超燃發(fā)動機(飛行器空氣動力學(xué)報告)

超燃沖壓發(fā)動機概況

——飛行器空氣動力學(xué)報告2015.12.08

目錄1.研究背景與簡介2.超燃發(fā)動機的發(fā)展歷史3.X-43A與X-51A的簡介4.展望高超聲速飛行器指的是飛行速度大于5馬赫，在大氣層內(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)動機:渦輪噴氣發(fā)動機沖壓發(fā)動機火箭發(fā)動機1.研究背景與簡介沖壓發(fā)動機的原理無非就是空氣以超音速進入發(fā)動機燃燒室與燃料混合點燃，再從噴嘴中噴出從而獲得推力。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現(xiàn)二者的轉(zhuǎn)換。因為留給空氣壓縮，與燃料在燃燒室混合，點火，燃燒的時間只有毫秒量級，這樣也就使得發(fā)動機的控制極其困難。1.研究背景與簡介—原理在超燃發(fā)動機出現(xiàn)之前，50年代的時候，渦流噴氣式發(fā)動機與亞音速燃燒發(fā)動機已經(jīng)發(fā)明成功。1.研究背景與簡介—必要性1.進口溫度因受渦輪葉片熱強度的限制而不能太高。2.飛行速度接近馬赫數(shù)時,速度沖壓已經(jīng)達到相當高的氣流壓強,渦輪壓氣機系統(tǒng)就已經(jīng)多余了。飛行馬赫數(shù)在3~5范圍內(nèi),亞燃沖壓具有最好的性能。但是當飛行馬赫數(shù)繼續(xù)提高時,亞燃沖壓發(fā)動機性能迅速下降。1958年9月，在馬德里舉行了第一屆國際航空科學(xué)會議，F(xiàn)erri簡略地概述了并證明在Ma=3.0的超聲速氣流中實現(xiàn)了穩(wěn)定燃燒，沒有強激波。20世紀60年代通用應(yīng)用物理實驗室(1)超燃沖壓發(fā)動機增量飛行試驗飛行器(IFTV)1965年開始；(2)1964—1968年,低速固定幾何尺寸超燃沖壓發(fā)動機,無可變幾何尺寸,但是具有隨飛行速度而變化的空氣動力壓縮比。1957年4月，Shchetinkov申請了超聲速燃燒沖壓發(fā)動機專利。①氫-空氣系統(tǒng)的化學(xué)過程和現(xiàn)象②紊流混合問題并確定了使熱釋放與燃燒形狀相匹配以免產(chǎn)生強激波的問題③對固定幾何尺寸超燃沖壓發(fā)動機性能最大的問題進行了研究,④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)動機的發(fā)展歷史—前期歷史1991年11月27日，蘇聯(lián)“冷”飛行器首次飛行試驗取得成功。SA-5地對空導(dǎo)彈沖壓發(fā)動機日期最大飛行速度（Ma）工作時間（s）1991年11月27日5.627.51992年11月27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)動機是跟隨導(dǎo)彈一起發(fā)射的。2.超燃發(fā)動機的發(fā)展歷史—首次突破（蘇聯(lián)）在俄羅斯，飛行速度更快的有：“IGLA”/GLL-VK（14馬赫）GLL-31（9馬赫）GLL-AP-02（6馬赫）GLL-31與IGLA”/GLL-VK都采用乘波體布局。乘波體飛行時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)動機的發(fā)展歷史—俄羅斯項目計劃起止年份主辦機構(gòu)主要研究內(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進氣道NASP1986-1995DARPA研制X-30實驗型單級入軌空天飛機研制工作范圍Ma=4~15的氫燃料超燃沖壓發(fā)動機HyTech/Hyset1996-USAFP&W研制Ma=4~8，應(yīng)用于高超聲速巡航導(dǎo)彈的液體碳氫燃料雙模態(tài)沖壓發(fā)動機HyFly1995-NAVYDARPA通過Ma=6、巡航高度27Km的軸對稱導(dǎo)彈飛行試驗驗證談情超燃沖壓發(fā)動機Hyper-X1996-NASA驗證一體化設(shè)計方法獲得雙模態(tài)沖壓發(fā)動機操作特性與飛行性能設(shè)計思想基于1942年德國空氣動力學(xué)家Busemann提出的內(nèi)錐形流概念1.低馬赫數(shù)來流條件下不能自起動

2.長度較長

是一種未來的飛機，像普通飛機一樣起飛，在30～100公里高空的飛行速度為12～25倍音速，而且可以直接加速進入地球軌道，成為航天飛行器，返回大氣層后，像飛機一樣在機場著陸。2.超燃發(fā)動機的發(fā)展歷史—美國項目計劃起止年份主辦機構(gòu)主要研究內(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進氣道NASP1986-1995DARPA研制X-30實驗型單級入軌空天飛機研制工作范圍Ma=4~15的氫燃料超燃沖壓發(fā)動機HyTech/Hyset1996-USAFP&W研制Ma=4~8，應(yīng)用于高超聲速巡航導(dǎo)彈的液體碳氫燃料雙模態(tài)沖壓發(fā)動機HyFly1995-NAVYDARPA通過Ma=6、巡航高度27Km的軸對稱導(dǎo)彈飛行試驗驗證碳氫超燃沖壓發(fā)動機Hyper-X1996-NASA驗證一體化設(shè)計方法獲得雙模態(tài)沖壓發(fā)動機操作特性與飛行性能美國60年代后的計劃的情況表氫的燃燒性能非常好，理論上可達到的最大飛行速度為25馬赫，然而不便貯存，難以軍用。因此，又研制了基于碳氫燃料的超燃沖壓發(fā)動機，性能差一些，理論上最大速度只能達到8馬赫，比沖也比液氫低。

2.超燃發(fā)動機的發(fā)展歷史—美國3.X-43A與X-51A的簡介2004年3月27日，X-43A實現(xiàn)了超燃沖壓發(fā)動機成功點火，并推動飛行器加速的技術(shù)，發(fā)動機工作時間11s，最高速度達到6.83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11月16日，X-43A再次飛行試驗成功，發(fā)動機持續(xù)工作10~12s，最大速度為9.8馬赫。被稱為“自1903年萊特兄弟首次飛行以來航空技術(shù)的最大突破”，3.X-43A與X-51A的簡介2010年5月26日，X-51A首次飛行試驗取得成功，速度達到4.88馬赫，超燃沖壓發(fā)動機工作時間140秒。2013年5月1日，X-51A第四次飛行試驗取得成功，最大速度達到5.1馬赫，飛行高度18.3km，超燃沖壓發(fā)動機工作時間達到210秒，飛行距離426km，創(chuàng)造了高超聲速飛行器的飛行距離紀錄?？丈湓囼炛械腦-51A4.展望眾多的試驗已經(jīng)表明，在超高聲速的環(huán)境下，超燃沖壓發(fā)動機具有很高的性能。這表明未來的超高速飛行器的發(fā)動機設(shè)計中，超燃發(fā)動機將會是最實際的一種考慮。雖然超燃發(fā)動機也有無法自啟動的缺點，但這