冲压发动机原理与技术
鹰图小盆友 2020-3-18原创 喷气推进
中文摘要
冲压发动机原理与技术、试验系统介绍
关键词
亚燃冲压发动机;超燃冲压发动机
Ramjet;Scramjet

Ps:逛了下帖子,发现大家对冲压发动机也饶有兴趣,其实我在上一篇《100N液体氢氧火箭发动机设计》的最后留了一个彩蛋,谁能解答,就把上文相应设计文件送出去。大家可能也没注意看,其实那就是一台冲压发动机的工况计算题目。既然有一个相熟的火箭发动机,那么那个陌生的冲压发动机,为什么就不会如期到来呢?)

一、基本概念

1.冲压发动机:依靠高速迎面空气流减速增压作用进行工作的空气喷气发动机。

2.冲压发动机主要分为两类:亚燃冲压发动机(Ramjet>2Ma

                        超燃冲压发动机(Scramjet>5Ma

(有的也分为四种,另外两种为双模态冲压发动机、双燃烧室冲压发动机)

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1. 典型利用亚燃冲压发动机(海标枪)、超燃冲压发动机(X-43A)飞行器

3.冲压发动机特性:高比冲、高效能

其他优点:

1)        结构简单、低成本、适合导弹

2)        无旋转部件

3)        适用燃料广泛

缺点:

1)        不能自启动

2)        适合高速适用,不适合低低速

3)        对飞行状态(飞行攻角)敏感,会影响进气道来流捕获面积

4)        低单位迎风面积推力(只适合长时间高速巡航)

4.工作原理:Brayton cycle

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2. 理想的Brayton cycle

1)        1-2进气道等熵压缩(不考虑进气道损失)

2)        2-3燃烧室等压燃烧

3)        3-4喷管中等熵膨胀

4)        4-1等压散热

5.基本结构(主要介绍RamjetScramjet

image.png

3. 亚燃冲压发动机结构

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4. 超燃冲压发动机结构

从图3、图4可以看到亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机结构部件基本相同。主要由进气道(捕获来流)、燃烧室、火焰稳定器、喷管组成。两者比较大的区别在于:

1)        燃烧室流动速度。亚燃冲压发动机接近滞止状态,超燃冲压发动机一般大于1Ma。燃烧室来流停止时间在1ms左右

2)        进气道。亚燃冲压发动机(后直接用Ramjet表示)进气道喉部下游速度小于1Ma,超燃冲压发动机(后直接用Scramjet表示)下游大于1Ma。且超燃冲压发动机一般会在进气道下游设置隔离段(后文会讲隔离段是什么、有什么用)

3)        喷管。Ramjet喷管为典型拉瓦尔喷管,由于燃烧室出口流速低,利用拉瓦尔喷管进行加速,将能量转换为机械能以推动飞行器飞行。Scramjet喷管为扩张喷管,不需要设置吼道。这是由于燃烧室下游会形成热力吼道,等效于拉瓦尔喷管的吼道。

4)        流道。Ramjet为等直段流道,Scramjet为扩张型流道(由流动速度决定)

二、原理介绍

这里以Ramjet为例,通过8步来告诉大家,冲压发动机是如何产生推力的。

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02.jpg

attachment icon IMG_20200318_0001.pdf 967.85KB PDF 63次下载 预览

(推导过程PDF版本)

三、实验系统

我觉得大家可能对这部分相对要感兴趣一点。冲压发动机究竟在地面是如何做实验的呢?

对于冲压发动机,一般有两种实验台。

一种是针对研究内流的:直联试验台

一种是模拟高空飞行的:自由射流试验台

这里我们来简单介绍下冲压发动机如何在地面以启动状态做实验。

首先我们来解释下第一个问题:为什么冲压发动机不能零速度启动?通过最开始的介绍,大家对冲压发动机应该有了一定的了解了,我们知道冲压发动机是利用高速迎面空气减速增压来工作的。通俗的来说,当我们燃烧室内在燃烧的时候,就会建立一个压力,这个压力是向各个方向的,那么我们如何保证这个燃烧的流动只是向喷管方向而不是回过头向着进气道出发呢?这就要求燃烧室入口前有足够的压力使得其不会倒流,这样燃烧才能建立起来。对于亚燃冲压发动机就是靠在进气道前的正激波来维持燃烧室压力不受干扰。而超燃冲压发动机则是利用燃烧室前的一段等直段的隔离段内不断反射的斜激波来隔离压力影响,从而维持燃烧室压力的重要因素。

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5.超燃冲压发动机的隔离段激波系

所以,不是因为飞得快才有足够的氧气供应。那么很多小盆友又要问了,如果飞得太高,氧气不就稀薄了?其实不是,冲压发动机有它飞行包络线,不可能太高,也不能太低。太低会导致发动机阻力急剧增大,太高空气稀薄,燃烧室内燃烧不充分,从而燃烧效率会过低。当然也不能飞得太快和太慢。太慢无法启动,太快温度会太高从而超过发动机材料的耐热极限。

好了,了解了这些以后,我们来看看地面怎么做实验的。

目前为什么冲压发动机,特别是超燃冲压发动机仍没有一个完全成功的案例呢?(X-43A也不能叫完全成功,X51就更不用说了),不都说冲压发动机结构简单么?还没有像涡轮喷气发动机的复杂叶片啊。当然,这里我们要明白,越是简单,越复杂。怎么解释呢?比如一道数学题,一般写了一大堆条件的,可能比较简单。最怕的就是那种就一两句话就让你求解的,这样说大家可能就深有感触吧?

