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。     

采用固体燃料的超燃冲压发动机研究进展

对采用固体燃料的超燃冲压发动机构型方案进行了归纳总结,详细的介绍了不同构型方案的发展历程和研究现状.针对固体燃料构型、双燃烧室构型和固体火箭构型3种不同构型的工作特点,分析了各自的优势和存在的问题,并在此基础上对其后续的研究提出了建议.研究认为:固体燃料构型方案虽能实现固体燃料在超声速气流中的点火及稳定燃烧,但燃料燃烧效率较低,且难以长时间稳定工作;固体火箭构型方案有利于燃料的点火和稳定燃烧,可实现发动机的长时间稳定工作,具有更好的研究和应用前景.      

液体碳氢燃料超燃冲压发动机支板凹槽稳焰技术试验

液态碳氢燃料点火、稳焰技术是超燃冲压发动机的关键技术之一,是发动机获得推力性能的先决条件。采用直连试验手段,对支板凹槽组合稳焰技术进行了研究,比较了不同燃料喷注方式和不同支板凹槽组合方式对点火、稳定燃烧的影响。结果表明支板喷射与支板凹槽组合稳焰的燃烧组织方式,可以实现在低飞行马赫数范围（Ma0=4～5）液体碳氢燃料的可靠点火与稳定燃烧,并获得较好的燃烧性能。     

含硼碳氢燃料在超燃冲压发动机中的燃烧试验研究

为提高碳氢燃料的能量密度,针对在高密度液体碳氢燃料中添加纳米硼颗粒的燃料方案,在超燃冲压发动机试验台上开展了点火燃烧性能试验验证。试验当量比为0.56～0.94,评估了硼颗粒添加对燃料喷注特性、比冲性能和固相沉积的影响。基于本文所用液体碳氢燃料,添加质量分数16%的硼颗粒可使超燃冲压发动机燃烧室平均密度比冲提升6.05%;硼颗粒添加会造成明显的壁面固相沉积问题,干扰压力测量系统获得有效数据。本试验初步评估了含硼碳氢燃料典型方案的喷注特性,获得了硼颗粒添加对燃料性能提升的定量结果。     

硼用作推进剂燃料组分的研究

硼是高性能吸气式的固体火箭冲压发动机和冲压发动机瞩目追求的燃料,80年代常规固体火箭动力方面对硼燃料也表现了浓厚的兴趣.本文一般介绍了国内外有关硼粉用作推进剂燃料组分的研究,指出了在推进剂中使用硼作主燃组分,必须解决工业硼粉与推进剂粘合体系的相容性问题、推进剂配方的工艺性问题及硼的燃烧效率问题.而把燃烧效率能提到实用允许的限度,不仅需要对推进剂配方的周密设计,并且更重要的,还需对发动机的合理组织燃烧、优化燃烧参数等做精心的设计.     

固体火箭超燃冲压发动机性能试验

为了研究发动机构型、推进剂类型和当量比对固体火箭超燃冲压发动机的性能影响,选取了3种固体火箭超燃冲压发动机燃烧室构型,分别使用碳氢推进剂和含硼质量分数35%推进剂共计开展了8次地面直连试验。试验模拟了23 km、马赫数5.5的飞行工况,通过测量推力、流量和压力等参数,得出了超声速燃烧室和发动机的整体性能参数,进而研究了发动机构型、推进剂类型以及当量比3个关键因素对固体火箭超燃冲压发动机的性能影响。结果表明：带有凹腔-支板组合装置的燃烧室构型虽然冷流内阻最大,但试验燃烧效率和比冲性能最优。针对带有凹腔-支板组合装置的燃烧室构型,使用碳氢推进剂的发动机性能整体优于使用含硼质量分数35%推进剂对应的性能参数;使用碳氢推进剂的极限掺混当量比大于0.7,而使用含硼质量分数35%推进剂的极限掺混当量比在0.65附近。这是由于相对碳颗粒,硼颗粒在超声速气流中燃烧组织更为困难导致的。相对于使用碳氢推进剂,使用含硼质量分数35%推进剂的一次燃烧产物更容易在喉部沉积,其燃气发生器压力曲线也存在更多峰值振荡的现象。在所研究的试验当量比范围内,使用碳氢推进剂的燃烧效率峰值约0.82,此时对应内推力比冲峰值约6...     

