一种冲压发动机推力矢量设计方案研究

针对战术导弹用冲压发动机,提出了一种推力矢量设计方案,即在进气道整流罩底部附设楔形体,利用它的摆动运动,使尾喷气流偏转,产生推力矢量。基于CFD数值模拟,分析了该方案的喷管流动特征,以及飞行马赫数和楔形体偏转角度对推力矢量的影响。计算结果表明,该设计方案可行,且还能适度减小进气道整流罩底阻。     

一体化超燃冲压发动机初步设计计算模型

以总压恢复系数最大为目标，采用等激波强度和等激波角设计方法建立进气道模型；采用Ikawa“面积扩张因子”建立燃烧室模型；依据Edward方法初估尾喷管型面。在此基础上建立了一体化超燃冲压发动机进气道、隔离段、燃烧室及尾喷管计算模型，并对一体化设计的超燃冲压发动机模型进行了初步计算。     

尾喷管构型对高超音速飞行器纵向静稳定性的影响

尾喷管构型的选取在高超音速飞行器一体化设计中有着举足轻重的作用.采用二维耦合隐式欧拉方程对高超音速飞行器内定常无粘流场进行了数值仿真,分析了尾喷管斜面倾角分别为8°、11°、13°和15°时,其构型对高超音速飞行器处于3种不同工作状态下(即进气道关闭、发动机通流和点火)纵向静稳定性的影响.结果表明,当尾喷管斜面倾角为11°时,高超音速飞行器的纵向静稳定特性较好,为下一步改型工作提供了参考.     

反折式二元超声速进气道研究

X-51A采用带两级压缩楔面的反折式进气道设计方案,这是一体化权衡设计的结果,要求进气道设计综合各方面因素进行多目标优化。从发动机设计角度出发对类似于X-51A的反折式二元进气道进行了研究,合理选择了进气道的设计变量并运用多目标粒子群优化算法（MOPSO）对带两级压缩楔面的反折式二元进气道按总压恢复系数、流量系数及出口马赫数三个目标函数进行了多目标优化设计,计算中性能指标参数评估基于Euler方程求解得到。通过优化计算得到了带两级压缩楔面的反折式进气道相关性能指标参数最优变化关系及结构方案,可为后续进气道与飞行器一体化权衡提供设计参考。     

导弹腹部进气道前弹体干扰特性数值分析

为评价腹部进气中等超声速战术导弹中导弹前弹体干扰对进气道总体性能的影响,结合设计实例,基于F luent软件,运用CFD数值模拟技术,开展了进气道与导弹前弹身组合体内外流场的一体化数值仿真计算分析。结果表明,相比单独进气道,因导弹头部弓形激波造成的总压损失及前弹体附面层干扰两方面作用,腹部进气道的实际捕获流量和总压水平总体下降,平均下降幅度在设计点单一随攻角变化时分别达3.5%和3%,在低速飞行段单一随飞行速度变化时分别达3%和4%。此外,也证实导弹前弹体的屏蔽和预压缩作用可适度改善腹部进气道攻角特性,采用附面层隔道可弱化前弹体附面层干扰。     

矩形流道RBCC动力系统推阻特性之思考

分析了适应升力体外形和矩形流道的RBCC动力系统的推阻特性及其影响因素。矩形流道RBCC动力系统推阻力主要包括:进气道产生的风阻力与升力、火箭发动机推力室产生的推力、燃烧室流道的流动阻力、壁面压力产生的推力及尾喷管产生的推力与升力等。影响动力系统推阻力的主要几何因素有进气道构型与迎风面积、支板/凹腔的构型与尺寸、燃烧室流道的型面与扩张角及尾喷管的构型,来流的动压及气体黏度、燃气物性及燃烧室燃烧效率等也会对其产生影响。高性能RBCC动力系统研发需要考虑进气道、火箭发动机推力室、燃烧室、支板、凹腔、尾喷管等部件的优化设计,以及部件间的相互协调。     

