基于直扩流道构型的RBCC发动机亚燃模态高效燃烧组织研究

针对支板喷注煤油和一次火箭引导燃烧的RBCC发动机,在亚燃模态下的高效燃烧组织和性能开展了实验研究和数值分析.实验验证了在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭产生的高温射流作为引导火焰,可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和高效稳定燃烧.通过数值模拟获得了燃烧室的详细流场特征和燃烧组织细节,分析表明支板后方集中的燃料热释放可形成扩张燃烧室流道中的“热力壅塞”;通过热力喉道的控制,实现了在直扩流道内的高效燃烧.研究表明:发动机在亚燃模态下燃烧组织应尽可能地使热力喉道处于燃烧室较后位置,使燃料在燃烧室高压区内充分燃烧释热,从而提高其燃烧效率.论文还研究了燃料支板喷注位置的影响,进一步开展RBCC发动机亚燃模态性能的优化.     

RBCC发动机亚燃模态一次火箭引导燃烧的实验

针对使用液体煤油燃料(JP-10)的火箭基组合动力循环(RBCC)发动机在亚燃模态下使用一次火箭作为引导的燃烧组织开展了实验研究.实验在低来流总温条件下,使用小流量一次火箭羽流作为引导火焰可以实现液体煤油的可靠点火和稳定燃烧,并在扩张燃烧室中实现“热力壅塞”,从而完成RBCC发动机亚燃模态的高效燃烧.在目前发动机燃烧室构型下,通过一系列的发动机壁面压力分布曲线和推力增益的比较,研究了凹腔,支板及壁面喷注位置对发动机性能的影响.实验的结果表明:在一次火箭的下游使用支板喷注器可以使得燃料较容易的分布在主流中,并且在一次火焰羽流的引导下可以实现稳定高效的燃烧.支板喷注器的位置对于发动机的性能有很大的影响,在凹腔前壁面横向喷注燃料,有利于RBCC发动机燃烧性能的提升.为了获得较优的发动机亚燃模态性能,需要进一步对燃料的喷注策略开展优化研究.      

火箭冲压组合发动机亚燃模态流道匹配特性分析

为获得喷注规律对RBCC工作特性的影响,开展Ma_∞=3~6条件下火箭冲压组合发动机亚燃模态的全流道一体化数值分析,比较了不同来流条件下燃烧组织方式与进排气之间的匹配关系。研究发现,随着飞行马赫数的增加,隔离段压比提高,需相应调整燃料喷注位置和当量比,前移主释热区,最大化利用预燃激波串的匹配特性;在低马赫数下,则需将释热区转移至燃烧室后部扩张比较大区域,扩展流道后部压力范围,最大化利用热力壅塞的匹配特性,在不同马赫数下,通过分布式释热的方法实现宽裕较优工作。除此以外,关闭火箭也可以使得预燃激波串后移,改善进气道工作状态,发动机平均比冲性能提高10%以上,此时可以适当增加燃烧室前部喷油量,以保证低马赫数下整体的推力性能。     

内嵌火箭的管道流场计算分析

为了研究管道火箭几何分布、工作条件及流道几何外形对流场和二次来流引射特性的影响,以含双方程k-ωSST湍流模式的质量平均Navier-Stokes方程为控制方程,对含火箭的管道流场进行了数值模拟,对比研究了管道火箭位置、燃烧室压强对管道流场及二次来流引射特性的影响。结果表明:在管道火箭膨胀喷流没有碰触管道侧壁前,二次来流流量随火箭燃烧室压强的增加而增加,而一旦火箭膨胀喷流边界快速膨胀至流道壁面,被引射来流流量将很难得到进一步增加;随着飞行马赫数的增加,二次来流冲压作用增强,可用来调制管道流场;远场来流静止对应于起飞阶段,正是火箭在最大燃烧室压力(满功率)工作阶段,由此需要较好地解决火箭与管道的尺度匹配问题,否则很难获得相应的增益,内嵌(支板)火箭概念更适用于起飞后的飞行阶段。     