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。     

旋转射流对含硼固体火箭冲压发动机二次燃烧的影响

为提高固体火箭冲压发动机二次燃烧效率,将旋转射流技术引入固体火箭冲压发动机设计,采用Re-alizable k-ε湍流模型、单步涡团耗散燃烧模型以及KING硼粒子点火和燃烧模型,利用Fluent软件开展了旋转进气和一次燃气旋转含硼固体火箭冲压发动机补燃室三维反应流场流数值分析。研究结果表明,当空气射流切向进入补燃室时,气流产生的旋转均使燃料与空气的混合更充分,燃烧效率更高。当气流切入角度增大时,补燃效率先升后降,对于具体发动机结构,存在一个使燃烧效率最大的切入角,针对研究的模型发动机结构,此值在20°附近;当一次燃气旋流数的增加,二次燃烧效率呈逐渐增高的趋势。     

变结构RBCC发动机亚燃模态全流道数值模拟研究

变结构燃烧室是提高宽范围工作火箭基组合循环（Rocket-Based Combined-Cycle,RBCC）发动机性能的有效途径之一,本文旨在通过全流道三维数值模拟的方法研究变结构RBCC发动机在低来流马赫数条件下燃烧室与进排气匹配状况,以及研究采用变结构燃烧室进行亚燃模态可靠燃烧组织的可行性。针对Ma3来流,研究了火箭冲压和纯冲压燃烧模式下的发动机性能,并实现了燃烧室工作模式的转变。通过本文的研究工作得到以下结论：（1）在火箭冲压工作模式下,一次火箭小流量工作能够提高二次燃料的燃烧效率,冲压燃烧室比冲性能较优,燃烧室与进排气能够匹配工作。（2）燃烧室工作在火箭冲压模式时,采用燃料支板集中喷注燃料的性能优于隔离段和燃料支板分散喷注时性能;发动机工作在纯冲压模式时,燃烧效率将会下降,并且发动机冲压比冲比火箭冲压工作模式下降10.2%,全流道比冲则上升14.5%。     

冲压发动机的固液燃气发生器方案研究

为解决固体火箭冲压发动机和固体燃料冲压发动机的流量调节问题,曾经提出过采用固液燃气发生器的方案。近年来,意大利那不勒斯大学航天科学与工程系研究了两种固液燃气发生器方案,用控制固液燃烧来调节进入冲压燃烧室的富燃料燃气流量,从而达到调节固体火箭冲压发动机和固...     

2002年超燃冲压发动机研究进展

(1)在多国合作的HyShot计划研制中,2002年7月,超燃冲压发动机飞行器在武麦拉靶场成功地进行了飞行试验,昆士兰大学的研究者成功地实现了超声速燃烧。试验飞行器用一枚两级火箭助推至330km的高空,在下降过程中,当飞行器在Ma=7.6飞行时,氢燃料喷入超燃冲压发动机。 (2)由霍普金斯大学应用物理实验室领导的一个协作小组,在NASA兰利研究中心的2.44m风洞中,进行了普通液体碳氢燃料的、完全一体化的高超声速巡航导弹发动机全尺寸试验,获得了净推力。这种双燃烧室超     

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。     

航空发动机氨燃料分析及流量需求计算

为了减少航空发动机由于燃烧含碳燃料产生的碳排放，针对含氨燃料作为航空发动机替代燃料的可行性问题，基于 CFM Leap 1-A发动机的性能参数，运用能量守恒转换关系及氨的化学催化分解反应，对含氨航空燃料的成分配比及航空发动机 氨燃料供应系统和流量需求进行计算。结果表明：氨氢混合物比纯氨具有更好的燃烧性能，可使燃料层流火焰速度达到一些传统碳氢 燃料的水平；氨气可以被分解出氢气并完成氨氢混合，成为一种航空发动机新型替代燃料；确定了新燃料中最优的氨氢比为3∶2； 提出了此种新燃料在航空发动机中的应用方式，并依照航空发动机的性能需求确定了使用新燃料情况下的燃料流量；氨分解所需 热量可由少部分氢气的燃烧来提供。在正确配比燃料中氨氢组分、正确分配燃料流量、并设计氨催化分解系统的前提下，能使得 发动机保持与使用传统碳氢燃料类似的燃烧性能和功率水平，并减少碳排放。     

