超燃冲压发动机原理与技术分析.docx

超燃冲压发动机原理与技术分析当前位置：文档视界超燃冲压发动机原理与技术分析超燃冲压发动机原理与技术分析当前位置：文档视界超燃冲压发动机原理与技术分析超燃冲压发动机原理与技术分析摘要通过对超燃冲压发动机的基本原理与特点的介绍，比拟了世界主要国家在超燃冲压理论研究与工程实际中的一些成果；结合高超音速空气动力学以及流体力学的一些基本原理，阐述进气道、隔离段、燃烧室、尾喷管的设计并进行性能分析；列举目前投入应用的几种主流构型及其选择根据；分析主要参数对超燃冲压发动机的影响；最后综合阐述超燃冲压发动机的发展趋势以及用处。关键词：超燃冲压发动机性能分析一体化设计热循环分析上一页下一页Abstract:Introductionthebasicprincipleandfeaturesofscramjetengine,comparisonofmajorpowerfulcountriestheoreticalresearchesandpracticalachievementsonthisproject.Expoundandanalysesthedesignandpropertyprogrammesofairinlet、isolator、combustionchamber、tailpipenozzlewiththeoriesofhypersonicaerodynamicsandhydrodynamics;Itsapplicationinseveralmainstreamconfigurationanditschoice;analysisoftheeffectofmainparametersonthescramjet.Finally,thedevelopingtrendofintegratedscramjetpaperandusesKeywords:scramjetenginepropertyanalysisintegratingdesignThermalcycleanalys上一页下一页目录1概述及原理(1)1.1研究背景与意义(1)1.2超燃冲压发动机基本原理(3)1.3国内外相关研究大概情况(5)1.4研究内容(10)2系统一体化研究意义与总体热性能分析(11)2.1系统一体化研究的意义(11)2.2总体热力性能分析(12)3超然冲压发动机核心部件设计与性能研究(17)3.1进气道设计与性能研究(17)3.2隔离段设计与性能研究(18)3.3燃烧室设计与性能研究(20)3.4尾喷管设计与性能研究(23)4总结与瞻望(28)5结语(31)6参考文献(32)上一页下一页1概述及原理1.1研究背景与意义吸气式高超声速飞行器是指飞行马赫数大于6、以吸气冲压发动机与其组合发动机为动力、而且能在大气层和跨大气层中远程飞行的飞行器。该类飞行器具有飞行速度快，推进效率高，作战半径大，突防能力强，发射窗口灵敏等技术优势。而高超声速飞行器的实现从根本上取决于高超声速推进技术的发展，作为实现高超声速推进的首要关键技术，超燃冲压发动机技术一直是各航空、航天大国研究和竞争的热门。鉴于超燃冲压发动机技术与高超声速飞行器对国家政治，将来军事以及商业发射的发展具有极其重要的战略意义，因而，一直广泛遭到世界各军事强国的高度重视。超燃冲压发动机的概念自20世纪五十年代中期被提出后就遭到了广泛的关注。高超声速超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机，是现阶段高超声速飞行器所实现的主要动力来源，被称为继螺旋桨，涡轮喷气发动机之后的第三次航空发动机革命。高超声速超燃冲压发动机在工作时超声速或高超声速气流在进气道扩压到较低的超声速，然后燃料从壁面或从气流中的突出物喷入，在超声速燃烧室中与空气混合并燃烧，最后，燃烧后的气体经扩张型的喷管排出。该种发动机相较于传统的航空发动机，具有构造简单、重量轻、成本低、比冲高、速度快等技术优势，而且不需要像火箭发动机那样需要本身携带氧化剂。在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行M数在8下面，当使用液氢燃料时，其飞行M数可到达625。