超燃發(fā)動(dòng)機(jī)(飛行器空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)告)課件

1、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)概況 飛行器空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)告 2015.12.08 目錄1. 研究背景與簡(jiǎn)介2. 超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史3. X-43A 與 X-51A 的簡(jiǎn)介4. 展望高超聲速飛行器指的是飛行速度大于高超聲速飛行器指的是飛行速度大于5 5馬赫，在馬赫，在大氣層內(nèi)和跨大氣層飛行的飛行器大氣層內(nèi)和跨大氣層飛行的飛行器。目前主要研究的主要有三種發(fā)動(dòng)機(jī)目前主要研究的主要有三種發(fā)動(dòng)機(jī): :渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)1. 研究背景與簡(jiǎn)介沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的原理無(wú)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的原理無(wú)非就是空氣以超音速非就是空氣以超音速進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與燃料混合點(diǎn)燃，再?gòu)娜剂匣旌?/p>

2、點(diǎn)燃，再?gòu)膰娮熘袊姵鰪亩@得噴嘴中噴出從而獲得推力。推力。注：1.亞音速與超聲速燃燒的區(qū)分是根據(jù)燃燒室中的氣流速度。2.后面提到的雙模即是可以在一次飛行中實(shí)現(xiàn)二者的轉(zhuǎn)換。因?yàn)榱艚o空氣壓縮，與燃料在燃燒室混合，點(diǎn)火，因?yàn)榱艚o空氣壓縮，與燃料在燃燒室混合，點(diǎn)火，燃燒的時(shí)間只有毫秒量級(jí)，這樣也就使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的時(shí)間只有毫秒量級(jí)，這樣也就使得發(fā)動(dòng)機(jī)的控制極其困難。的控制極其困難。1. 研究背景與簡(jiǎn)介原理在超燃發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)之前，在超燃發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)之前，5050年代的時(shí)候，年代的時(shí)候，渦流噴氣式渦流噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與與亞音速燃燒亞音速燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)明成功。發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)明成功。1. 研究背景與簡(jiǎn)介必要性1.

3、進(jìn)口溫度因受渦輪葉片熱強(qiáng)度的限制而不能太高。2.飛行速度接近馬赫數(shù)時(shí),速度沖壓已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的氣流壓強(qiáng),渦輪壓氣機(jī)系統(tǒng)就已經(jīng)多余了。飛行馬赫數(shù)在35范圍內(nèi),亞燃沖壓具有最好的性能。但是當(dāng)飛行馬赫數(shù)繼續(xù)提高時(shí),亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能迅速下降。1958年9月，在馬德里舉行了第一屆國(guó)際航空科學(xué)會(huì)議，F(xiàn)erri 簡(jiǎn)略地概述了并證明在Ma =3.0的超聲速氣流中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定燃燒，沒(méi)有強(qiáng)激波。20世紀(jì)60年代通用應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(1)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)增量飛行試驗(yàn)飛行器(IFTV)1965年開始；(2)19641968年,低速固定幾何尺寸超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī),無(wú)可變幾何尺寸,但是具有隨飛行速度而變化的空氣動(dòng)力壓縮比。195

4、7年4月，Shchetinkov申請(qǐng)了超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)專利。氫-空氣系統(tǒng)的化學(xué)過(guò)程和現(xiàn)象紊流混合問(wèn)題并確定了使熱釋放與燃燒形狀相匹配以免產(chǎn)生強(qiáng)激波的問(wèn)題對(duì)固定幾何尺寸超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能最大的問(wèn)題進(jìn)行了研究 ,熱壓縮的效應(yīng)。1946年,Roy就提出了借助于駐波直接將熱量加入超聲速流中的可能性。2. 超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史前期歷史19911991年年1111月月2727日，蘇聯(lián)日，蘇聯(lián)“冷冷”飛行器首次飛行器首次飛行試驗(yàn)取得飛行試驗(yàn)取得成功。成功。SA-5地對(duì)空導(dǎo)彈沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)日期日期最大飛行最大飛行速度（速度（Ma）工作時(shí)工作時(shí)間（間（s）1991年11月27日5.627.51992年11月27

5、日5.3541.51995年3月1日5.8-1997年8月1日6.2-1998年2月12日6.577注：沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是跟隨導(dǎo)彈一起發(fā)射的。2. 超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史首次突破（蘇聯(lián)）在俄羅斯，飛行在俄羅斯，飛行速度更快的速度更快的有：有：“IGLA”/GLL-VK（14馬赫）馬赫）GLL-31（9馬赫）馬赫）GLL-AP-02（6馬赫馬赫）GLL-31與IGLA”/GLL-VK都采用乘波體布局。乘波體飛行時(shí)其前緣平面與激波的上表面重合，就象騎在激波的波面上，依靠激波的壓力產(chǎn)生升力，所以叫乘波體(Waverider)。2. 超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史俄羅斯項(xiàng)目計(jì)項(xiàng)目計(jì)劃劃起止年起止年份份主辦機(jī)主辦機(jī)構(gòu)構(gòu)主

