一種基於爆震燃燒的超燃衝壓發動機的製作方法

2023-12-03 23:23:06 1

本發明涉及一種基於爆震燃燒的超燃衝壓發動機，並就其燃料噴注混合、超聲速可燃氣的熱射流起爆以及爆震動態穩定控制的實現提供一種設計方法。

背景技術：

超燃衝壓發動機(scramjet)在高馬赫(ma>5)飛行條件下性能優良，已經成為高超聲速飛行器推進系統的首選方案。然而，結合當前的研究以及美國x-51a飛行試驗可以得知，超燃衝壓發動機驗證機的加速性能並不明顯，淨推力偏小。因此，基於當前研究，迫切需要改善發動機推力性能。超燃衝壓發動機按照布萊頓(brayton)等壓燃燒循環設計，其熱力循環效率遠低於近似等容循環的爆震燃燒。因而如果能夠在超聲速氣流中實現爆震燃燒，即使是局部爆震燃燒，發動機的推力性能極有可能獲得大幅提升。

超燃衝壓發動機已經逐漸走向工程應用，但是基於爆震燃燒的新型超燃衝壓發動機概念設計目前還沒有見諸報導。利用超燃衝壓發動機相對成熟的工程化經驗，在燃燒室中採用爆震燃燒替換等壓燃燒模式，相對於其它類型爆震發動機而言能夠儘快實現基於爆震燃燒發動機，但是這些研究還處理理論階段並沒有考慮具體的發動機應用實現。

技術實現要素：

基於爆震燃燒的超燃衝壓發動機目前仍是一個嶄新的發動機概念，尚沒有具體的實現方案公布於世。本發明的目的在於提出一種基於爆震燃燒的超燃衝壓發動機。本發明在進氣道壁面中噴注燃料，同經過進氣道激波壓縮後的超聲速來流空氣進行混合；在超燃衝壓發動機機體中採用熱射流生成裝置，通過超燃衝壓發動機的燃燒室壁面向超聲速預混可燃氣中噴注，進而實現爆震快速起爆。燃燒室超聲速氣流中實現爆震起爆後，可以採用熱射流的開關一定程度上控制爆震波的傳播狀態。在燃燒室壁面上布置壓力傳感器，設置一定壓力閾值，可以實時監測爆震波的傳播位置，判斷爆震波傳播狀態，據此可以開啟或者關閉熱射流從而控制爆震波在燃燒室中的傳播狀態，實現超燃衝壓發動機中爆震燃燒的動態穩定控制。

本發明的技術方案是：

一種基於爆震燃燒的超燃衝壓發動機，包括進氣道、燃燒室，其特徵在於，所述發動機的進氣道為一次直線壓縮設計，即進氣道為一條傾斜的直線型進氣道；所述進氣道的上遊壁面上開設有燃料噴注孔，所述發動機的燃燒室後方布置有起爆裝置，所述起爆裝置包括熱射流氧化劑管道以及攜帶有射流燃料的熱射流裝置，所述熱射流氧化劑管道的入口設置在進氣道的上遊且其位置位於所有燃料噴注孔之上，熱射流氧化劑管道的出口連接熱射流裝置，同熱射流裝置裡面攜帶的燃料進行混合點火，實現熱射流生成。

進一步地，本發明所述進氣道的上遊壁面上設置有呈等間距陣列分布的多個燃料噴注孔，所有燃料噴注孔均與燃料供給管路連接並為燃燒室提供工作所述的燃料。

進一步地，本發明所述呈等間距陣列分布的多個燃料噴注孔中，位於上方的燃料噴注孔的孔徑比位於其下方的燃料噴注孔的孔徑大。

進一步地，本發明所述燃燒室壁面安裝一組壓力傳感器，測量燃燒室壁面壓力，通過壓力傳感器感知燃燒室壁面壓力進而感知爆震波的傳播狀態，然後通過熱射流裝置的開啟與關閉來調整爆震波在燃燒室中的狀態，實現動態穩定傳播。

進一步地，本發明在整個燃燒室的長度方向等間距安裝有多個壓力傳感器，等間距分布的壓力傳感器實時監測爆震波位置，根據爆震波的傳播狀態在燃燒室的相應位置設有波面臨界位置以及動態駐定位置，在波面臨界位置和動態駐定位置均設置有壓力傳感器。其中，波面臨界位置指爆震波後傳時設定的臨界位置，爆震波到達波面臨近位置時存在熄爆的可能性。動態駐定位置位於燃燒室上遊，爆震波到達這一位置表明爆震波的自持傳播處於一種相對穩定狀態。壓力傳感器在整個燃燒室內等間距分布，這樣能夠有效監測爆震波面在整個燃燒室內的傳播狀態。