基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计

针对吸气式高超声速飞行器高空巡航飞行时净推力和升力不足的难题,探索了一种基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计方法。该方法耦合了具有高升阻比特性的乘波机体和气流压缩性能优异的三维内收缩进气道,获得了一种气动性能较优的高超声速飞行器一体化构型。在设计过程中,对一种咽式进气道的几何外形和激波系结构进行了适当改变,得到了能与楔形乘波前体进行一体化设计的类咽式进气道构型,并采用遗传算法对进气道参数进行了优化;以所得到的进气道和乘波体为基础对飞行器整体构型进行了飞行器内外流一体化设计。无黏计算所得流场与理论设计吻合良好,有黏计算结果表明该飞行器在马赫数7时最大升阻比达到3.4,具有良好的气动性能。     

基于能量法的超声速飞航导弹/冲压发动机一体化研究

参考飞机/发动机一体化设计的思路,建立了基于能量法的超声速飞航导弹/冲压发动机一体化设计的约束分析和任务分析模型.简述了超声速飞航导弹任务剖面、约束条件的给定、导弹的质量组成以及冲压发动机安装模型.利用高超声速飞行器的升阻特性,对超声速飞航导弹的升阻特性进行了预测.分析了冲压发动机性能、导弹升阻比对导弹发射总重的影响.约束分析和任务分析的计算结果表明,所建立的一体化约束分析与任务分析模型是合理可行的.     

进口水平投影可控的流线追踪内收缩进气道设计

为了满足两侧进气布局飞行器的乘波前体与进气道一体化设计要求,提出了一种进口水平投影可控的流线追踪内收缩进气道设计方法。基于马赫数分布可控的轴对称基准流场,在指定进口水平投影为椭圆的条件下,采用该方法设计了内收缩进气道并在设计点(Ma=5.4)和接力点(Ma=4.0)对其进行数值研究。结果表明,设计点时进气道都能保持基准流场的波系结构和沿程压力分布,无粘时可以全捕获自由来流,喉道性能与基准流场几乎相等。有粘条件下,设计点和接力点时进气道具有较高的压缩效率和良好的流量捕获能力,接力点的流量系数高达0.85。该设计方法为内收缩进气道与乘波前体的一体化设计提供了新途径。     

固体火箭燃气超燃冲压发动机概念分析(Ⅰ)——全流道一体化设计

针对中心支板式固体火箭燃气超燃冲压发动机,从大气模型、进气道、燃烧室及尾喷管四个模块出发完成了其一体化流道设计。针对所设计的发动机设计点及非设计点,采用全流道一体化数值模拟的方法对发动机设计的合理性进行了验证。研究结果表明,发动机设计点及非设计点进气道均已启动,燃烧室及后体工作状态良好,验证了发动机设计的合理性;碳颗粒的燃烧效率限制了发动机整体的燃烧效率水平及发动机性能,发动机设计点整体的燃烧效率为49%,比冲仅有3674.61 m/s,提升碳颗粒的燃烧效率作为固体火箭燃气超燃冲压发动机性能提升的关键点;由于燃烧室长度可能较短,构型较为简单,这对于发动机的一体化设计是不利的,如果能合理布置燃烧室构型,则对固体火箭燃气超燃冲压发动机的二次补燃效率及发动机性能的提升有所帮助。     

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.     

固体火箭发动机长尾喷管烧蚀实验研究

通过研究长尾喷管烧蚀机理,建立了一套模拟长尾喷管烧蚀的实验方法,设计了研究长尾喷管发动机烧蚀性能的实验装置,并进行了正常状态和过载状态下的长尾喷管烧蚀实验,同时获得了烧蚀实验数据及烧蚀形貌。通过建立的数值计算模型,开展了对长尾喷管烧蚀的数值计算研究。将实验结果与数值模拟结果进行了对比分析,两者在一定程度上吻合较好,从一个侧面验证了数值模拟的有效性。     

两相流环缝塞式喷管理想型面的设计方法

目前固体火箭发动机塞式喷管没有成熟的理论设计方法,设计方法需考虑两相流因素和极限粒子流线的几何约束。在常滞后两相流假设下提出改进的Angelino理想型面法设计两相流环缝塞式喷管,证明了常滞后两相流中的普朗特-迈耶函数关系式,并给出了最终设计公式。用F luent软件计算了改进法设计的喷管型面性能。算例结果表明,与未考虑两相流效应的纯气相理想型面相比,该法设计的型面长度缩短近33%,推力增大约1%,证明了提出常滞后两相流假设的合理性及改进法设计两相流环缝塞式喷管的有效性。     

