冲压发动机技术

1、回忆与总结：a）发动机推力；b）推力系数；c）喷管流动的三种膨胀状态；d）喷管排气速度；e）比冲；f）混合比；g）固体推进剂的燃气生成率 。fum 中心锥进气道唇口/进气口整流罩/唇罩外罩燃烧室喷管典型冲压发动机结构示意图 因此，冲压发动机是一种吸气式发动机（air-breathing engines ）。MaIsp(N.s/kg)固体火箭发动机冲压发动机1.02.03.04.05.0200010000冲压发动机比冲变化示意图根据燃料的形式，冲压发动机分为：a) 固体推进剂冲压发动机，简称固体冲压发动机；b) 液体推进剂冲压发动机，简称液体冲压发动机。按结构和工作原理，固体推进剂冲压发动机主要

2、分为：a）固体火箭冲压发动机（又称管道火箭DR，ducted rockets）；b）固体燃料冲压发动机（SFRJ，solid fuel ramjets）；c）整体式冲压发动机（又称集成式冲压发动机，integrated ramjets）。 弹头冲压发动机燃料空气进气道固体火箭推进剂冲压发动机喷管可抛掉的火箭喷管内衬可爆破进气口整体式火箭冲压发动机集成了火箭和火箭冲压发动机，由火箭提供助推加速到超声速2马赫数以上，然后冲压发动机工作，其典型部件为可爆破进气口、可抛掉的火箭喷管和共用燃烧室。 整体式冲压发动机结构原理图 与前述发动机相比，结构上吸气式发动机（如冲压发动机）的显著不同是存在进气道，从

3、动力学分析，它对推力存在影响。冲压发动机的输入动量与输出动量maVa.mVe.回忆：火箭发动机的推力公式？(a)(b)xppaAapeAemVemaVa.pa冲压发动机控制体示意图 取整个冲压发动机为控制体，满足动量定律 aaeVmVmR合力R包括四部分力，为 FApApApRAAeadaaee结合上述两式，得 eadaaeeaaeAAApApApVmVmFRFeaeaeaeaead)()( dd)( d)()( daaeeaaeaaeeaaeaeaaeeaaeaaeeaaeAAAAAAAAAAAppppVmVmApApppAVmVmApAApppAVmVmApApApVmVmF表面压差研究发

4、动机只考虑发动机的输出动力，而不考虑其他力，故取 称为发动机的名义推力，或内推力。 )(aeeaaeppAVmVmF定义空燃比 （回忆：混合比？） fuammr给定空燃比，则 fuafua) 1(1mrmrrmmm一般冲压发动机中，燃料流量很小，即 ，因此，初步设计时，可取 afumm)()(aeeaeappAVVmFmm完全膨胀 )(aeVVmF 与推力有关的几个性能参数： a) 单位迎面推力发动机推力与最大横截面积之比，即 c) 推重比单位重量所产生的推力，即 d) 推力系数定义为单位迎风面积的推力与迎面气流动压的比值，即 maxAFFAWFR b) 比冲单位时间燃烧单位质量推进剂所产生的

5、推力，即 AqFCFafuspmFI例：已知某冲压发动机固体燃料密度rp=1600 kg/m3，燃烧面积Ab=0.1m2，燃速 =0.8mm/s。飞行马赫数Ma=2.5，进口流束面积Aa=0.002m2。设喷管扩张比为1.5，燃烧室燃烧温度T0=1800K，燃气的气体常数 Rg=320 J/(kg.K)，比热比g =1.3，试计算发动机的推力和比冲。（已知高空空气ra=1.0 kg/m3，a=300m/s，完全膨胀） r 解：由推力公式，完全膨胀时 aaeVmVmF，只要分别计算各个参数即可。 a) b)c)d)0 .7503005 . 2aaMaV(m/s)5 . 1002. 00 .750

6、0 . 1aaaaAVmr(kg/s)128. 0108 . 01 . 00 .16003bpfurAmr(kg/s) 628. 1fuammm(kg/s)8 .146493. 118003200geVFTRV(m/s) 7 .12590 .7505 . 18 .1464628. 1aaeVmVmF(N)练习：试计算比冲的大小。s/kg)(N 4 .9841128. 07 .1259fuspmFI火箭冲压发动机是火箭与冲压相对独立的一种冲压发动机。 空气火箭燃气混合燃气空气p0p1火箭冲压发动机示意图a) 这里的火箭又称为燃气发生器（gas generator），根据喷出燃气是否达到临界状态，

