本發(fā)明涉及一種基于爆震燃燒的超燃沖壓發(fā)動機，并就其燃料噴注混合、超聲速可燃氣的熱射流起爆以及爆震動態(tài)穩(wěn)定控制的實現(xiàn)提供一種設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

超燃沖壓發(fā)動機(scramjet)在高馬赫(ma>5)飛行條件下性能優(yōu)良，已經(jīng)成為高超聲速飛行器推進系統(tǒng)的首選方案。然而，結(jié)合當前的研究以及美國x-51a飛行試驗可以得知，超燃沖壓發(fā)動機驗證機的加速性能并不明顯，凈推力偏小。因此，基于當前研究，迫切需要改善發(fā)動機推力性能。超燃沖壓發(fā)動機按照布萊頓(brayton)等壓燃燒循環(huán)設(shè)計，其熱力循環(huán)效率遠低于近似等容循環(huán)的爆震燃燒。因而如果能夠在超聲速氣流中實現(xiàn)爆震燃燒，即使是局部爆震燃燒，發(fā)動機的推力性能極有可能獲得大幅提升。

超燃沖壓發(fā)動機已經(jīng)逐漸走向工程應(yīng)用，但是基于爆震燃燒的新型超燃沖壓發(fā)動機概念設(shè)計目前還沒有見諸報道。利用超燃沖壓發(fā)動機相對成熟的工程化經(jīng)驗，在燃燒室中采用爆震燃燒替換等壓燃燒模式，相對于其它類型爆震發(fā)動機而言能夠盡快實現(xiàn)基于爆震燃燒發(fā)動機，但是這些研究還處理理論階段并沒有考慮具體的發(fā)動機應(yīng)用實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于爆震燃燒的超燃沖壓發(fā)動機目前仍是一個嶄新的發(fā)動機概念，尚沒有具體的實現(xiàn)方案公布于世。本發(fā)明的目的在于提出一種基于爆震燃燒的超燃沖壓發(fā)動機。本發(fā)明在進氣道壁面中噴注燃料，同經(jīng)過進氣道激波壓縮后的超聲速來流空氣進行混合；在超燃沖壓發(fā)動機機體中采用熱射流生成裝置，通過超燃沖壓發(fā)動機的燃燒室壁面向超聲速預(yù)混可燃氣中噴注，進而實現(xiàn)爆震快速起爆。燃燒室超聲速氣流中實現(xiàn)爆震起爆后，可以采用熱射流的開關(guān)一定程度上控制爆震波的傳播狀態(tài)。在燃燒室壁面上布置壓力傳感器，設(shè)置一定壓力閾值，可以實時監(jiān)測爆震波的傳播位置，判斷爆震波傳播狀態(tài)，據(jù)此可以開啟或者關(guān)閉熱射流從而控制爆震波在燃燒室中的傳播狀態(tài)，實現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動機中爆震燃燒的動態(tài)穩(wěn)定控制。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于爆震燃燒的超燃沖壓發(fā)動機，包括進氣道、燃燒室，其特征在于，所述發(fā)動機的進氣道為一次直線壓縮設(shè)計，即進氣道為一條傾斜的直線型進氣道；所述進氣道的上游壁面上開設(shè)有燃料噴注孔，所述發(fā)動機的燃燒室后方布置有起爆裝置，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(shè)置在進氣道的上游且其位置位于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，同熱射流裝置里面攜帶的燃料進行混合點火，實現(xiàn)熱射流生成。

進一步地，本發(fā)明所述進氣道的上游壁面上設(shè)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并為燃燒室提供工作所述的燃料。

進一步地，本發(fā)明所述呈等間距陣列分布的多個燃料噴注孔中，位于上方的燃料噴注孔的孔徑比位于其下方的燃料噴注孔的孔徑大。

進一步地，本發(fā)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(tài)，然后通過熱射流裝置的開啟與關(guān)閉來調(diào)整爆震波在燃燒室中的狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定傳播。