基于气化煤油喷注的RBCC燃烧室亚燃模态燃烧组织研究

针对RBCC发动机亚燃模态进行主动冷却的情况下,煤油发生气化后喷入燃烧室的燃烧组织开展研究。在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭高温射流作为引导火焰可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和稳定燃烧,当煤油喷注前加热到气化/超临界态时,燃烧室最高压力相比于室温液态煤油提高约10%左右。当关闭一次火箭后,利用凹腔成功实现火焰稳定,而使用室温液态煤油喷注时,凹腔内无法实现火焰稳定。通过数值模拟获得了不同喷注方案的燃烧室燃烧流场特征和燃烧组织过程,为进一步优化燃烧室的性能提供依据。结果分析表明通过合理布置燃料支板喷注位置,由燃料支板下游集中的燃料热释放使得气流在扩张燃烧室构型中实现"热力壅塞",通过燃料分配实现燃烧室内合理的燃烧释热分布,使RBCC发动机亚燃模态完成高效燃烧组织。     

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%。     

固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素研究

为了获得以飞行马赫数5.5巡航工作的固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能影响因素,开展了地面直连实验和数值模拟研究。利用数值手段研究了固体燃气喷注方式、扰流装置的形式以及燃烧室扩张比等因素对燃烧室性能的影响规律,获得了高燃烧效率(≥90%)的垂直喷注式发动机燃烧室构型。研究表明：1)垂直喷注方式能增强富燃燃气与空气的掺混效果,颗粒相的燃烧效率较中心支板式双火箭燃烧室构型提高了25%;2)对比不同级数的扰流装置对发动机性能影响,同时考虑扰流装置热防护问题和发动机结构复杂程度,双级扰流装置的扰流形式增强效果较优,颗粒相的燃烧效率较单级扰流装置的燃烧室构型方案提高了26%;3)对比不同燃烧室扩张比对发动机性能影响,扩张比1.6的燃烧室构型方案颗粒相的燃烧效率为95%。综上所述,本文优化得到了垂直喷注方式、双级扰流装置以及燃烧室扩张比为1.6的高燃烧效率的发动机燃烧室构型。     

多模态RBCC主火箭室压对引射流动燃烧影响研究

为了研究火箭冲压组合动力循环(RBCC)发动机主火箭室压对引射模态发动机性能的影响,针对宽范围飞行的二元中心支板式构型,分析了引射模态亚声速飞行阶段发动机工作特点,采用发动机与飞行器前后体集成的全流道数值模拟计算方法,研究了主火箭室压对RBCC亚声速飞行阶段燃烧室流动燃烧及发动机性能的影响。结果表明:主火箭室压增至26MPa时,由于主火箭喷管面积扩张比相应增大,使得主火箭喷管出口射流欠膨胀程度没有增大,避免了Fabri壅塞现象的产生,同时增大的主火箭射流马赫数使主火箭射流对第一级凹腔下游二次流道的挤压作用明显减弱,综合作用使得Ma=0和Ma=0.8条件下引射比分别提高了22.4%和40.0%;全流道计算结果表明在亚声速飞行阶段,提高主火箭室压一方面提升了主火箭推力,另一方面提升了燃烧室及后体推力,综合作用使得发动机比冲分别提高了11.5%和25.3%。提高主火箭室压有利于提升宽范围飞行RBCC发动机亚声速飞行阶段发动机性能。     

RBCC引射火箭模态二次燃烧实验

为了提高RBCC引射火箭模态的推力性能,探索热力壅塞对引射模态推力的影响,开展了二次燃烧实验研究。引射火箭采用二元支板结构,燃气发生器采用多个喷管以加强混合,二次燃料喷嘴为小流量直流自击式喷嘴。通过实验,获得了燃料的质量流率、燃料喷射位置和物理喉道面积对推力的影响。结果表明:合适的燃料流量和喷射位置可以在静态条件下产生推力增强。     

