多工况超燃冲压发动机燃油供给系统循环方案研究

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1、多工况超燃冲压发动机燃油供给系统循环方案研究摘要超燃冲压发动机自身特点决定其燃料供给系统将有别于航空发动机和火箭发动机。由于长航时、宽速域工作需要，需要设计能够满足超燃冲压发动机启动、低速和巡航等状态的燃料供给系统。已有的工作仅限于超燃冲压发动机征程巡航状态下的燃料供给系统，而尚未覆盖其它工况。本文首先分析了超燃冲压发动机燃油供给系统的特殊性，接着介绍了已有的航空发动机、火箭发动机燃油供给系统，然后分析了超燃冲压发动机自身燃料供给系统可用能分析。在上述研究基础上，设计了满足速域、多工况的超燃冲压发

2、动机燃料供给循环，并进行了实验与计算，结果表明，所设计的供给循环能够满足超燃冲压发动机多工况燃油供给需求。关键词超燃冲压发动机；燃油供给系统循环；高温碳氢燃料；预热膨胀；预燃0引言超燃冲压发动机所用燃油通常为高热值碳氢燃料，燃料燃烧所释放的巨大热量将给发动机带来极大的热防护挑战。而超燃冲压发动机入口高马赫数来流（通常大于Ma5）所带来的气动加热效应将发动机壁面热防护困难[1]。图1a)所示为发动机入口来流为Ma6条件下的热流分布。可以看到，即使没有燃油燃烧，发动机内壁面热流亦为0.5MW/m2。而

3、有燃油注入燃烧时，壁面热流将大幅上升，凹腔部位热流将高达6MW/m2[2]。这表明超燃冲压发动机面临较重的热防护任务。对于绝热发动机来说，随着马赫数的升高，发动机壁面在将不断升高，如图1b)所示，当马赫数大于5时，壁面绝热温度将高于3000℃[3]。此温度远高于所知耐热燃料的工作温度极限，所以普通的被动式热防护技术将不能用于发动机热防护。超燃冲压发动机多采用液体火箭发动机中的再生式主动冷却技术进行发动机壁面冷却。再生式主动冷却过程即燃料进入燃烧室之前先通过冷却通道冷却发动机壁面[4]。超燃冲压发动

4、机燃料多为大分子碳氢化合物，伴随着主动冷却过程，燃料物性将发生剧烈变化，而这将影响发动机燃料供给。a)超燃冲压发动机壁面热流b)现有材料温限图1超燃冲压发动机所面临的热防护问题图2超燃冲压发动机再生式主动冷却过程[4]1超燃冲压发动机燃油供给系统特殊性分析通常来说，冲压及超燃冲压发动机在额定工况内有着较高的比冲，但其推力较小。因此，额外的重量将给发动机带来质量惩罚。所以，应尽可能的利用发动机自身可用能量进行燃油供给。冲压及超燃冲压发动机面临较大的热负荷，存在严重的热防护问题。但从热力学的角度来看，

5、热、功可以转换，而冲压及超燃冲压发动机中的热防护系统与供给系统存在热力耦合，这使得燃油供给可以以循环的方式实现。通常，亚燃冲压发动机采用空气涡轮驱动泵进行发动机燃油供给[5]，驱动涡轮的空气多由进气道或发动机外部取气获得[6]。空气涡轮泵适用于飞行Ma范围（Ma=3.5～5.5），该范围内的来流既能保证发动机燃油系统正常工作，同时其总温又不会超出涡轮材料的耐热极限。超燃冲压发动机进气道入口来流Ma一般大于6，其总温将超过1600K，已有的涡轮将不能正常工作。因此，传统的空气涡轮泵燃油供给方案将不再

6、适用。2航空航天动力系统燃油供给系统2.1火箭发动机燃油供给系统由于不存在进气系统，火箭循环工质即为其自身携带的氧化剂和推进剂，因此火箭热力循环中的压缩过程主要指涡轮泵系统对氧化剂和推进剂的增压过程。从循环角度来说，火箭推力室压力越高，那么火箭的循环效率越高。而对于火箭来说，推力室压力即为燃料供给系统出口压力，因此燃料供给系统压力将对火箭发动机推力有着较大的影响[15]。火箭发动机自带燃料和氧化剂，二者在燃烧室燃烧后通过喷管喷出，所以火箭发动机推力较大，但比冲较低。由前所述，火箭发动机为实现大推力

7、就必须实现高压燃料供给，因此涡轮泵的输出功率必须加大，膨胀循环、燃气发生循环无法满足泵功率需求，这就导致大推力火箭采用了较为复杂的燃料供给循环，比如分级燃烧循环。122.02.12.2超燃冲压发动机燃油供给系统现状从质量的角度来看，利用泵适用于超燃冲压发动机燃油供给，但电机泵方案将引起严重的质量惩罚，因此需要构造适用于超燃冲压发动机的燃油供给系统。Kanda等人借鉴了液体火箭发动机燃料供给循环，在氢燃料再生冷却超燃冲压发动机中提出了膨胀循环、分级燃烧循环、燃料抽吸循环和燃气发生器循环，并分别进行了

8、热力循环分析和性能对比[7]。其研究表明：膨胀循环和分级燃烧循环具有较高的比冲，但同时也使系统压力升高；燃料抽吸循环和燃气发生器循环比冲较低，但系统压力也相对较低。虽然该研究仅停留在概念提出的阶段，但对超燃冲压发动机燃油供给系统循环的进一步研究和应用奠定了基础。值得指出的是，上述四种方案仅仅针对液氢燃料，且只针对高马赫数、单一工况，不能满足宽速域超燃冲压发动机燃油供给需求。a)膨胀循环b)分级燃烧循环c)燃料抽吸循环d)燃气发生器循环图3新型超燃冲压发动机循环示意图哈尔滨工业大学相