進一步地，本發(fā)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(jiān)測爆震波位置，根據(jù)爆震波的傳播狀態(tài)在燃燒室的相應(yīng)位置設(shè)有波面臨界位置以及動態(tài)駐定位置，在波面臨界位置和動態(tài)駐定位置均設(shè)置有壓力傳感器。其中，波面臨界位置指爆震波后傳時設(shè)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(tài)駐定位置位于燃燒室上游，爆震波到達這一位置表明爆震波的自持傳播處于一種相對穩(wěn)定狀態(tài)。壓力傳感器在整個燃燒室內(nèi)等間距分布，這樣能夠有效監(jiān)測爆震波面在整個燃燒室內(nèi)的傳播狀態(tài)。

進一步地，本發(fā)明在燃燒室內(nèi)設(shè)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(nèi)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(shè)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(guān)，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(wěn)定的動態(tài)駐定位置；當位于動態(tài)駐定位置的壓力傳感器監(jiān)測爆震波達到動態(tài)駐定位置時，關(guān)閉射流開關(guān)，從而整體上實現(xiàn)爆震波相對動態(tài)穩(wěn)定傳播。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

1、進氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計可以簡化傳統(tǒng)發(fā)動機進氣道多級壓縮結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)發(fā)動機輕量化設(shè)計。

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

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

4.燃燒室的動態(tài)控制方案可以有效實現(xiàn)燃燒室中爆震波的動態(tài)穩(wěn)定控制，從而實現(xiàn)持續(xù)的推力增益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是現(xiàn)有的超燃沖壓發(fā)動機的進氣道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的進氣道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明進氣道燃料噴注結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明爆震起爆熱射流結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明燃燒室的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明燃燒室爆震波面動態(tài)駐定控制流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

本發(fā)明提供一種基于爆震燃燒的超燃沖壓發(fā)動機，在基于爆震燃燒的新型超燃沖壓發(fā)動機中可以實現(xiàn)超聲速空氣來流的壓縮、燃料噴注以及與壓縮后空氣的混合、燃燒室中熱射流的爆震起爆以及爆震燃燒的動態(tài)穩(wěn)定控制，從而最終實現(xiàn)穩(wěn)定的推力性能。本發(fā)明主要從發(fā)動機的進氣道結(jié)構(gòu)、燃料噴注結(jié)構(gòu)、起爆結(jié)構(gòu)以及燃燒室動態(tài)控制結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

參照圖1，本實施例包括進氣道1、燃燒室2。對于進氣道，傳統(tǒng)超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中的等壓燃燒沒有自增壓功能，為了實現(xiàn)有效燃燒，進氣道1需要進行多級壓縮，通常設(shè)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(shè)計方法相對復(fù)雜，同時容易導(dǎo)致較大的總壓損失。然而，基于爆震燃燒的新型超燃沖壓發(fā)動機中，爆震波自身能夠進行有效自增壓，對于進氣道的壓縮性能要求相對較低，從而導(dǎo)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(shè)計更加簡單，可以采用更小的斜率。如圖3所示，本發(fā)明中的進氣道1為一次直線壓縮設(shè)計，即進氣道1為一條傾斜的直線型進氣道。因而相對傳統(tǒng)超燃沖壓發(fā)動機而言，基于爆震燃燒的新型超燃沖壓發(fā)動機的進氣道設(shè)計可以進行有效簡化，使得發(fā)動機的輕量化設(shè)計更加容易實現(xiàn)。

參照圖4，為本發(fā)明圖4進氣道燃料噴注結(jié)構(gòu)示意圖。在進氣道1的上游壁面上設(shè)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并為燃燒室提供工作所述的燃料。燃料噴注孔5全部設(shè)置在進氣道的上游，可以有效增加燃料與經(jīng)過激波壓縮后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(shè)計燃料噴注孔時，為確保進入燃燒室的燃料基本混合均勻，下游的燃燒噴孔5的孔徑比上游的燃料噴孔5設(shè)計相對偏小，從而在進氣道中經(jīng)過不同的混合距離可以達到相同的混合效果。傳統(tǒng)超燃沖壓發(fā)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(xiàn)有效混合，而基于爆震燃燒的新型超燃沖壓發(fā)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(shè)計。不僅如此，傳統(tǒng)超燃沖壓發(fā)動機中的隔離段也可以省略，這對于發(fā)動機的輕量化設(shè)計具有重要意義。

