机燃烧室内的流动燃烧过程及发动机的推力性能进行了对比分析。结果表明:异形变截面隔离段的抗反压性能明显低于椭圆微扩隔离段;当燃料释热较为集中,燃烧室内压升比相对较大时,异形变截面隔离段的下壁面处会产生较大的流动分离区,且一直向下游延伸,进入燃烧室,使得燃烧室入口的流场均匀性较差,从而降低发动机的推力性能。     

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。     

RBCC发动机火箭及火箭冲压模态热力循环分析

为了研究RBCC发动机火箭模态及火箭冲压模态的工作特性,基于发动机地面自由射流试验结果,利用一维气动理论构建了发动机火箭及火箭冲压模态的性能分析模型,对发动机6 Ma来流条件的试验数据进行了处理,获得了发动机轴向的沿程气流参数,分析了发动机的热力循环、工作效率、有效能分布以及部件和排气中的有效能分配比例。结果表明：一维计算得到的推力与试验结果误差在5%以内;火箭冲压模态下火箭燃气的引入可以有效提升发动机的热循环效率(约提升20%),火箭燃气的引入对有效能产生率和有效能的分配比例影响不大,火箭冲压和冲压模态的有效能产生率分别为0.45和0.48;火箭模态推力增益产生的主要原因是火箭燃气的能量添加至冲压流道中,形成了有效的热力循环,产生了机械能增量,最终表现出推力增益,约为29%。     

RBCC推进系统主火箭发动机气氧／煤油推力室研究

为满足RBCC推进系统主火箭发动机对气氧／煤油推力室的要求,对其进行了高燃烧室压力和温度、大范围变工况工作研究。气氧／煤油推力室喷注器采用中心区气液双组元内混式喷嘴和边区直流喷嘴结合结构,身部采用夹层冷却结构。通过对推力室气氧／煤油推进剂的点火及雾化混合技术、推力室喷注器及身部冷却设计技术、推力室的点火启动、稳态工作等关键技术的研究表明,推力室在室压3MPa、5MPa工况下可稳定燃烧。额定推力650N的气氧／煤油推力室方案可靠、点火工作正常,可以满足大范围变工况稳定工作要求。     

轴对称结构RBCC发动机超燃模态性能分析

为了改善RBCC发动机超燃模态的性能,设计了轴对称结构燃烧室结合小支板组进行燃料喷注的发动机构型.通过煤油的3步简化动力学模型,对不同燃料喷注方式下的发动机性能进行计算分析.结果表明,基于本设计的发动机,让支板火箭工作于小流量富燃状态,可实现超燃模态的可靠点火和稳定燃烧；采用一级支板结合二级壁喷的燃料喷注方式,可获得相...     

RBCC发动机纯火箭模态流场数值仿真研究

基于某火箭基组合循环(RBCC)发动机结构及气动参数开展了飞行高度30 km、飞行速度8 Ma时,发动机纯火箭模态三维流场数值仿真.对进气道、燃烧室、尾喷管、火箭发动机等组件流场结果进行分析,并计算了发动机总体推力.结果表明:纯火箭模态下,RBCC发动机进气道存在气流分离,喉部总压恢复系数约为0.34;燃烧室存在两股气流掺混,二级进出口总压损失约38.5％;二级燃烧室流场结构复杂,使得尾喷管入口截面气流参数分布不均,其总压畸变值为0.648;纯火箭模态下该RBCC发动机轴向推力约1 700 N.     

基于分层燃烧的RBCC发动机热力循环浅析

针对分层燃烧循环RBCC发动机,建立了热力学理论模型,引入压缩效率、加热比和增压比,对RBCC发动机的热力循环过程进行分析,推导了发动机热效率计算公式,探讨了热效率随不同参数的变化及其与各参数之间的关系。分析表明,压缩效率、加热比及喷管压比越高,热效率越大;存在最优增压比,可使热效率达到最高值。     

RBCC发动机火箭-冲压模态理想热力循环优化分析

基于RBCC发动机工作原理,开展了特定燃烧组织模式下,RBCC发动机火箭-冲压模态的理想热力循环优化分析.根据火箭-冲压模态发动机工作特点,建立了工质热力循环过程模型,计算获得了最佳压缩点温度及其对应的最佳压缩比、最大循环功、热效率等参数.同时,给出了燃烧室最高温度、空燃比对最佳压缩比、最大循环功和热效率的影响规律,以及RBCC发动机热力循环的优化方向.研究结果表明,通过提高一级燃烧室最高温度、降低引射比、调整进气道压缩比至最佳压缩比等措施均可有效提高RBCC发动机最大循环功及循环效率.     