7、 火箭冲压发动机由分为临界火箭冲压发动机和非临界火箭冲压发动机两种；其设计必须考虑外压的影响，即 p0和 p1的关系；火箭冲压发动机的工作压强 p1常较低，一般46 MPa以下，故喷喉较大。b) 火箭燃气与空气要充分混合，以提高燃烧效率故一般燃烧室较长。 c) 燃烧室中的流动可以近似为加热流动。 Q1212燃烧室加热流动示意图连续方程： 动量方程： 能量方程： ConstVAmrConstVr（等通道A不变） Const2 Vpr121020Qhhh01h02冲压发动机中常用加热比来表示加热量的多少，即 0102TT加热量Q12与加热比 的关系为 0112) 1(hQ思考：为什么？ 由能量方程

8、121020Qhh120102QTcTcpp10120112010211hQTcQTTp1012) 1(hQ练习：某冲压发动机燃烧室入口总温T01=350 K，燃烧加入的热量达到Q12=1306 kJ/kg，求发动机的加热比。已知燃气的气体常数Rg=287.04 J/kg.K，比热比g =1.3。 例：某冲压发动机燃烧室入口总温T01=350 K，燃烧加入的热量达到Q12=1306 kJ/kg，求发动机的加热比。已知燃气的气体常数Rg=287.04 J/kg.K，比热比g =1.3。 解： (J/kg.K) 8 .12431gggRcp0 . 43508 .124310130611301120

9、102TcQTTp 固体燃料冲压发动机是一种固体燃料与空气冲压过程浑然一体的发动机。因此，结构上简单紧凑，效率高。 空气再附着点突扩燃烧室补燃室A3A2固体燃料冲压发动机示意图a) 与火箭冲发动机相比，结构简单，比冲高，一般工作压强更低（一般1MPa以下），故喉部直径更大。b) 固体燃料冲压发动机的燃烧稳定性主要由突扩燃烧室的突扩比决定。 突扩比eA定义为突扩燃烧室内截面面积与空气进口截面面积之比， eA=A3/A2 突扩台阶可以形成流动的再附着点（reattachment point）和涡流区，形成流速相对较低的区域，起到火焰稳定器的作用，从而增加燃烧稳定性。空气空气二次进气固体燃料冲压发动

10、机示意图c) 有时为了充分燃烧，还采用二次进气的结构。d) 突扩燃烧室中的流动为加质、加热的多驱动势流动，补燃室中的流动与火箭冲压的燃烧室流动相同。 突扩燃烧室流动控制体A3A2AsA4Q24下面分析突扩燃烧室的流动规律。取控制体如图所示。 连续方程： 动量方程： 能量方程： 引入流量比124mmrmmmmmmm1112fu2fu224流量比与空燃比的关系同样引入加热比表示能量的加入，即 0204TT44233222244)(ApAApApVmVm 242040Qhhssl4l4lslseAeAl2l22.04.06.08.000.960.70.20.40.60.801.00.72.04.06

11、.08.000.80.20.40.60.800.30.20.1突扩燃烧室典型参数变化规律0203pps突扩总压恢复系数 冲压发动机依靠空气提供的氧与燃料燃烧才能进行有效的工作。因此，如何让空气高效率的进入发动机是冲压发动机首先要解决的问题这就是进气道设计。 中心锥进气道立体图 中心锥进气道唇口/进气口整流罩/唇罩外罩燃烧室喷管典型冲压发动机结构示意图 进气道需要实现的功能包括：扩压扩压、降速降速、高效高效（总压恢复系数和动能效率 ）。 总结：a）亚声速流动在收敛通道的流动规律；b）亚声速流动在扩张通道的流动规律；c）超声速流动在收敛通道的流动规律；d）超声速流动在扩张通道的流动规律；e）什么是

