火箭冲压组合动力研究进展

对国内外火箭冲压组合动力(RBCC)研究现状与发展路线进行了总结,阐述了各国主要研究计划和取得的重要成果。系统地总结了西北工业大学航天学院在火箭冲压组合动力的研究进展和研究成果,经过近二十年的发展,完成了从发动机理论分析与原理验证、部件设计与试验到小尺度发动机地面集成验证,初步突破和掌握了宽域全流道设计、宽来流高效燃烧与火焰稳定以及模态过渡等多项关键技术,具备了开展飞行演示验证的基础。     

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.     

基于放热分布的RBCC热力喉道研究

为了更清楚地认识RBCC亚燃模态热力喉道生成机理与规律,通过三维数值模拟,研究了不同燃料喷注位置、凹腔位置、当量比以及火箭流量等影响RBCC燃烧室流道内放热分布的因素,分析了不同放热分布对于热力喉道生成的影响。研究结果表明在放热量足够形成热力喉道的前提下,放热分布相比放热量对热力喉道生成位置的影响更大,并且热力喉道不会形成于主放热区内,提高掺混、增加燃料当量比等使放热量增大的方法会伴随30%~50%的主放热区间长度的增加,对于热力喉道生成位置的影响能力有限。对于RBCC燃烧室,调节火箭流量是一种更有效也更容易实现热力喉道位置宽范围调节的方法,调节范围可以达到燃烧室长度的24%。     

固液发动机固体燃料瞬态退移速率

为了研究固液混合火箭发动机中固体燃料退移速率在发动机工作过程中的变化特性,基于固液混合火箭发动机的工作特点,利用燃烧流动与固体区域传热耦合计算以及动网格技术,建立了固液混合火箭发动机固体燃料瞬态退移速率预示的数值模型,并对某带预燃室、补燃室以及扰流环结构的模型发动机进行了研究。计算结果表明,固体燃料热解表面的温度以及退移速率随着发动机的工作逐渐降低;在同一时刻沿发动机轴线燃料热解表面上各点的退移速率以及温度不同;扰流环可以提高它后面局部区域固体燃料的退移速率以及表面温度。     

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.      

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.      

用小支板及凹腔组合提高火箭冲压组合发动机的燃烧性能

为了研究RBCC亚燃模态的高效稳定燃烧,对小支板及凹腔结合的火焰稳定及燃烧组织方式进行多次试验研究,结果表明,凹腔与支板的火焰稳定及燃烧组织方式能有效地改善燃料的燃烧性能,提升燃烧室压强,凹腔与支板相对位置对燃烧的放热位置及燃烧性能也有影响。为了进一步研究燃烧流场内部参数变化,选取其中一种试验工况进行数值模拟,结果表明,在RBCC混合燃烧模式中,采用支板与凹腔组合的火焰组织及稳定方式,能够在较短距离实现煤油的高效燃烧,获得较好的燃烧性能,并且可以从中发现热力喉道的形成与凹腔的后斜壁收缩有关联,在实现稳定高效燃烧的条件下,获得直扩的双模态燃烧室内较为稳定的热力喉道。     

中心支板顶角对RBCC进气道影响数值研究

为研究中心支板顶角对火箭基组合循环发动机(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)进气道的影响,优化RBCC进气道设计方法,利用数值模拟对RBCC进气道开展了研究。分析了中心支板顶角变化对进气道内压缩段最小长度的影响,通过数值模拟对中心支板顶角变化对典型工况下进气道的流场特征和性能影响开展了定量及定性的研究。研究结果表明,增加支板顶角可以减小进气道长度(相比于Strut_1,Strut_2至Strut_5的隔离段长度分别减少47%,62%,70%,75%)和粘性阻力系数(相比于Strut_1,在Ma∞=1.5时Strut_2至Strut_5内压缩段粘性阻力系数分别减少33%,45%,55%,59%;在Ma∞=5.5时Strut_2至Strut_5内压缩段粘性阻力系数分别减少37%,50%,57%和61%),但并不影响进气道流量系数和流动均匀度。同时根据研究结果对进气道进行优化设计,能有效提高进气道的起动能力及其他性能参数,进气道的内、外压缩段阻力系数分别降低13.5%和5.7%,总压恢复系数和循环静温比分别提高2.6%和0.5%。     

火箭基组合推进研究现状与前景

对国内外火箭基组合推进系统(RBCC)的研究动态和进展情况进行了总结,阐述了不同时期火箭基组合推进研究计划的重点和所取得的研究成果。分析了火箭基组合推进系统涉及的多项关键技术及其研究进展。论述了火箭基组合推进在两级入轨可重复使用天地往返系统、临近空间及空天飞行器和单级入轨方面的应用前景,并对国内这方面的研究提出了建议。     

宽马赫赫数固冲二元进气道设计与研究

针对宽马赫数固体火箭冲压发动机用二元进气道设计开展研究,提出了一种从低维到高维的逐步优化设计方法,即首先经过若于合理假设建立一维计算模型,利用遗传算法得到一个以总压恢复系数最大为目标的一维优化结果;在二维和三维设计中,选取关键影响因素进行详细分析以不断改善一维优化结果.最终给出一套完整、高效的亚燃冲压二元进气道设计方法.设计过程验证了一维计算模型和关键影响因素选取的合理性,给出了进气道性能随这些关键影响因素的变化规律.