那么我们来说下,目前冲压发动到底难在哪里?(这里我们针对超燃冲压发动机)

1)        空气和燃料的掺混、雾化。(有无数人在研究超声速下雾化特性,这也是直联台实验研究内容之一)

2)        火焰稳定。(目前主要方式为凹腔稳焰)

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6. 燃烧室内的凹腔

凹腔稳焰的主要原理就是利用超声速气流在凹腔产生一个稳定的亚音速区(旋涡),从而保证有一个稳点的“火源”。

3)燃烧效率

在地面研究例如超声速雾化等试验的时候,如何让冲压发动机启动呢?这里我们只研究内部流动。我们需要一个设备产生高温、高速来流来模拟冲压发动机在飞行过程中进气道所捕获的来流状态。这里我们常用到——加热器。

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7. 氢氧加热器

该加热器采用“烧氢补氧”方式,让一定氢气和富氧空气燃烧,从而模拟一定高空的大气组分比例,并在燃烧室中提高空气流总温,然后通过拉瓦尔喷管使空气流加速到模拟飞行中进气道马赫数。然后高速、高温气流再进入冲压发动机隔离段、燃烧室。同时,为使加热器能够在高温富氧环境下长期可靠的工作,加热器采取水冷降温方式。由于该加热器为轴对称结构,且身部和喷管冷却段为一体化加工,共用同一冷却水源。这样经过水冷却措施,可以使得加热器喷管喉部温度控制在450 以下,胶 圈滑动密封结构附近温度控制在100 以下。因而满足后期超燃冲压发动机实验时间的需求。

讲到这里,大家现在知道在地面是如何模拟内部高速、高温来流的吧?

那么我们来看看超燃冲压发动机直联试验台。

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8. 直联式试验台

本想给大家看下经常接触的一个真实试验台,但是为了避免暴露,还是看别人的吧。

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9. 超燃冲压发动机直联式试验平台

看别的不犯法,而且主要是人家是公开的哈哈哈。在燃烧室(有玻璃窗口)上游(燃烧室左边)为加热器,这里被挡住了。我们可以看下这是典型的超燃冲压发动机试验的设备,一般我们只研究燃烧室这一段,在壁面上开一个窗口玻璃(放心,烧不掉的,一般都是短时间试验几秒钟),然后这张图里用的是PLIF(平面激光诱导荧光技术),在燃料里加点丙酮之类的,这时候用PLIF 打一个平面激光到燃烧室,OH基或者CH基被激发到激发态,然后退激发出荧光被ICCD捕获,这样我们就知道燃烧的分布了。这种常用来研究超声速火焰稳定性、燃料雾化特性。

但是这也只能模拟内流啊?那么真实飞行的时候不仅是内部有高速高温来流,外部也应该是高速、高温的自由来流啊。这种要研究外流或者内外流的模拟真实情况或试验整机的应该如何试验呢?

这里我们就要介绍下自由射流试验平台了。

通常要模拟外流,我们需要大型高超声速风洞,比如位于四川绵阳的中国空气动力研究与发展中心。拥有亚洲最大的风洞群。但是一般研究时,我们常用自由射流试验平台,对于航空发动机模拟一般叫高空模拟试验平台。

我们来看下中科院力学所的自由射流试验平台。其中①就是加热器,空气、氧气、氢气在加热器内燃烧,产生发动机所需要的具有与高空实际气流有相似特征的高温燃气,燃气通过拉伐尔喷管②加速到马赫数5.6然后进入实验舱③,实验舱内装有超燃冲压发动机,喷管来的气流通过进气道减速增压后仍保持超音速进入发动机燃烧室,气流与喷入的燃料(煤油或氢气)在燃烧室内燃烧,燃气通过扩张喷管加速到高马赫数向后喷出,实现推力。发动机后的燃气通过引射泵④进入消音塔⑤,消音后排入大气。

为满足实验气流的高焓要求,首先需要加热气流.通常采用的有蓄热器、电弧和燃烧等方法,每种方法各有利弊.综合分析考察优缺点,本设备采用了燃烧加热方法。加热器本体是一个内径310 mm,长600 mm的圆筒,氢气和空气的预混气体首先加入加热器,并由环绕在四周的4个火花塞点燃,形成一个引导火焰.主流空气与氢气被该引导火焰点燃后在加热器内燃烧,提高加入空气的总温.在燃烧中消耗掉的氧气部分再另外补充进去,以保持正常空气中应有的氧含量,温度的高低可由加入气体(空气、氢气、氧气)的流量比来控制.

