人类何时才能突破高超声速屏障

高超声速飞行在广义上可泛指在大气层中马赫数大于5的飞行。在这个意义上,飞船、航天飞机(包括美国的X-37B)、导弹的再入段,都有一段是高超声速飞行,包括它们的上升段,也有一段是高超声速飞行,但它们都没有进行高超声速巡航,遇到的问题相对简单。在本文中我们着重讨论用吸气式发动机在大气层中进行高超声速巡航的飞行器,以及用火箭助推到高空然后滑翔     

弹用“X”,型倒置二元进气道方案与常规正置方案的气动性能对比

为提高来流马赫数范围为2~4的“X”型进气系统大攻角下的稳定裕度,设计并研究了一种倒置二元进气道设计方案,并将其与正置方案进行了比较。结果表明:来流马赫数为2.3~3.5,攻角范围为0°~6°时,倒置布局设计方案总体性能较优,未出现明显激波/附面层干扰问题,能够满足设计要求。在采用相同的进气道设计方案时,倒置布局其迎风与背风进气道结尾激波位置及总体性能参数差异更小;0°攻角时倒置布局临界总压恢复系数与正置布局相当,4°攻角时倒置布局比正置布局高2%~3%,8°攻角时普遍高19%以上,且来流马赫数越高提升幅度越明显,8°攻角下倒置布局总流量系数较正置布局高6%左右。研究还发现,当来流马赫数较低时倒置布局总阻力低于正置布局, 4°攻角时低1.7%;而来流马赫数较高时倒置布局总阻力高于正置布局,4°攻角时高2.0%。      

一种引射增强型二次喉道新方案的数值模拟

为提高大型超声速风洞的运行经济性,设计了一种通过引射低总压冷介质提高扩压性能的新型二次喉道扩压器,其结构特征是在扩压器收敛段前方增加侧壁凹槽,在凹槽前沿位置引入低总压常温空气作为冷介质,通过引射扩散作用在扩压器壁面形成气膜,调节二次喉道实际流通直径,较大程度上增强二次喉道的静压恢复能力,同时又降低二次喉道壁面热负荷,冷却壁面。数值验证结果表明,所设计新型二次喉道方案可通过调节引射气量自适应较宽范围的运行条件,有效隔离扩压器壁面直接接触高温燃气,同时提高了扩压能力,节省后段接力引射器的主动流流量近30%,对风洞运行经济性提升十分明显。     

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。     

客机通风系统中风扇流量特性数值模拟与研究

研究客机通风系统中某型风扇在变流量条件下风扇各个性能参数的变化趋势。用基于CFX的数值模拟的方法得到了各流量下的风扇效率、压升、功率等参数和叶片表面静压力分布以及流场中的漩涡结构。计算与分析表明总压效率在一定范围内会随流量增大而增加,当流量达到一定值后再增加流量会使效率急剧降低。另外,流量的变化导致叶片表面静压力以及风扇所受气动力的变化,在低流量下,叶轮所受气动力存在一个最低点。在给定的流量范围内流场中的漩涡结构也会随流量变化,这主要是因为流量变化引起了攻角的变化。     

超声速状态下航空发动机部件蜕化参数估计与性能恢复控制

为解决超声速状态下航空发动机部件蜕化参数估计与性能恢复控制的难题,基于改进卡尔曼滤波器,通过一种三维插值方法实现超声速状态包线范围内的发动机部件蜕化参数估计。而航空发动机性能恢复控制是在常规内环控制转速的基础上增加了外环控制回路,该回路主要包括推力估计模型与外环控制器两部分。基于最小二乘支持向量回归机设计了一种推力估计模型,其输入采用特征选择算法筛选推力估计模型的最优输入,相比于传统的不经选择的推力估计模型,精度有较大提高。设计了外环模糊PI（Proportional integral）控制器自适应调节内环转速指令来实现蜕化发动机性能恢复的目的。最后通过超声速状态下的数字仿真,验证了上述发动机部件蜕化参数估计与性能恢复控制方案的有效性。      

基于面积律自动判别的飞机机身外形修形方法

为提高超声速飞机方案修形效率,研究了依据飞机截面积分布曲线分析结果进行飞机截面精细化修形的方法。提出了基于面积律自动判别的截面积曲线分析法,能够依据面积律准则快速对可能增大激波阻力的站位进行自动判别和定位。在此基础上建立了飞机机身几何外形快速辅助修形方法,实现了对超声速飞机方案的待修形位置自动快速分析与定位,并根据截面位置部件分析和截面积曲线变化分析,提供针对截面积的量化调整建议。对一种超声速轰炸机方案进行机身几何外形修形的算例表明,本文提出的方法能够快速识别和定位截面积曲线上拐点、阶跃点、极值点及尖角点等增大激波阻力的位置,根据修形方法调整后的方案阻力系数下降了1.5%,验证了方法的有效性。     

超声速叶型前缘几何形状对叶栅气动性能的影响

应用NURBS技术构造超声速叶型,采用两个控制参数调整叶栅前缘椭圆弧的几何形状,来探索不同的前缘构型对超声速叶型气动性能的影响效应;通过对比分析调整每个参数所得的一系列叶栅的流场计算结果,发现椭圆弧的形状控制因子对超声速叶栅的前缘激波和气流流动状况具有一定的改善效果,同时在保证叶栅气动弦长基本不变的情况下,存在某个椭圆弧形状控制因子和方向控制因子的匹配能够使叶栅的气动性能达到最佳.     

基于内窥火焰传感器技术的超声速燃烧感知实验研究

高动态频响传感器及作动机构是高性能控制系统FADEC的关键技术之一。开发了一种基于被动火焰自发光谱的内窥式光纤火焰传感器进行光学诊断,初步验证了光纤火焰传感器数据的燃烧过程感知价值。基于中国科学院力学研究所的直连式超声速燃烧实验台,模拟了来流总温1475 K、总压1.68 MPa、马赫数5.6的发动机工作状态。在不同当量比和动量通量比条件下,使用新开发的内窥式光纤火焰传感器,测量了以CH*表征的燃烧释热率和以C₂*/CH*表征的局部当量比。结果表明:内窥式光纤传感器可感知燃烧室释热率的时空演变特性;内窥式光纤传感器可感知频域燃烧振荡特性,实验表明燃烧过程可能存在展向的热声振荡现象;内窥式光纤传感器C₂*/CH*光信号可感知局部当量比的时空演变特性,结合CH*光信号可应用于混合场与燃烧场关联性的研究;局部火焰质心位置的统计特征表征了剪切层稳焰模式和射流尾迹稳焰模式。     

超声速环型引射器启动特性试验研究

建立了超声速环型引射器空气引射试验台,对高工况下环型引射器启动特性进行了试验研究。试验结果表明,环型引射器启动压强明显高于运行压强;试验发现,引射马赫数越高,混合室收缩比越大,引射器启动压强越高。