[发明专利]基于爆震燃烧激励的回流引射增压系统及其增压方法

说明书

本发明提出了一种基于爆震燃烧激励的回流引射增压系统及其增压方法，属于航天设备领域。解决了宽速域飞行器的动力需求，以及解决现有组合发动机低速需要涡轮或火箭起动，涡轮组合发动机死重大导致推重比小、火箭组合发动机比冲低导致性能难以满足的问题。该系统的增压源的燃气出口与引射器连接，增压源的空气入口与回流流道连接，引射器的尾部、回流流道的头部和出口喷管的头部分别与分流器连接，分流的其中一路进入回流流道，另一路进入出口喷管。本发明利用在Ma0速度下的增压技术，通过爆震燃烧来产生高增压源，并采用回流引射、气动流道滤波等方式使得压力相对稳定并达到高压比工作状态，实现高速来流高性能增压。

技术领域

本发明属于航天设备技术领域，特别是涉及一种基于爆震燃烧激励的回流引射增压系统及其增压方法。

背景技术

面向天地往返运输任务的宽速域组合动力飞行器关键技术之一就是零速下启动问题。目前单一循环的吸气式发动机都有其最佳的工作马赫数和高度范围，且比冲和推重比要求难以同时满足，难以满足大空域、宽速域的运行需求。现有组合发动机低速需要涡轮或火箭起动，涡轮组合发动机死重大导致推重比小、火箭组合发动机比冲低导致性能难以满足，需要研究没有涡轮压缩的高比冲发动机模式，获得一种在没有涡轮压缩下就可以在零速工作的发动机，并具有较高的发动机比冲和推重比。可为超声速飞行器、高超声速飞机、天地往返运输系统等提供高性能的推力系统，为实现高性能、廉价、宽速域的发动机研究提供技术支撑和思路。

发动机核心的问题是气流增压。超声速来流可以采用冲压的激波压缩，亚声速主要用涡轮叶片，火箭采用涡轮泵也可以获得高燃烧压力。组合动力是有机融合涡轮、冲压、火箭三种基本发动机性能为一体，形成从地面零速到高超声速工作的超宽范围工作的新型动力形式。当前组合动力主要包括RBCC、TBCC、Trijet、ATR等，可分为以超燃冲压组合发动机(TBCC、RBCC、三组合)和高速涡轮机(预冷涡轮机、ATR)两类，以爆震为代表的增压燃烧动力也有可能工作到宽速域。

高超声速TBCC发动机是燃气涡轮发动机与双模态冲压发动机通过串联或并联方式的组合，并联TBCC工作马赫数可以超过6，但目前为止，解决了全尺寸高超声速TBCC模态转换问题的飞行器仍未出现。高超声速TBCC发动机的比冲较高，但地面推重一般小于4，并且体积较大。

Trijet三组合循环发动机是将涡轮发动机、火箭增强型引射冲压发动机与双模态超燃冲压发动机整合，可利用现货涡轮，是一种有可能近期内实现高超声速组合发动机方案。三组合发动机单部件的技术成熟度高，比冲较高，但体积很大，迎风面积较大，推重比较低。预冷循环发动机是指对进入发动机的气流进行冷却降温，压缩后输入燃烧室，作为氧化剂进行燃烧的发动机，典型的如英国的协同吸气式火箭发动机(SABRE)。SABRE从理论上具有在速度从零速到入轨速度，高度从地面到轨道空间的全域工作能力。其采用液氢燃料做燃料，存在系统极其庞杂、预测性能越来越低、技术难度大等问题，具体应用情况尚需进一步论证。

RBCC是将火箭发动机与双模态发动机结合的组合循环动力系统。在飞行加速过程中，RBCC要经过四个模态：引射模态、亚燃冲压模态、超燃冲压模态和纯火箭模态，通过模态切换实现全空域、全速域工作。RBCC推重比很大，但是低速下的引射模态比冲一般不大于450s，从零速起飞很困难。

ATR工作高度、速度适应范围广，但其比冲性能偏低，工作速度难以超过马赫5，不与其它发动机组合满足高超声速的宽域工作要求。

燃烧本身是可以达到增压目的的，采用增压燃烧模式，有可能实现零速高比冲、高推重比的新构型。脉冲燃烧可以自增压，但脉冲燃烧的发动机比冲性能较低；爆震燃烧是典型的高效增压燃烧模式，利用爆震燃烧产生推力的爆震发动机，在原理上具有更高的热力循环效率、结构简单而且比冲大。