多模態(tài)爆震組合發(fā)動機關鍵模態(tài)的研究.pdf

1、多模態(tài)爆震組合發(fā)動機是本世紀初提出的全新動力概念,預計應用于高超聲速飛行器以及空天飛機。多模態(tài)爆震組合發(fā)動機包含四個運行模態(tài):加裝引射器的脈沖爆震火箭發(fā)動機(EAPDRE)模態(tài)、脈沖正爆震波發(fā)動機(PNDWE)模態(tài)、穩(wěn)態(tài)斜爆震波發(fā)動機(ODWE)模態(tài)和純脈沖爆震火箭發(fā)動機(PDRE)模態(tài)。在多模態(tài)爆震組合發(fā)動機概念中,PNDWE和PDRE這兩個模態(tài)無疑是整個概念成功實現(xiàn)的關鍵和基礎。因此,本文主要針對PDRE和PNDWE這兩個模態(tài)進行理

2、論、實驗和數(shù)值研究。
　　(1)發(fā)展高頻PDRE的實驗探索
　　使用液體航空煤油為燃料、氧氣為氧化劑、氮氣為隔離氣體,選用高頻電磁閥控制油氣間歇供給,開展了高頻PDRE實驗探索和研究。實現(xiàn)了煤油/氧氣PDRE模型樣機50Hz的高頻運行,這是迄今為止使用液體燃料的帶閥PDRE所達到的最高工作頻率。通過對PDRE基本工作過程的分析,結合現(xiàn)有的PDRE實驗數(shù)據(jù),研究了影響煤油/氧氣PDRE極限工作頻率的因素。分析結果表明,兩相煤油

3、/氧氣PDRE的工作頻率仍有進一步提高的潛力。提出了一套新的單管PDRE雙路供給與點火方案,并對這種方案進行了初步實驗驗證。實驗結果表明,單管PDRE雙路供給與點火方案是完全可行的,單個電磁閥工作頻率僅為爆震頻率的一半,可大幅降低PDRE運行頻率對電磁閥響應頻率的依賴性。
　　(2)發(fā)展高性能PDRE的實驗研究
　　開展了PDRE變頻實驗,在保持閥門占空比和供給壓力不變的前提下,對工作頻率、填充分數(shù)和PDRE性能這三者之間的

4、相互關系進行了定量研究,獲得的結果有助于掌握PDRE的主動控制規(guī)律,以保證起飛階段PDRE運行性能最優(yōu)。采用三種結構形式的螺旋凹槽作為爆震強化裝置,研究了螺旋凹槽在高頻條件下強化爆震的效果以及對發(fā)動機性能的影響。使用螺旋凹槽作為爆震強化裝置,工作頻率為35Hz時,PDRE能夠長時間穩(wěn)定運行。較之螺旋半圓形凹槽和螺旋三角形凹槽,螺旋方形凹槽強化爆震的穩(wěn)定性相對較差。較之Shchelkin螺旋,螺旋半圓形凹槽帶來的推力增益達11.9％。提出

5、了一種新的多分支管PDRE設計方案,并對分支管構型、分支管數(shù)目對于平均推力的影響進行了實驗研究。較之原有的單管設計,90度轉角雙分支管PDRE帶來的推力增益達73.3%。
　　(3)PDRE性能計算和分析
　　利用等容循環(huán)模型和CEA程序,對于不同背壓條件下和真空條件下的PDRE進行了性能分析和計算。結果顯示:在地面條件下獲得的PDRE比沖值沒有充分顯現(xiàn)PDRE的能量轉換水平。估算了使用各種推進劑的帶收斂噴管的PDRE地面極

6、限比沖值,估算了煤油/氧氣PDRE的真空比沖變化范圍。在供給系統(tǒng)相同和最大材料應力相同兩種條件下,比較了PDRE和常規(guī)穩(wěn)態(tài)火箭發(fā)動機的性能。當PDRE和穩(wěn)態(tài)火箭發(fā)動機的性能相當時,PDRE的填充壓力要比常規(guī)火箭發(fā)動機低得多。
　　(4)PNDWE理論分析
　　從燃燒熵增的角度對PNDWE進行了理論分析。在相同飛行條件和相同釋熱量條件下,對傳統(tǒng)Hugoniot方程加以改進,發(fā)展了適用于非穩(wěn)態(tài)燃燒發(fā)動機的滯止Hugoniot方程

7、。分析了不同燃燒模式的熵增沿滯止Hugoniot曲線的變化,從熵增角度將PNDWE與亞聲速燃燒沖壓發(fā)動機以及超聲速燃燒沖壓發(fā)動機進行了比較。理論分析結果顯示,基于非穩(wěn)態(tài)爆震燃燒的PNDWE具有理論優(yōu)勢,但是非穩(wěn)態(tài)正爆震波前馬赫數(shù)需要遵從一定的選取原則。估算出的PNDWE優(yōu)勢飛行馬赫數(shù)范圍約為3到7。此外,還討論了PNDWE出口邊界的對爆震波存在形態(tài)的影響。
　　(5)PNDWE數(shù)值模擬
　　對管內超聲速可燃混氣中爆震波的起始