12、Laval喷管，其流动规律是什么？f ）什么是扩压器？冲压发动机进气道参数变化总压恢复系数动能效率a002pps2/2/2a2a2VV 2 进气道出口 p2 p02 V2a1 自由流 pa p0a Va亚声速进气道按结构分为中心进气道和侧进气道。 中心进气道 侧进气道 按进气道形状分为锥形进气道、半锥形进气道、二元进气道、下颔式（或下颏式）进气道等。一般二元进气道、下颔式进气道具有较高的升阻比和较宽的攻角适应性。 后置四半锥形进气道和双下侧二元进气道下颔式进气道 按空气流动马赫数分为亚声速进气道和超声速进气道。亚声速进气道主要应用在民航飞机等亚声速飞行的飞行器上；超声速进气道主要应用在超声速飞

13、行的飞行器上。 不管是亚声速进气道还是超声速进气道，都要求空气以亚声速速度离开进气道而进入燃烧室（超声速燃烧的冲压发动机除外）。 每类又可分为外压式进气道和内压式进气道。外压式进气道是指压缩过程发生在进气道之外的自由流中，内压式进气道是指压缩过程发生在进气道的内部。 返回 亚声速进气道所截获的空气在它的整个流道上全是亚声速的。分为外压式和内压式两类。 外压式亚声速进气道，其特点是进气道是等截面的， 空气压缩全部发生在进气道口1截面的上游（由于没有固体壁面磨擦，因此，外部压缩过程是等熵的）； 空气均匀来流不断减速，为保持流量相等，必然A1Aa，Aa称为截获面积（或捕获面积）； 在进口前缘会发生溢

14、流，故一般不宜用于高亚声速范围，因为，其压缩会产生较大外部阻力。 V1Aa进口截面A1等熵压缩外压式亚声速进气道示意图 Ma0V0 内压式亚声速进气道，它被用于所有的空气喷气发动机上。 其特点是进气道是截面扩张的，A2A1=Aa，空气压缩发生在进气道内部（由于存在壁面磨擦，因此，压缩过程是不等熵的）； 扩压器长度的设计需要折衷考虑：压缩过程尽可能缓慢以降低总压损失从而增加长度（Ma1.80时，总压损失急剧增加，因此，该进气道一般适宜于Ma1Ma01Ma01斜激波正激波斜激波Aa弓形激波溢流AaA1A1AaA1斜激波正激波 (a)设计状态激波位于进口临界 (b) 增加反压激波推出亚临界 (c)

15、降低反压激波吸入超临界正激波超声速进气道原理 收敛扩张型超声速进气道利用收敛扩张喷管流动的逆过程实现超声速流动的减速增压； （回忆：Laval喷管的流动规律？） 对于固定收敛比的流道，扩压过程的启动十分困难（需要利用“超速”来实现启动，即如果设计点为 Ma=1.8，可能需要达到 Ma=3.2 才能启动）。 可采用可变几何形状的进气道来解决启动问题，但结构太复杂，在二维平面型进气道中有应用的报道。 Ma 1Ma1 锥形超声速进气道利用锥形激波（斜激波）的压缩特性实现超声速流动的减速增压，其总压损失比正激波要小很多，其特点是采用中心锥结构。 分为外压式和混合压缩式两类。 外压式锥形超声速进气道示意

16、图Ma01Ma01Ma01Ma 1Ma1Ma1Ma1Ma1离体激波锥形激波(a)设计状态激波位于进口临界 (b) 增加反压激波推出亚临界 (c) 降低反压激波吸入超临界外压式锥形超声速进气道原理 外压式锥形超声速进气道的超声速压缩全部发生在进气道外部，根据下游出口反压的大小不同，同样有临界、亚临界和超临界三种情况。 外压式锥形超声速进气道在唇口产生的正激波强度还很强，有较大的总压损失，为降低正激波强，常采用混合压缩式超声速进气道，它以超声速进入进气道，产生一系列斜激波，最后是一道正激波，使超声速气流强度逐渐降低。 锥形激波正激波Ma01斜激波Ma1abd1d2双锥超声速进气道示意图因此，锥形超声速进气道按偏转角的数量可分为：a) 单锥进气道；b) 双锥进气道；c) 多锥进气道；d) 等熵锥进气道。 进气道的能量损失主要有两种：a) 流动产生的总压损失；b) 壁面磨擦和流动分离产生的损失。 中心锥角度越多，多锥进气道的结构特点是锥体越长，壁面磨擦损失会增加，同时对攻角