6、要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容SCRAM1962-1978NAVYJHU/APL論證使用可貯存燃料的小型艦載導(dǎo)彈采用模塊化 Busemann進(jìn)氣道NASP1986-1995DARPA研制X-30實(shí)驗(yàn)型單級(jí)入軌空天飛機(jī)研制工作范圍Ma=415 的氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)HyTech/Hyset1996-USAFP&W研制Ma=48，應(yīng)用于高超聲速巡航導(dǎo)彈的液體碳?xì)淙剂想p模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)HyFly1995-NAVYDARPA通過(guò)Ma=6、巡航高度 27Km的軸對(duì)稱導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)驗(yàn)證談情超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)Hyper-X1996-NASA驗(yàn)證一體化設(shè)計(jì)方法獲得雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)操作特性與飛行性能設(shè)計(jì)思想基于1942

7、年德國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家 Busemann提出的內(nèi)錐形流概念1.低馬赫數(shù)來(lái)流條件下不能自起動(dòng)2.長(zhǎng)度較長(zhǎng)是一種未來(lái)的飛機(jī)，像普通飛機(jī)一樣起飛，在30100公里高空的飛行速度為1225倍音速，而且可以直接加速進(jìn)入地球軌道，成為航天飛行器，返回大氣層后，像飛機(jī)一樣在機(jī)場(chǎng)著陸。2. 超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史美國(guó)項(xiàng)目計(jì)項(xiàng)目計(jì)劃劃起止年起止年份份主辦機(jī)主辦機(jī)構(gòu)構(gòu)主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容SCRAM1962-1978NAVYJHU/APL論證使用可貯存燃料的小型艦載導(dǎo)彈采用模塊化 Busemann進(jìn)氣道NASP1986-1995DARPA研制X-30實(shí)驗(yàn)型單級(jí)入軌空天飛機(jī)研制工作范圍Ma=415 的氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)

8、機(jī)HyTech/Hyset1996-USAFP&W研制Ma=48，應(yīng)用于高超聲速巡航導(dǎo)彈的液體碳?xì)淙剂想p模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)HyFly1995-NAVYDARPA通過(guò)Ma=6、巡航高度 27Km的軸對(duì)稱導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)驗(yàn)證碳?xì)涑紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)Hyper-X1996-NASA驗(yàn)證一體化設(shè)計(jì)方法獲得雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)操作特性與飛行性能美國(guó)美國(guó)6060年代后的計(jì)劃的情況表年代后的計(jì)劃的情況表氫的燃燒性能非常好，理論上可達(dá)到的最大飛行速度為25馬赫，然而不便貯存，難以軍用。因此，又研制了基于碳?xì)淙剂系某紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)，性能差一些，理論上最大速度只能達(dá)到8馬赫，比沖也比液氫低。2. 超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史美國(guó)3.

9、 X-43A 與 X-51A 的簡(jiǎn)介20042004年年3 3月月2727日，日，X-43X-43A A實(shí)現(xiàn)了超實(shí)現(xiàn)了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)成功點(diǎn)火，并推動(dòng)飛行器燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)成功點(diǎn)火，并推動(dòng)飛行器加速加速的技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間工作時(shí)間11 s11 s，最高速度達(dá)到，最高速度達(dá)到6.836.83馬赫。馬赫。B-52掛載飛馬座固體火箭飛行到28500米飛馬座火箭開始助推加速2004年年11月月16日，日，X-43A再次飛行再次飛行試驗(yàn)成試驗(yàn)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作功，發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作1012 s，最大速度，最大速度為為9.8馬赫馬赫。被被稱為稱為“自自1903年萊特兄弟首次飛行以年萊特兄弟首次飛行

10、以來(lái)航空技術(shù)來(lái)航空技術(shù) 的最大突破的最大突破”，3. X-43A 與 X-51A 的簡(jiǎn)介2010年年5月月26日，日，X-51A首次飛行試驗(yàn)取得成功，速度達(dá)到首次飛行試驗(yàn)取得成功，速度達(dá)到4.88馬赫，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)馬赫，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間工作時(shí)間140秒秒。2013年年5月月1日，日，X-51A第四次飛行試驗(yàn)取第四次飛行試驗(yàn)取得成功，最大速度達(dá)到得成功，最大速度達(dá)到5.1馬赫，飛行高度馬赫，飛行高度18.3 km，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間達(dá)到，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間達(dá)到210秒，飛行距離秒，飛行距離426 km，創(chuàng)造了高超聲，創(chuàng)造了高超聲速飛行器的飛行距離紀(jì)錄。速飛行器的飛行距離紀(jì)錄。空射

11、試驗(yàn)中的X-51A4. 展望眾多的試驗(yàn)已經(jīng)表明，在超高聲速的環(huán)境下，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有很高的性眾多的試驗(yàn)已經(jīng)表明，在超高聲速的環(huán)境下，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有很高的性能。這表明未來(lái)的超高速飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，超燃發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)是最實(shí)際能。這表明未來(lái)的超高速飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，超燃發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)是最實(shí)際的一種考慮。雖然超燃發(fā)動(dòng)機(jī)也有的一種考慮。雖然超燃發(fā)動(dòng)機(jī)也有無(wú)法自啟動(dòng)的無(wú)法自啟動(dòng)的缺點(diǎn)缺點(diǎn)，但這些并非無(wú)法克服但這些并非無(wú)法克服的缺點(diǎn)并不會(huì)阻礙進(jìn)一步研究。的缺點(diǎn)并不會(huì)阻礙進(jìn)一步研究。經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)已形成了超聲速導(dǎo)彈和亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合研究體多年的努力，我國(guó)已形成了超聲速導(dǎo)彈和亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合研究體系，系，建立了建立了設(shè)備