轴对称结构RBCC发动机超燃模态试验和数值模拟

为研究轴对称结构RBCC发动机超燃模态下的点火和燃烧性能,进行了地面直连试验。采用中心支板火箭与小支板组喷注相结合的方式作为点火和火焰稳定方式,并对燃料喷注方案进行了研究。试验与数值模拟结果表明,采用这种点火方式能实现轴对称结构RBCC发动机的可靠点火和稳定燃烧。二次燃料采取多级喷注的方式能充分利用流道中的氧气,实现较充分的燃烧,但应控制燃料喷注比例。双支板组的加入,能促进燃料与中心空气流的充分掺混,提升燃烧效率,获得较优的燃烧性能。     

RBCC引射/亚燃模态过渡点选择

以RBCC推进系统为动力的飞行器设计流程出发,建立了考虑发动机工作的限制条件的引射和亚燃模态性能评估方法,研究了不同燃料条件下发动机引射和亚燃模态下比冲和推力系数随飞行弹道的变化规律,提出了基于比冲最优、推力变化最小的模态过渡点选择方法;结合某一具体飞行任务的典型弹道,获得了在飞行马赫数为2.6±0.1、飞行高度为11.7～12.9 km范围内进行引射/亚燃模态过渡最佳的结论.     

RBCC的可实现性方案-DRBCC分析

提出了液氧/空气/甲烷DRBCC(dual rocket-based combined cycle)推进系统。在该系统中,引射火箭和纯火箭采用液氧/甲烷补燃循环系统。在引射火箭模态,液氧/甲烷富燃预燃过程工作,其富燃燃气作为引射源吸入和加热空气,并与空气补燃。在超燃冲压模态,液氧/甲烷富燃预燃过程产生的燃气可以增强超燃过程或作为超燃模态的燃料,降低超燃模态的技术难度。在纯火箭模态,液氧/甲烷闭式补燃循环系统处于全过程工作状态。因此,在DRBCC推进系统中,引射火箭、超燃模态和纯火箭模态高度融合和兼顾,并采用单一燃料,使液氧/空气/甲烷DRBCC推进系统具有良好的可实现性。     

基于DMSJ发动机流道的RBCC发动机设计

首先完成了一种典型DMSJ发动机流道型面和燃烧组织设计,该发动机在M_∞=4.0和6.0时的比冲分别为1 029.6 s和899.9 s。以此DMSJ发动机流道为基础,在隔离段一侧布置火箭发动机,形成RBCC发动机流道。数值模拟研究表明,低马赫数时,火箭台阶及下游流道型面变化对发动机性能影响有限;保持DMSJ发动机燃料喷注方案不变,RBCC发动机在M_∞=4.0时,冲压模态比冲可达到1 052.8 s。高马赫数时,由于燃烧组织位置靠前,必须对DMSJ发动机原有的燃料喷注方案进行调整,才能确保RBCC发动机达到与前者相当的比冲水平,经过调整本文RBCC发动机M_∞=6.0时冲压比冲达到了887.8 s。因此,基于目前较成熟的DMSJ发动机进行高马赫数RBCC发动机设计,是一条快速可行的技术途径。     

RBCC亚燃模态点火及火焰稳定研究(英文)

在直联式燃烧试验台上进行了基于机械壅塞的RBCC亚燃模态点火及火焰稳定研究,试验模拟飞行马赫数为2.5,采用扩张型双模态燃烧室和多级JP-10喷注方式。在主火箭工作的情况下,借助发动机出口机械壅塞的方式实现了点火和火焰稳定。同时发现火焰稳定与乙烯引导火焰无关,出口堵塞比是燃烧室压力提升的一个重要影响因素。研究工作为实现基于热力喉道的RBCC亚燃模态稳定高效燃烧提供了良好的基础。     

火箭引射模态下主火箭总压与RBCC发动机的匹配性

基于传统的"等压面假设"理论,建立了RBCC发动机主火箭的引射性能分析模型,研究了主火箭总压与RBCC发动机的匹配性。研究结果表明,若隔离段通道面积比小于0.65,在主火箭总压较低条件下,隔离段内二次流容易达到壅塞,无法进一步提高空气流量;在地面静止状态下,随主火箭总压增加,空气流量逐步增大,等压面上形成Fabri壅塞后,进一步增加主火箭总压,反而会降低空气流量;在火箭引射模态下,RBCC发动机的工作状态可细分为引射作用占主导地位的进气道亚临界状态和临界状态、冲压作用占主导地位的进气道超临界状态,其分界马赫数分别约为0.7和1.5。