進一步地，本發明在燃燒室內設定波面臨界位置，等間距分布的一組壓力傳感器實時檢測燃燒室內爆震波波面位置，當位于波面臨界位置的壓力傳感器檢測到爆震波波面位置達到設定的波面臨界位置，爆震波衰減存在熄爆的可能性，此時開啟射流開關，通過射流噴注形成收縮通道促使爆震波前傳，直至到達相對穩定的動態駐定位置；當位於動態駐定位置的壓力傳感器監測爆震波達到動態駐定位置時，關閉射流開關，從而整體上實現爆震波相對動態穩定傳播。

本發明的有益技術效果：

1、進氣道結構設計可以簡化傳統發動機進氣道多級壓縮結構，實現發動機輕量化設計。

2.在進氣道壁面噴注燃料可以增加燃料預混距離與時間，從而提高燃料預混效率，簡化燃燒室設計。

3.從超聲速來流中引入空氣氧化劑，可以減輕發動機自身負荷，實現持續的射流供應，保證爆震起爆與控制功能。

4.燃燒室的動態控制方案可以有效實現燃燒室中爆震波的動態穩定控制，從而實現持續的推力增益。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是現有的超燃衝壓發動機的進氣道結構示意圖；

圖3是本發明的進氣道結構示意圖；

圖4是本發明進氣道燃料噴注結構示意圖；

圖5是本發明爆震起爆熱射流結構示意圖；

圖6是本發明燃燒室的結構示意圖；

圖7是本發明燃燒室爆震波面動態駐定控制流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

本發明提供一種基於爆震燃燒的超燃衝壓發動機，在基於爆震燃燒的新型超燃衝壓發動機中可以實現超聲速空氣來流的壓縮、燃料噴注以及與壓縮後空氣的混合、燃燒室中熱射流的爆震起爆以及爆震燃燒的動態穩定控制，從而最終實現穩定的推力性能。本發明主要從發動機的進氣道結構、燃料噴注結構、起爆結構以及燃燒室動態控制結構進行設計。

參照圖1，本實施例包括進氣道1、燃燒室2。對於進氣道，傳統超燃衝壓發動機燃燒室中的等壓燃燒沒有自增壓功能，為了實現有效燃燒，進氣道1需要進行多級壓縮，通常設計為曲面壓縮，進氣道的斜率相對較大，如圖2所示。這種曲面進氣道設計方法相對複雜，同時容易導致較大的總壓損失。然而，基於爆震燃燒的新型超燃衝壓發動機中，爆震波自身能夠進行有效自增壓，對於進氣道的壓縮性能要求相對較低，從而導致的總壓損失相對較小，通過一次直線壓縮即可以滿足需求，進氣道型面設計更加簡單，可以採用更小的斜率。如圖3所示，本發明中的進氣道1為一次直線壓縮設計，即進氣道1為一條傾斜的直線型進氣道。因而相對傳統超燃衝壓發動機而言，基於爆震燃燒的新型超燃衝壓發動機的進氣道設計可以進行有效簡化，使得發動機的輕量化設計更加容易實現。

參照圖4，為本發明圖4進氣道燃料噴注結構示意圖。在進氣道1的上遊壁面上設置有呈等間距陣列分布的多個燃料噴注孔5，所有燃料噴注孔5均與燃料供給管路連接並為燃燒室提供工作所述的燃料。燃料噴注孔5全部設置在進氣道的上遊，可以有效增加燃料與經過激波壓縮後的超聲速空氣來流之間的混合距離與時間，一定程度上提高混合效率。在設計燃料噴注孔時，為確保進入燃燒室的燃料基本混合均勻，下遊的燃燒噴孔5的孔徑比上遊的燃料噴孔5設計相對偏小，從而在進氣道中經過不同的混合距離可以達到相同的混合效果。傳統超燃衝壓發動機通常在燃燒室中進行燃料的噴注混合，通常需要一定長度的燃燒室才能實現有效混合，而基於爆震燃燒的新型超燃衝壓發動機在進氣道中進行燃料噴注混合可以有效縮短燃燒室長度，簡化燃燒室設計。不僅如此，傳統超燃衝壓發動機中的隔離段也可以省略，這對於發動機的輕量化設計具有重要意義。

