[发明专利]一种组合爆震发动机及设计方法

说明书

本发明提出一种组合爆震发动机及设计方法，组合爆震发动机包括内柱和壳体，内柱上设置可调凸台结构，可调凸台结构由不少于两个可调分级结构构成，沿来流方向，各可调分级结构的长度依次增加，在旋转爆震燃烧模态下，可调分级结构倾角一致，在斜爆震燃烧模态下，沿来流方向，各可调分级结构的倾角依次减少。本发明采用独特的设计思路，使组合爆震发动机兼顾旋转爆震和斜爆震燃烧模态。

技术领域

本发明涉及一种组合爆震发动机及设计方法，属于爆震发动机技术领域。

背景技术

随着人类对空天的进一步探索，飞行器能够达到更快的速度、实现更多的功能、应用于更多不同的领域是未来发展的必然趋势。然而，飞行器向“大空域、宽速域”方向发展受到动力系统的制约。传统的火箭发动机虽可实现全速域飞行，但是需要携带氧化剂，有效载荷大大降低；而对传统的涡轮发动机和冲压发动机来说，燃烧室长，发动机尺寸及结构质量大，大大增加了内流道摩擦阻力损失和大面积热防护的难度，极大地削弱了飞行器向更高高度、更快速度飞行的可能。

自然界中的燃烧波有两种存在形式，即缓燃和爆震。较为常见的是缓燃燃烧，火焰的传播依赖于质量和热量的扩散，传播速度一般在几米到几十米每秒。目前大多数航空航天动力装置(涡轮发动机、冲压发动机)都采用基于缓燃的等压模式组织燃烧。爆震是一种激波与化学反应强耦合并以千米每秒量级超声速传播的燃烧方式，可在较短的时空尺度下完成燃料化学能的释放，具有超声速传播、自增压和放热速度快的特点。与等压燃烧相比，采用爆震燃烧可将动力系统循环热效率提高30％以上，耗油率降低30％以上，可以大幅提高发动机燃油经济性，更加适合应用于吸气式动力高效燃烧组织。目前，基于爆震燃烧的动力装置主要有脉冲爆震发动机、旋转爆震发动机以及斜爆震发动机等，其中，旋转爆震发动机具有Ma2.5～Ma6.5+宽域工作能力，比冲性能较传统冲压发动机可提高30％～50％，连续进气，结构紧凑。而斜爆震发动机具有Ma6.5～Ma15+宽域工作能力，其燃烧室静温低，为燃料化学能释放留出更大温差空间，发动机可工作的油气比范围宽，推力调节范围大，且斜爆震发动机燃烧室尺寸小，能有效降低摩擦损失及热防护难度。此外，由于斜爆震燃烧速率快，可在高超声速气流中驻定燃烧，为更高马赫数下吸气式动力工作过程实现和性能提升提供了可行途径。从当前斜爆震发动机燃烧室构型来看，主要依赖二元物理斜劈诱导斜爆震波，除此以外，圆锥诱导的“锥形斜爆震波”也有相关研究，但距离工程实践还有较大差距。

对于未来的空天动力而言，组合式发动机可以大幅扩宽传统单一类型发动机的工作区间，是动力系统的发展趋势。当前空天动力的组合方案大致有并联式和串联式两种，并联式组合发动机两个流道单独工作，互不影响，但是其存在结构重量大，发动机推重比小等诸多问题，为结构设计带来了额外的负担。对于串联式组合发动机，其可在一个流道实现多种模态的相互转换，但是由于同一流道内不同模态前后较易出现相互影响的情况，因此设计难度极大。综合来看，当前组合动力方案结构复杂，难以实现超宽域飞行。