超燃冲压发动机通常利用飞行器机身的前体作为进气道的一部分来预压缩来流空气，利用机身的后体作为尾喷管的扩张面，进而极大地减小了发动机的迎风面积、外阻力和重量。以上特性使得超燃冲压发动机的有效载荷更大，并可作为重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力，而且广泛适用于高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器。1上一页下一页自上世纪50年代以来，超燃冲压发动机成为高超声速推进技术研究的重点。十分是90年代中期以后，世界各主要国家开展了大量的超燃冲压发动机地面试验与飞行试验论证研究。例如俄罗斯、澳大利亚分别进行了发动机飞行试验；美国开展了Hyper-X计划，并于2004年3月初次实现了X-43A在超燃冲压发动机推动下以马赫数6.8自主飞行，同年11月再次实现了马赫数为9.7的自主飞行，这标志着50多年来高超声速推进技术研究已经进入到了综合应用以及工程研制阶段。我国在“863计划和国防预研项目的大力支持下，国内的高超声速推进技术研究获得了长足进展。在超燃冲压发动机技术研究方面，基本把握了发动机材料、燃烧喷注/火焰稳定、发动机缩比等关键技术，具备了发动机部件进气道、燃烧室和全通道发动机开发与性能验证的地面试验技术，其TRL基本达到了35级；在飞行器设计与优化技术方面，基本把握了参数化几何生成、学科分析集成、多学科设计优化Multi-discip;inaryDesignOptimization等方法，相应TRL到达了34；但在热管理、构造与材料等关键技术研究方面，国内研究还需要进一步的进行消化吸收国外先进技术与自主创新型的工作。目前，超燃冲压发动机主要用于洲际飞行的高超声速运输机和空天飞机的动力装置，还可用作高超声速导弹和高超声速打击/侦察飞机的动力装置。近来还提出了诸如以火箭发动机为基础、与超燃冲压发动机相结合的组合循环发动机(RBCC)为动力装置的方案；以涡轮喷气式发动机为基础的、与超燃冲压发动机相结合的组合循环动力装置(TBCC)。通过结合超燃冲压发动机和已有的其他动力装置而研制的新型动力装置大大拓宽了超燃冲压发动机的应用范围。于此同时，超燃冲压发动机的研制水平也提高到一个新的阶段，全球范围内已建成数个高马赫数的地面试验设备。在理论研究方面，在高超声速空气动力学、高温材料与构造、气动热力学与燃料、计算流体力学、测量技术与飞行试验等领域也都获得了突破性的科研进展，为超燃冲压发动机的发展及应用铺平了道路。能够讲，在不久的将来以超燃冲压发动机或双模态超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹、高超声速侦查/打击飞机将成为一国综合科技、军事实力的重要方面。2上一页下一页当前位置：文档视界超燃冲压发动机原理与技术分析超燃冲压发动机原理与技术分析点3点4-燃烧室中的燃烧经过，燃烧室进气口气流的马赫数M>1;点4点9-气流在尾喷管中的膨胀经过超燃冲压发动机是当代高超声速飞机的关键发动机，所谓超燃是指燃烧室内的空气及燃料的流场速度是超过音速的，我们知道，速度越高，流场的复杂性越大，燃烧的稳定性和连续性就越差，这就是超燃冲压发动机的技术难度之一，为了实如今超音速流场条件下实现稳定的燃烧，就需要有先进的燃烧室技术、工艺和构造、先进的燃料喷射技术和先进的混合技术。所以，超燃冲压发动机的原理除了冲压喷气发动机的基本原理之外，还需要有燃料喷射和混合在超音速流场条件下的稳定技术等综合的条件。经太多年的发展，国外已研究设计太多种超燃冲压发动机的方案。包括普通超燃冲压发动机、亚燃/超燃双模态冲压发动机、亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机、吸气式预燃室超燃冲压发动机、整体式火箭液体超燃冲压发动机、固体双模态冲压发动机和超燃组合发动机等。其中，双模态冲压发动机和双燃烧室冲压发动机是研究最多的两种类型：(1)亚燃/超燃双模态冲压发动机亚燃/超燃双模态冲压发动机是指发动机能够亚燃和超燃冲压两种形式工作的发动机。