參照圖5，圖5是本發明爆震起爆熱射流結構示意圖。發動機的燃燒室2後方布置有起爆裝置4，所述起爆裝置4包括熱射流氧化劑管道401以及攜帶有射流燃料的熱射流裝置402。採用熱射流進行超聲速氣流中的爆震起爆時，需要預先給熱射流管提供燃料和氧化劑。在圖5中，熱射流氧化劑管道401的入口設置在進氣道1的上遊且其位置位於所有燃料噴注孔5之上，熱射流氧化劑管道401的出口連接熱射流裝置402。熱射流氧化劑管道401內氧化劑通過經過激波壓縮後的超聲速來流空氣提供，然後進入到熱射流裝置402中，同裡面攜帶的燃料進行混合點火，實現熱射流生成。為了避免進氣道燃料進入，熱射流氧化劑管道的入口設置在進氣道的上遊且其位置位於所有燃料噴注孔之上。同時，持續的超聲速來流空氣供應能夠保證熱射流後期進行爆震動態穩定控制的工質供應。這樣設計能夠從發動機外部獲取空氣氧化劑，減少射流裝置自身負荷，有效減少發動機整體重量。除此之外，持續地獲取空氣流量能夠為後期的射流控制提供工質供應。

圖6是本發明燃燒室的結構示意圖。在燃燒室2的一側壁面上順其長度方向等間距安裝有一組壓力傳感器6，等間距分布的多個壓力傳感器6實時監測爆震波3的位置。爆震波3為一道強激波，通過壁面時會引起壁面壓力突然躍升，因而通過測量壁面壓力躍升可以判斷爆震波的傳播位置即通過壓力傳感器感知燃燒室壁面壓力進而感知爆震波的傳播狀態。

爆震波只能在預混比較充分的可燃氣中傳播，混合不充分時容易導致爆震熄爆。針對這種特性的爆震發動機，由於噴注混合的緣故，爆震波難以持續前傳，但是可以持續後退甚至熄爆。本發明根據爆震波的傳播狀態在燃燒室的相應位置設有波面臨界位置以及動態駐定位置，在波面臨界位置和動態駐定位置均設置有壓力傳感器。其中，波面臨界位置指爆震波後傳時設定的臨界位置，爆震波到達波面臨近位置時存在熄爆的可能性。動態駐定位置位於燃燒室上遊，爆震波到達這一位置表明爆震波的自持傳播處於一種相對穩定狀態。壓力傳感器在整個燃燒室內等間距分布，這樣能夠有效監測爆震波面在整個燃燒室內的傳播狀態，然後通過熱射流裝置的開啟與關閉來調整爆震波在燃燒室中的狀態，實現動態穩定傳播。

圖7是本發明燃燒室爆震波面動態駐定控制流程圖。在燃燒室內設定波面臨界位置，等間距分布的一組壓力傳感器實時檢測燃燒室內爆震波波面位置，當位于波面臨界位置的壓力傳感器檢測到爆震波波面位置達到設定的波面臨界位置，爆震波衰減存在熄爆的可能性，此時開啟射流開關，通過射流噴注形成收縮通道促使爆震波前傳，直至到達相對穩定的動態駐定位置；當位於動態駐定位置的壓力傳感器監測爆震波達到動態駐定位置時，關閉射流開關，從而整體上實現爆震波相對動態穩定傳播，從而產生持續推力。

本發明在進氣道中實現燃料噴注混合，並基於超燃衝壓發動機機體，在其燃燒室中實現爆震燃燒，提升發動機整體推力性能。相比於傳統超燃衝壓發動機，基於爆震燃燒的新型超燃衝壓發動機結構簡化、熱力循環效率高，並且能量釋放速率快，經試驗測試基於爆震燃燒的發動機推力性能可比現有基於等壓燃燒的發動機高30％以上。此外，傳統超燃衝壓發動機由於進氣道增壓，飛行馬赫數一般不高於馬赫8，而基於爆震燃燒的超燃衝壓發動機通過爆震的自增壓特性，可以簡化基於爆震燃燒的超燃衝壓發動機進氣道設計，提高發動機來流馬赫數適應範圍，實現更高馬赫數飛行。針對一體化新型超燃衝壓發動機，提出實現爆震起爆的熱射流實現技術方案；同時結合爆震的動態穩定燃燒需要，提出一種解決熱射流控制功能的實現方案。

以上包含了本發明優選實施例的說明，這是為了詳細說明本發明的技術特徵，並不是想要將發明內容限制在實施例所描述的具體形式中，依據本發明內容主旨進行的其他修改和變型也受本專利保護。本發明內容的主旨是由權利要求書所界定，而非由實施例的具體描述所界定。