參照圖5，圖5是本發(fā)明爆震起爆熱射流結(jié)構(gòu)示意圖。發(fā)動機的燃燒室2后方布置有起爆裝置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。采用熱射流進行超聲速氣流中的爆震起爆時，需要預(yù)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(shè)置在進氣道1的上游且其位置位于所有燃料噴注孔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(nèi)氧化劑通過經(jīng)過激波壓縮后的超聲速來流空氣提供，然后進入到熱射流裝置402中，同里面攜帶的燃料進行混合點火，實現(xiàn)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(shè)置在進氣道的上游且其位置位于所有燃料噴注孔之上。同時，持續(xù)的超聲速來流空氣供應(yīng)能夠保證熱射流后期進行爆震動態(tài)穩(wěn)定控制的工質(zhì)供應(yīng)。這樣設(shè)計能夠從發(fā)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(fā)動機整體重量。除此之外，持續(xù)地獲取空氣流量能夠為后期的射流控制提供工質(zhì)供應(yīng)。

圖6是本發(fā)明燃燒室的結(jié)構(gòu)示意圖。在燃燒室2的一側(cè)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(jiān)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(tài)。

爆震波只能在預(yù)混比較充分的可燃氣中傳播，混合不充分時容易導(dǎo)致爆震熄爆。針對這種特性的爆震發(fā)動機，由于噴注混合的緣故，爆震波難以持續(xù)前傳，但是可以持續(xù)后退甚至熄爆。本發(fā)明根據(jù)爆震波的傳播狀態(tài)在燃燒室的相應(yīng)位置設(shè)有波面臨界位置以及動態(tài)駐定位置，在波面臨界位置和動態(tài)駐定位置均設(shè)置有壓力傳感器。其中，波面臨界位置指爆震波后傳時設(shè)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(tài)駐定位置位于燃燒室上游，爆震波到達這一位置表明爆震波的自持傳播處于一種相對穩(wěn)定狀態(tài)。壓力傳感器在整個燃燒室內(nèi)等間距分布，這樣能夠有效監(jiān)測爆震波面在整個燃燒室內(nèi)的傳播狀態(tài)，然后通過熱射流裝置的開啟與關(guān)閉來調(diào)整爆震波在燃燒室中的狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定傳播。

圖7是本發(fā)明燃燒室爆震波面動態(tài)駐定控制流程圖。在燃燒室內(nèi)設(shè)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(nèi)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(shè)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(guān)，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(wěn)定的動態(tài)駐定位置；當位于動態(tài)駐定位置的壓力傳感器監(jiān)測爆震波達到動態(tài)駐定位置時，關(guān)閉射流開關(guān)，從而整體上實現(xiàn)爆震波相對動態(tài)穩(wěn)定傳播，從而產(chǎn)生持續(xù)推力。

本發(fā)明在進氣道中實現(xiàn)燃料噴注混合，并基于超燃沖壓發(fā)動機機體，在其燃燒室中實現(xiàn)爆震燃燒，提升發(fā)動機整體推力性能。相比于傳統(tǒng)超燃沖壓發(fā)動機，基于爆震燃燒的新型超燃沖壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡化、熱力循環(huán)效率高，并且能量釋放速率快，經(jīng)試驗測試基于爆震燃燒的發(fā)動機推力性能可比現(xiàn)有基于等壓燃燒的發(fā)動機高30％以上。此外，傳統(tǒng)超燃沖壓發(fā)動機由于進氣道增壓，飛行馬赫數(shù)一般不高于馬赫8，而基于爆震燃燒的超燃沖壓發(fā)動機通過爆震的自增壓特性，可以簡化基于爆震燃燒的超燃沖壓發(fā)動機進氣道設(shè)計，提高發(fā)動機來流馬赫數(shù)適應(yīng)范圍，實現(xiàn)更高馬赫數(shù)飛行。針對一體化新型超燃沖壓發(fā)動機，提出實現(xiàn)爆震起爆的熱射流實現(xiàn)技術(shù)方案；同時結(jié)合爆震的動態(tài)穩(wěn)定燃燒需要，提出一種解決熱射流控制功能的實現(xiàn)方案。

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