另外,该加热器采用了再生冷却方法,空气在加热器下游端注入,经过加热器壁夹层返回上游,进入加热器。这样使进入加热器前空气吸收加热器壁面的热量,一方面可对加热器起到冷却保护作用,同时还可以最大限度地提高参加燃烧气体的温度。

这种加热方法可以大大的节省投资,而且加热性能好,获得的高焓气流总温、总压高,流量大。

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10. 自由射流试验平台

 

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11.美国气动推进实验设备ATPU

四、总结

现在大家对冲压发动机有了一些基本的认识了吧。目前冲压发动机的路还任重而道远,还没有一款成熟应用的超燃冲压发动。由于冲压发动机和机体耦合性很强,一般都是发动机/飞行器一体化设计。所以飞行器本身就是个发动机、发动机也成了一个飞行器。国内研究冲压发动机的单位还是比较多的,比如北航、西工大、哈工大、国防科大以及航天三院31所、中国空气动力研究与发展中心等。目前我国在冲压发动研究领域仍然是落后于美国、法国、日本等国家。后续需要同志们继续努力啊!啊啊啊啊,终于写完了这一篇了,手好累啊。不给一个精选帖子吗??哈哈哈哈哈开玩笑,楼主才不在乎呢!楼主要做一股清流哈哈。不过比起火箭发动机,楼主确实可能接触了更多一点的冲压发动机。wsl~




[修改于 4 个月前 - 2020-03-18 21:55:05]

来自:航天航空 / 喷气推进
 
9
2020-3-18 19:07:55
鹰图小盆友(作者)
1楼

为啥不能开专栏啊!哭泣55555

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3
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2020-3-19 9:38:30
2楼

    以下是一个初中生的的见解(之前几乎不知道冲压发动机,谢谢楼主科普),这种东西要做导弹的话好像只能装在飞机上或者用别的方式使高度和速度达到要求,要是想使冲压发动机的优势得到较大利用,那就可能是巡航导弹了,但是巡航导弹是需要攻击目标和尽可能躲避拦截的,这个发动机应该不能突然较大改变自身的角度,那么它就很难规避拦截(但是速度够快就比较难拦截,不过弹道简单其实拦截也不难),锁定目标后无法自主打击(但是也有解决方法,比如像末敏弹有一段搜索段,发现之后末端从发动机上分离自主攻击,但是这样也会把原本高速的优势丢失)(或者自己带一个液机,末端用液机来控制)这可能是高超声速武器的一个方向,不过我希望还是民用化发展好(但是我想不出什么民用的好点子)最后,谢谢前辈给我科普这些,也请各位前辈指出我想法的问题


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鹰图小盆友(作者)
3楼
引用布莱克发表于2楼的内容
    以下是一个初中生的的见解(之前几乎不知道冲压发动机,谢谢楼主科普),这种东西要做导弹的话好像...

我们按顺序来啊,首先是“这种东西要做导弹的话好像只能装在飞机上或者用别的方式使高度和速度达到要求”,一般来说,即使是带在飞机上,你也很难让它启动。试验时候一般是固体火箭助推器和试验机串联在一起,然后挂在飞机上,到一定高度丢掉,火箭启动,迅速爬升加速,达到启动速度后,火箭与冲压发动机试验飞行器分离,然后飞行器开始试验。

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至于第二个问题“巡航导弹是需要攻击目标和尽可能躲避拦截的,这个发动机应该不能突然较大改变自身的角度,那么它就很难规避拦截”,一般来说冲压发动机都不会单独工作。飞行器或者导弹一定是配备其他发动机协同工作的,最常见的就是火箭发动机了。火箭发动机与冲压组合的一般也可以叫RBCC( rocket based combined cycle火箭基组合循环发动机),也有用在飞行器上,利用涡轮发动机和冲压发动机组合的TBCC(Turbine Based Combined Cycle)涡轮基组合循环发动机。当然还有其他比如ATR等,冲压发动机只负责高速巡航那一段,而起飞或者你所谓的规避动力可以用其他发动机来完成。第三个问题“不过我希望还是民用化发展好(但是我想不出什么民用的好点子)”,要知道任何在飞行器上的重大突破一般来说都会先应用于军事领域,毕竟如果你拥有高超声飞行器,就类似于美军在海湾战争里拥有F-117A等可谓是跨代吊打别人了。当然民用里也是人们关注的一大重点,最典型的SABRE(协同吸气式组合火箭发动机,国际上叫:佩刀引擎)就是准备应用在skylon(云霄塔空天飞机)。未来准备实现单级入轨,天地往返重复使用,潜力无穷。当然目前其遇到的困难也是史无前例的

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4楼
引用鹰图小盆友发表于3楼的内容
我们按顺序来啊,首先是“这种东西要做导弹的话好像只能装在飞机上或者用别的方式使高度和速度达到要求”,...

谢谢前辈做如此详尽的介绍,我现在对冲压发动机有了大致的理解。相信前辈能在这方面弄出大成果

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2020/03/10注册,1 个月前活动

此人太懒,也不想留下什么 /此人将引以为戒,不回复任何非本人文章内容/ /此人不参加任何所谓民间组织、研究团队/

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