超燃冲压发动机原理与技术分析

本科毕业论文(设计)题目：超燃冲压发动机原理与技术分析学院：机电工程学院专业：热能与动力工程系2010级热能2班姓名：王俊指导教师：刘世俭2014年5月28日超燃冲压发动机原理与技术分析ThePrincipleandTechnicalAnalysisofScramjetEngine摘要通过对超燃冲压发动机的基本原理与特点的介绍，比较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依据；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途。关键词：超燃冲压发动机性能分析一体化设计热循环分析Abstract:Introductionthebasicprincipleandfeaturesofscramjetengine,comparisonofmajorpowerfulcountries’theoreticalresearchesandpracticalachievementsonthisproject.Expoundandanalysesthedesignandpropertyprogrammesofairinlet、isolator、combustionchamber、tailpipenozzlewiththeoriesofhypersonicaerodynamicsandhydrodynamics;Itsapplicationinseveralmainstreamconfigurationanditschoice;analysisoftheeffectofmainparametersonthescramjet.Finally,thedevelopingtrendofintegratedscramjetpaperandusesKeywords:scramjetenginepropertyanalysisintegratingdesignThermalcycleanalys目录1概述及原理........................................................................................................11.1研究背景与意义......................................................................................11.2超燃冲压发动机基本原理......................................................................31.3国内外相关研究概况.............................................................................51.4研究内容.............................................................................................102系统一体化研究意义与总体热性能分析.......................................................112.1系统一体化研究的意义........................................................................112.2总体热力性能分析............................................................................123超然冲压发动机核心部件设计与性能研究..................................................173.1进气道设计与性能研究.....................................................................173.2隔离段设计与性能研究.....................................................................183.3燃烧室设计与性能研究.....................................................................203.4尾喷管设计与性能研究.....................................................................234总结与展望.......................................................................................................285结语...................................................................................................................316参考文献...........................................................................................................32青岛大学本科毕业论文11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，发射窗口灵活等技术优势。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点。鉴于超燃冲压发动机技术与高超声速飞行器对国家政治，未来军事以及商业发射的发展具有极其重要的战略意义，因此，一直广泛受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受到了广泛的关注。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，具有结构简单、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自身携带氧化剂。在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行M数在8以下，当使用液氢燃料时，其飞行M数可达到6~25。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，从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。青岛大学本科毕业论文2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。特别是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月首次实现了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取得了长足进展。在超燃冲压发动机技术研究方面，基本掌握了发动机材料、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3~5级；在飞行器设计与优化技术方面，基本掌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达到了3~4；但在热管理、结构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、高温材料与结构、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取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。可以说，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。青岛大学本科毕业论文31.2超燃冲压发动机基本原理图1超燃冲压发动机基本原理图图2超燃冲压发动机实际循环T-S图图中：点0-----发动机前未扰动状态点0~点2,3-----气流在进气道和隔离短中减速增压，但进气道出口气流仍为超声速青岛大学本科毕业论文4点3~点4-----燃烧室中的燃烧过程，燃烧室进气口气流的马赫数M1;点4~点9-----气流在尾喷管中的膨胀过程超燃冲压发动机是现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，为了实现在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、工艺和结构、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。经过多年的发展，国外已研究设计过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可以亚燃和超燃冲压两种模式工作的发动机。我们知道，在Ma6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Ma4时，其并不能有效地工作，速度更低时，甚至无法自启动。为了扩大冲压发动机有效工作马赫数的上下限，人们将亚燃与超燃冲压发动机合二为一，双模态冲压发动机便由此诞生。(2)亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机对于采用碳氢燃料的超燃冲压发动机来说，为了克服双模态冲压发动机在不同马赫数下点火、掺混、稳定且在燃烧室停留的短暂时间内完全燃烧的问题，人们提出了亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机概念。这种发动机的进气道分为两部分：一部分进气系统引导来流减速至亚声速，进入亚声速燃烧室；另一部分引导其余来流进入超声速燃烧室。进入亚声速燃