碳黑对固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性影响

为研究含碳黑推进剂对固体燃料冲压发动机(SFRJ)旋流燃烧特性的影响,以高密度聚乙烯和含碳黑聚乙烯为推进剂,使用直连式实验系统对冲压发动机进行了旋流和无旋工况的实验研究。并根据实验所获的数据进一步计算得到不同工况下SFRJ工作性能参数。结果表明与聚乙烯(PE)固体燃料相比,含5%碳黑的聚乙烯推进剂可以有效提高固体燃料的燃速、特征速度和推力。在旋流工况下,固体燃料冲压发动机补燃室压强和温度也相应提高,燃烧稳定性增强。同时,在对燃烧室构型进行实验研究时发现,固体燃料冲压发动机的燃烧稳定性和燃烧效率会随药柱内径的增大而提高,而发动机平均燃速则会随着药柱内径的增加而降低。     

金属富燃料推进剂火箭冲压发动机一次和二次系统的性能分析

冲压发动机由于它的高比冲、高速度和持续的推力,极适用于大气层飞行的导弹。最近二十年冲压发动机技术发展的主要里程碑是导弹上应用的整体式火箭——冲压发动机(IRR)的设计和验证。本文详细地介绍了固体推进剂火箭——冲压发动机(一种IRR)在平衡工况下的一种相对地简单的一元流分析法。分析中考虑了下列方面:1)轴对称进气道性能,2)金属富燃料固体推进剂主发动机的复杂的化学平衡组分,3)随着发生的多相流动,4)在二次燃烧室中空气和富燃料燃烧产物的混合和扩散以及随后的反应。应用该分析法介绍了一种典型的实例研究。     

引射式火箭冲压组合推进系统的数值仿真

为了研究利用火箭作为引射器的引射式火箭冲压发动机的性能及内部流动机理,建立了一维总体性能计算模型,对火箭冲压组合发动机的性能参数进行了数值计算;此外,又基于CFD技术,对火箭冲压组合发动机的内部流场进行了数值仿真。总体性能计算结果表明,引射式火箭冲压发动机可以产生推力增益和提高比冲;流场计算结果表明,火箭主流与二次空气流在引射掺混过程中参数匹配是合理的。由此可见,所建立的计算模型是正确合理的,采用火箭发动机和亚燃冲压发动机的组合方式是可行的。     

简讯、动态

美国空军主管部门在“1985财年空军技术目标文件”中介绍了空军在导弹技术方面的研究重点: 1. 冲压发动机分部重点研究可变流管道火箭发动机和旋流燃烧液体燃料冲压发动机。管道火箭发动机技术可用于高机动性中程战术导弹。八十年代中期的技术是重点研究可变流燃气发生器,容积热值提高30％。此外,还着重研究了可烧蚀的诸盖和先进的喷管设计。这些技术可用于八十年代后期做发动机全尺寸自由射流试验。先进的战略导弹推进系统的主要技术仍然是旋流燃烧液体燃料冲压发动机,这种发动机大大提高了战略导弹机载(airborne)能力。     

金属推进燃料的研究进展

在化学燃料中,使用金属燃料对提高火箭发动机的性能是很有前途的。本文综述了近年来关于金属推进燃料的研究。其中包括金属燃烧的特点,在冲压发动机和火箭发动机中使用金属燃料存在的问题和初步解决方法,总结了近年来的主要研究内容和现存的问题。最后,展望了金属推进燃料的使用前景,并对我国当前如何着手这类课题的研究提出了一些初步看法和建议。文中列出了几类金属的物化性质和几种较新的含金属固体推进剂的性能数据。     

固体火箭冲压发动机燃烧性能评价方法

通过对固体火箭冲压发动机的工作特点分析,提出了适用于评价固体火箭冲压发动机燃烧性能的方法。对气动法、燃气分析法、台架推力法等燃烧性能评价方法进行了分析,并对其优缺点进行了说明。     

组合发动机多种燃料和多种氧化剂的当量比计算法

提出了两种计算燃料和氧化剂当量比的方法。方法之一是“混合气法”;假方法之二是“当量油气比法”。燃烧过程中使用的燃料种类数及氧化剂种类数均没有限制。还假设了一个组合发动机作为例题。它包括火箭发动机、冲压发动机、涡喷发动机及加力燃烧室。使用的燃料为液氢、甲烷、丙烷和航空煤油。氧化剂为液氧和空气。