超燃沖壓發動機概況

——飛行器空氣動力學報告2015.12.08

目錄1.研究背景與簡介2.超燃發動機的發展歷史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，在大氣層內和跨大氣層飛行的飛行器。目前主要研究的主要有三種發動機:渦輪噴氣發動機沖壓發動機火箭發動機1.研究背景與簡介沖壓發動機的原理無非就是空氣以超音速進入發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分是根據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二者的轉換。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，這樣也就使得發動機的控制極其困難。1.研究背景與簡介—原理在超燃發動機出現之前，50年代的時候，渦流噴氣式發動機與亞音速燃燒發動機已經發明成功。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時,速度沖壓已經達到相當高的氣流壓強,渦輪壓氣機系統就已經多余了。飛行馬赫數在3~5范圍內,亞燃沖壓具有最好的性能。但是當飛行馬赫數繼續提高時,亞燃沖壓發動機性能迅速下降。1958年9月，在馬德里舉行了第一屆國際航空科學會議，Ferri簡略地概述了并證明在Ma=3.0的超聲速氣流中實現了穩定燃燒，沒有強激波。20世紀60年代通用應用物理實驗室(1)超燃沖壓發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動機專利。①氫-空氣系統的化學過程和現象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生強激波的問題③對固定幾何尺寸超燃沖壓發動機性能最大的問題進行了研究,④熱壓縮的效應。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.超燃發動機的發展歷史—前期歷史1991年11月27日，蘇聯“冷”飛行器首次飛行試驗取得成功。SA-5地對空導彈沖壓發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：沖壓發動機是跟隨導彈一起發射的。2.超燃發動機的發展歷史—首次突破（蘇聯）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，依靠激波的壓力產生升力，所以叫乘波體(Waverider)。2.超燃發動機的發展歷史—俄羅斯項目計劃起止年份主辦機構主要研究內容SCRAM1962-1978NAVYJHU/APL論證使用可貯存燃料的小型艦載導彈采用模塊化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動機HyTech/Hyset1996-USAFP&W研制Ma=4~8，應用于高超聲速巡航導彈的液體碳氫燃料雙模態沖壓發動機HyFly1995-NAVYDARPA通過Ma=6、巡航高度27Km的軸對稱導彈飛行試驗驗證談情超燃沖壓發動機Hyper-X1996-NASA驗證一體化設計方法獲得雙模態沖壓發動機操作特性與飛行性能設計思想基于1942年德國空氣動力學家Busemann提出的內錐形流概念1.低馬赫數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.超燃發動機的發展歷史—美國項目計劃起止年份主辦機構主要研究內容SCRAM1962-1978NAVYJHU/APL論證使用可貯存燃料的小型艦載導彈采用模塊化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動機HyTech/Hyset1996-USAFP&W研制Ma=4~8，應用于高超聲速巡航導彈的液體碳氫燃料雙模態沖壓發動機HyFly1995-NAVYDARPA通過Ma=6、巡航高度27Km的軸對稱導彈飛行試驗驗證碳氫超燃沖壓發動機Hyper-X1996-NASA驗證一體化設計方法獲得雙模態沖壓發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.超燃發動機的發展歷史—美國3.X-43A與X-51A的簡介2004年3月27日，X-43A實現了超燃沖壓發動機成功點火，并推動飛行器加速的技術，發動機工作時間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，發動機持續工作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，超燃沖壓發動機工作時間達到210秒，飛行距離426km，創造了高超聲速飛行器的飛行距離紀錄。空射試驗中的X-51A4.展望眾多的試驗已經表明，在超高聲速的環境下，超燃沖壓發動機具有很高的性能。這表明未來的超高速飛行器的發動機設計中，超燃發動機將會是最實際的一種考慮。雖然超燃發動機也有無法自啟動的缺點，但這