[发明专利]一种超声速气流中爆震动态稳定传播的动边界控制系统

说明书

本发明提出了一种超声速气流中爆震动态稳定传播的动边界控制系统，包括爆震波状态监测系统、信息分析模块以及扩张壁面调节控制系统，当爆震波状态监测系统检测到爆震波波面位置达到设定的波面临界位置，此时开启扩张壁面动力系统；当爆震波的传播状态为衰减后传且爆震波达到爆震波后传阈值位置时，减小扩张壁面扩张角度，促使爆震波前传，直至到达相对稳定的动态驻定位置；当爆震波的传播状态为过驱前传且爆震波达到爆震波前传阈值位置时增加扩张壁面扩张角度，促使爆震波后传，直至到达相对稳定的动态驻定位置；当监测到爆震波达到动态驻定位置时，关闭扩张壁面调节控制系统，从而整体上实现爆震波相对动态稳定传播，从而产生持续推力。

技术领域

本发明涉及震稳定传播控制技术领域，具体涉及一种在超声速扩张型面燃烧室中实现爆震动态稳定传播的控制系统。

背景技术

超燃冲压发动机(Scramjet)在高马赫(Ma>5)飞行条件下性能优良，已经成为高超声速飞行器推进系统的首选方案。然而，结合当前的研究以及美国X-51A飞行试验可以得知，超燃冲压发动机验证机的加速性能并不明显，净推力偏小。因此，基于当前研究，迫切需要改善发动机推力性能。超燃冲压发动机按照布莱顿(Brayton)等压燃烧循环设计，其热力循环效率远低于近似等容循环的爆震燃烧。因而如果能够在超声速气流中实现爆震燃烧，即使是局部爆震燃烧，发动机的推力性能极有可能获得大幅提升。超燃冲压发动机已经逐渐走向工程应用，但是基于爆震燃烧的新型超燃冲压发动机概念设计目前还没有见诸报道。利用超燃冲压发动机相对成熟的工程化经验，在燃烧室中采用爆震燃烧替换等压燃烧模式，相对于其它类型爆震发动机而言能够尽快实现基于爆震燃烧发动机。目前在本领域已有人开展过超声速气流中采用热射流实现爆震起爆的实验和数值模拟研究，有助于加深对燃烧室超声速气流中爆震起爆的认识。

当爆震成功实现起爆之后，其以近似可燃混合物的CJ速度(1000-2000m/s)传播，这是爆震燃烧的固有特征，难以因为外在条件而改变。然而，美国爆震发动机学者FrankLu等人认为将爆震发动机概念实现为真实应用，在实践中需要解决爆震波自持与控制的问题。爆震发动机燃烧室的特征空间尺度通常以m为量级，如果想要在这种特定尺度的真实构型燃烧室内超声速可燃气混合物中通过爆震燃烧持续高效产生推力，其首先需要解决的关键技术问题则是在真实复杂构型燃烧室内实现超声速气流中的爆震起爆自持与动态驻定控制，使其能够稳定燃烧而不由于特定传播速度脱离燃烧室致其熄爆。对于超声速气流中爆震的动态稳定控制，也有人开展过数值模拟研究，证明了热射流喷注一定程度上能够实现超声速气流中爆震的的动态稳定控制功能，不过不涉及具体的热射流控制方法实现。相对于超声速气流中的爆震起爆自持传播研究，其动态驻定控制探索更加少见，而实现超声速气流中爆震燃烧的动态驻定控制是发动机工程应用亟需解决的关键技术问题。

发明内容

针对背景技术中存在的缺陷，本发明提出了一种超声速气流中爆震动态稳定传播的动边界控制系统。该系统通过动态改变扩张燃烧室扩张壁面角度，实现超声速气流中爆震相对动态稳定传播。

超声速扩张型面燃烧室中，入口处会形成一道普朗特-迈耶(Prandtl-Meyer)膨胀波扇结构，其存在会改变来流状态。膨胀扇结构的形成将超声速可燃气流场分为三个部分：初始超声速可燃气来流、膨胀扇内部流场、以及跨过膨胀扇影响的来流。跨过膨胀扇的来流紧邻扩张壁面，其速度、马赫数增大，而密度、温度和压力降低，与膨胀扇内部流和初始来流一起在流场中形成不均匀可燃气来流，而膨胀扇导致的不均匀来流则是爆震实现动态稳定传播的主导因素。然而，真实飞行条件下，超声速来流状态会发生变化，存在加速、减速以及改变飞行攻角等的各种情况。因此，在动态飞行状态下持续实现爆震动态稳定传播，依据来流条件采用动边界动态控制扩张壁面角度则是一种行之有效的设计方法。该设计方法为爆震燃烧应用于推进系统提供了一种新的控制思路，可以用于动力推进系统相关领域。