大长细比小型固体发动机后点火试验研究

阐述了小型固体火箭发动机点火性能参数与影响因素．介绍了大长细比长尾喷管小型固体火箭发动机后点火的设计思路和试验情况．并对后点火试验研究进行了总结。     

Design exploration for a single expansion ramp nozzle (SERN) using data mining

The single expansion ramp nozzle is an essential component for hypersonic vehicles to improve their internal/external integral level and produce most of the thrust force. The two-dimensional coupled implicit Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS) equations and the two-equation RNG k–ε turbulent model have been employed to numerically simulate the flow field in a single expansion ramp nozzle, and the interactions between the parametric parameters and the objective functions, namely the thrust force and the lift force, have been investigated by using the data mining technique coupled with a design of the experiment. The obtained results show that the physical model has a good two-dimensional structure, and the numerical results show very good agreement with the available experimental data. At the same time, the grid scale has only a slight impact on the pressure distribution. The influences of the horizontal length of the inner nozzle, the external expansion ramp and the internal cowl expansion on the thrust force performance are substantial, as are the effects of the internal cowl expansion and the external expansion ramp on the lift force performance. Further, optimized configurations of the single expansion ramp nozzle are obtained by using single- and multi-objective design optimization methods coupled with the Kriging surrogate model, and the optimized performances show very good agreement with the numerical predictions. The discrepancies between the optimized performances and the numerical predictions are less than 0.05%, and the method proposed in this paper is efficient in designing and optimizing the nozzle configuration.     

超声速射流对挡流板的冲击流场的数值模拟

采用数值分析方法分析了跨声速喷管无粘流动和超声速射流对挡流板的冲击流场。该方法是对激波流动添加了显式人工粘性项，控制方程仍为Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ二阶显式预后－校正差分格式求解。     

超燃冲压发动机推阻力特性研究综述

超燃冲压发动机由进气道、燃烧室和尾喷管等部件构成,推阻力是其最重要的特性参数。回顾了超燃冲压发动机部件级推阻力特性和整体推阻力特性研究现状,介绍了超燃冲压发动机推阻力特性研究方法和测量技术。建议今后研究过程中关注以下几个问题：研究精确的自由射流试验测量技术,研究流场均匀性对发动机性能的影响,开发高精度仿真平台。     

三维侧压高超声速进气道不启动流场试验与数值模拟研究

对某构型三维侧压高超声速进气道开展了Ma4的自由射流试验和数值仿真,研究 了低马赫数下不启动流场的流动机理。观测到了具有“对涡”结构的底板油流图案,并得到 了分离区的范围和内部流动特征。分析得出,“对涡”结构油流图案和流场中部分离区的形 成是唇口激波和内收缩形成的逆压梯度作用于侧板激波形成的流场中部低能流区的结果。根 据试验和数值模拟结果给出了流场结构示意图,并为下一步进气道构形设计和性能改善工作 提出了建议。     

吻切锥乘波机的构型设计与性能研究

以圆锥绕流流场为基础，给定进气道进口曲线运用吻切锥理论生成了不同的乘波机构型，并对乘波机进行了包括升力、粘性阻力、波阻、升阻比、乘波机长度、体积、容积效率等各主要性能指标在内的性能计算，初步确定出了吻切锥乘波机构型和性能的变化规律及其决定性定型参数。计算结果表明：源流场圆锥半锥角、进气道进口高度是乘波机性能的决定性因素；在乘波机容积效率要求较高的设计要求下，粘性阻力占乘波机阻力的主导地位，其初设计过程也必须考虑粘性的影响。乘波机的生成过程和性能计算充分证明了乘波机作为高超声速飞行器和空天飞机外形的三项无与伦比的性能：较高的升阻比、由流场推算乘波机外形的反设计和一体化设计性能。