RBCC亚燃模态热力喉道机理的数值模拟

针对RBCC同一扩张流道多模态匹配工作的特点,通过三维数值模拟,研究了亚燃模态热力喉道形成机理及规律,结果表明通过合理控制流道中的加热量和流道面积变化可以有效地控制热力喉道形成位置,其中位于第二级燃烧室中的凹腔组对形成稳定的热力喉道有比较关键的作用,其剪切层形成的燃烧区域成为一个稳定的放热源,给流道中的气流提供了使马赫数出现转折的能量,凹腔后壁斜面的几何收缩也为壅塞面的形成提供助力,凹腔后流道的气流逐步稳定成为超声速流,热力喉道基本形成于第二级凹腔组后.     

RBCC飞行器爬升段轨迹设计方法

 火箭基组合循环（RBCC）的发动机推力与飞行轨迹相互影响,导致飞行器轨迹设计与发动机性能分析存在耦合作用。对RBCC飞行器爬升段的轨迹设计方法进行研究,提出了基于马赫数-动压参考曲线的轨迹设计方法。对非均匀有理B样条(NURBS)曲线进行了定义补充,以用于描述具有任意形状的马赫数-动压参考曲线,并对参考曲线的各控制参数选取方法进行了研究;建立了基于二分法求解迎角并实现轨迹方程求解的算法流程。利用提出的轨迹设计方法对空中载机发射的RBCC飞行器进行了爬升段轨迹设计与分析,计算结果表明：(1)马赫数-动压参考曲线法考虑了发动机性能与飞行轨迹的耦合作用,能够适用于RBCC飞行器爬升段的轨迹设计;(2)引射模态低速段（Ma<2.0）消耗的推进剂质量超过爬升段的50%以上,是发动机性能优化的关键;(3)引射模态推进剂流量最大值与最小值之比达到了6.3;(4)当飞行马赫数达到1.7后引射模态下的来流空气冲压作用超过了一次火箭的引射作用,在保证空气捕获方面占主导地位。     

基于分析法的RBCC引射模态能量利用规律

为实现RBCC(火箭基组合循环)节约燃料的目的,基于分析法,研究了引射模态下发动机典型部件和系统能量利用与转化的规律。结果表明:引射火箭在RBCC发动机主体部件中损失最大,效率最低(48%~62%);发动机效率随来流马赫数的增加而不断增大,当来流马赫数小于2.5时,增长速度缓慢;当来流马赫数大于2.5时,增长速度加快;作为一种能量经济性指标,突破了以往基于热力学第一定律的发动机性能分析的局限性,通过单一参数将进气道、引射火箭和混合室等独立部件耦合起来,可全面评价组合循环发动机能量综合利用的性能,指导发动机设计和能量优化工作。     

Thermal behavior of an isolator with mode transition inducing back-pressure of a dual-mode scramjet

Combustion mode transition is a valuable and challenging research area in dual-mode scramjet engines. The thermal behavior of an isolator with mode transition inducing back-pressure is investigated by direct-connect dual-mode scramjet experiments and theoretical analysis. Combustion experiments are conducted under the incoming airflow conditions of total temperature 1270 K and Mach 2. A small increment of the fuel equivalence ratio is scheduled to trigger mode transition. Correspondingly, the variation of the coolant flow rate is very small. Based on the mea-sured wall pressures, the heat-transfer model can quantify the thermal state variation of the engine with active cooling. Compared with the combustor, mode transition has a greater effect on the iso-lator thermal behavior, and it significantly changes the isolator heat-flux and wall temperature. To further study the isolator thermal behavior from flight Mach 4 to Mach 7, a theoretical analysis is carried out. Around the critical point of combustion mode transition, sudden changes of the isola-tor flowfield and thermal state are discussed.     