我们知道，在Ma>6时，超燃冲压发动机性能远高于亚燃冲压发动机，但是，当来流速度Ma上一页下一页碳氢燃料混合并点火，膨胀的燃烧产物与另一套进气系统进入的超声速空气混合，然后在超声速燃烧室中燃烧，因而不存在亚燃冲压在贫油条件下的燃烧室-进气道不稳定性。双燃烧室冲压发动机的超燃燃烧室的高速气流由于在亚燃燃烧室出口燃气的作用下，在主流区比拟容易实现稳定燃烧;碳氢燃料在亚燃流场的作用下未反响的部分蒸发、裂解，缩短了超燃燃烧室的点火时间，有、利于燃料和空气的混合、点火及稳定的燃烧;双燃烧室的设计避开了双模态冲压发动机的模态转换问题。这种方案技术风险小，发展费用较低，较合适巡航导弹这样的一次性使用的飞行器。目前，把握该技术的主要是美国霍布金斯大学的应用物理实验室。于此之外，研究者还提出激波引燃冲压发动机，中心燃烧超燃冲压发动机的概念，但由于研制理论尚未成熟，关键技术还未突破，制造成本高的问题，还仅仅停留在模型试验阶段。但这将是将来超燃冲压发动机发展的重要方向。1.3国内外相关研究大概情况从20世纪50年代人们就开场研究超燃冲压发动机，最初的应用目的是单级入轨的飞行器、远程高速飞机和远程高超声速导弹。从90年代开场，重点转向巡航导弹用超燃冲压发动机的发展。目前，美国、俄罗斯、等国都在发展M数48、射程1000km以上的巡航导弹用超燃冲压发动机。采用碳氢燃料、M数38的双模态超燃冲压发动机已结束地面试验验证，进行了飞行试验。到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速空天飞机将有可能投入使用。俄罗斯50年代到70年代，俄罗斯的超燃研究集中于论证超声速燃烧的优越性和有效性、超燃冲压发动机概念设计、进气道与燃烧室干扰等方面，并建立了超燃冲压发动机地面试验系统，对超燃机理开展了深化研究，涉及各种燃料的点火、火焰稳定、二维和三维管道内的混合与燃烧经过等。俄罗斯中央航空发动机研究院是超燃冲压发动机的权威研究单位，20世纪80年代，该研究院与中央空气流体动力研究所等单位合作进行了“冷高超音速技术发展计划，主要研究试验用5上一页下一页矩形和轴对称双模态超燃冲压发动机。1983-1985年完成了模型发动机“57M地面试验。为了开展超燃冲压发动机飞行试验，俄罗斯建设了基于SA-5助推火箭的高超声速飞行试验支持系统，即高超声速飞行试验室(HFL)。进入90年代，在19911998年，共进行了5次超燃冲压发动机的验证性飞行试验，1991年12月，成功施行了第1次马赫数5.6飞行试验，验证了双模态的可行性。1992年11月，与法国合作成功施行了第2次马赫数5.3飞行试验，实现了亚燃一超燃稳定燃烧;1995年3月，与法国合作施行的第3次试验因电源系统故障而失败。1997-1998年，与NASA合作进行了4,5次试验，其中第5次试验改良了超燃冲压发动机燃烧室、主动冷却系统和SA-5助推火箭，实现了马赫数3.56.4双模态燃烧。Kholod计划验证了双模态冲压发动机的可行性，获得了全尺寸试验发动机的地面试验和飞行试验数据。目前，该研究院正在进行速度为67倍声速的高超声速飞行器用超燃冲压发动机的技术研究，应用目的是军民用高超声速飞行器。中央航空流体动力研究所是俄罗斯重要的超燃冲压发动机技术研究机构。目前，该研究所正与俄彩虹设计局及德国一些部门合作进行导弹用M数57的超燃冲压发动机的研究，这种发动机的进气道呈三级斜面形状，目前已经进行了连接式和自由射流式试验，今后将进行飞行试验。同时，该机构将为俄罗斯空间局RSA的一项飞行试验计划“鹰计划研制M数614、氢燃料、双模态的超燃冲压发动机。该计划将发展一种与NASA的Hyper-X类似的机体/发动机一体化的高超声速试验飞行器，发动机由三个模块组成，进气道的喷管位于机体下方。目前还未找到合作伙伴。近年来，俄罗斯对一种新型的高超声速推进系统AJAX开展了深化细致的研究。1996年，Leninetz公司提出AJAX概念，即在高超声速飞行器中采用三种新技术：1基于再生冷却的主动防热与燃料转换系统；2磁性等离子流化学发动机；3基于磁流体动力学的发动机流场控制技术。美国6上一页下一页