某RBCC样机进气道的设计与数值模拟

针对某包含引射、亚燃两模态(马赫数为0~4.0)的支板式火箭基组合循环(rocket based combined cycle)发动机地面集成试验,设计了样机用带支板的二元进气道.数值模拟对比分析了在亚燃模态下进气道加入支板前后的性能以及流道内的流动情况,验证了设计的合理性,并且给出了支板位置以及构型的改变引起RBCC发动机进气道性能变化的规律和优化设计结果.      

飞行状态下脉冲爆震发动机性能估计分析

在理想单循环脉冲爆震发动机分析模型的基础上,通过引入进气道建立了一定飞行状态下的自吸气的脉冲爆震发动机理论性能计算模型,研究了当飞行状态改变时,脉冲爆震发动机的性能变化趋势,计算结果表明,对给定模型,飞行高度和飞行马赫数对脉冲爆震发动机性能的影响是不一样的,决定于进气道和爆震室的推进特性,同时模型也考虑了爆震频率和爆震室直径对性能的影响,这为脉冲爆震发动机的理论设计和分析提供了一定依据。      

Criteria for hypersonic airbreathing propulsion and its experimental verification

Hypersonic airbreathing propulsion is one of the top techniques for future aerospace flight, but there are still no practical engines after seventy years' development. Two critical issues are identified to be the barriers for the ramjet-based engine that has been taken as the most potential concept of the hypersonic propulsion for decades. One issue is the upstream-traveling shock wave that develops from spontaneous waves resulting from continuous heat releases in combustors and can induce unsteady combustion that may lead to engine surging during scramjet engine operation. The other is the scramjet combustion mode that cannot satisfy thrust needs of hypersonic vehicles since its thermos-efficiency decreases as the flight Mach number increases. The two criteria are proposed for the ramjet-based hypersonic propulsion to identify combustion modes and avoid thermal choking. A standing oblique detonation ramjet (Sodramjet) engine concept is proposed based on the criteria by replacing diffusive combustion with an oblique detonation that is a unique pressure-gain phenomenon in nature. The Sodramjet engine model is developed with several flow control techniques, and tested successfully with the hypersonic flight-duplicated shock tunnel. The experimental data show that the Sodramjet engine model works steadily, and an oblique detonation can be made stationary in the engine combustor and is controllable. This research demonstrates the Sodramjet engine is a promising concept and can be operated stably with high thermal efficiency at hypersonic flow conditions.     

火箭冲压组合循环推进系统掺混参数研究

火箭冲压组合循环(RBCC)推进系统工作过程中,来自冲压管道的空气和火箭发动机的排气流进行混合,混合气体通过一个扩压器,在扩压器中与燃料混合并燃烧。本文基于CFD技术,研究了基准掺混段内的掺混过程,N-S方程的计算结果显示,在掺混段出口,截面气流并不均匀,这将会影响整个RBCC推进系统的性能。在此基础上,本文还研究了掺混段长度和掺混段出口静压对掺混性能的影响。     

基于Fibonacci搜索方法的航空发动机性能寻优

介绍了Fibonacci搜索方法应用于发动机性能优化中的原理,建立带两个出口面积、气流马赫数可变的引射器的涡喷发动机的总体性能计算模型,应用Fibonacci搜索方法在优化参数区间内对该发动机进行了最大推力、最低油耗、最低涡轮前温度模式的寻优.举例说明了Fibonacci搜索方法应用的具体过程.给出了不同高度、马赫数下的寻优结果.结果表明:最优目标性能满足的约束边界与飞行高度、马赫数密切相关.不同的飞行高度、马赫数对应了不同的最优控制策略.但不论飞行任务如何,根据该方法进行的优化控制所获得的目标性能是最佳的.该优化方法不仅适用于该类涡喷发动机,也为其他类型航空发动机的优化控制打下一定的基础.