高超声速吸气发动机燃气模拟装置

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1、高超声速吸气发动机燃气模拟装置陈宏，李进平，单希壮，董志成，吴松，俞鸿儒（中国科学院力学研究所，北京市北四环西路15号100190）摘要：本文阐述了用于提高冲压发动机在高马赫数飞行条件下的推力，而发展的简单可靠的催化复合效应实验研究所需要高温燃气的产生方法；进行了理论分析与数值计算；成功研制了一座能产生高温空气与气态燃料燃烧产物的高温燃气激波风洞实验装置，并得到了压力为20大气压，温度为3200K，定常实验时间约为17ms且状态参数稳定的实验结果。关键词:爆轰驱动；激波管；冲压发动机；催化复合0．引言依据燃烧室中气流流速是亚声速和超声速，冲压发动机分为两种类型：亚燃和超燃

2、冲压发动机。两者的原始概念都是法国人Rene’Lorin于1913年同时提出的[1]。亚燃冲压发动机进展顺利，1949年出现了标志性事件，首次实现了以这种发动机为动力的飞行。当飞行器爬升到7.9km时，飞行马赫数达到0.84[2]。但是亚燃冲压发动机的推力，当飞行马赫数超过4以后便随着马赫数增加而急剧下降。因此难以满足高超声速飞行器推进需求。这种推力特性是由于高马赫数气流减速为亚声速时，气流温度升得很高，致使喷入的燃料与高温空气发生化学反应释放出的热能的相当部分转化为燃气的离解能。这些离解能在长度受限的尾喷管中难以复合形成推力[3]。中国科学院交叉学科项目和国家自然科学基

3、金资助项目（90605006，10621202）超燃冲压发动机将高超声速气流降为较低马赫数的超声速流，因而气流升温小得多。上述亚燃冲压发动机推力特性的缺陷便被缓解，具有成为高超声速推进发动机的前景。从上世纪五十年代开始，世界上各发达国家都很重视并开展这项研究工作。1960年前后中科院力学所钱学森所长曾安排吴仲华先生开展这项研究。虽然因当时条件限制而未能坚持下去，但可看出我国也很重视这项工作。迄今已过去半个世纪，虽然已投入巨额经费，开展了大量工作，但是难度大大超出人们当时的预料。到目前为止，无论国外还是国内，超燃冲压发动机离实用要求仍有一定距离，还需要刻苦攻关。俞鸿儒首次提

4、出[4]采用新的途径去克服亚燃冲压发动机在高马赫数飞行条件下推力急剧下降的缺陷。即在不改变亚燃冲压发动机燃烧室内气流流动状态下，对燃气中的离解生成物进行催化，促使其在尾喷管中快速复合对外做功。从而增大亚燃冲压发动机在高马赫数范围的推力，使其具有满足高超声速飞行器推进要求的能力。对于超燃冲压发动机，在更高马赫数飞行条件下，也会出现同样的现象。本项研究如获得成功，对超燃冲压发动机性能改善也有作用。为满足判断催化复合提高发动机推力的设想是否正确，初步确定催化剂有效性，观察增大推力的潜力等要求，需要通过实验进行验证。基本思路如下：在不改变其燃烧室内流动状态和燃烧方式条件下，增加催

5、化措施，使燃气中离解生成物在喷管流动过程中温度逐步下降时迅速复合，增大发动机推力。本文探讨并建成一座简易实验设备，采用力学所独创的双爆轰驱动段技术[5-6]，直接产生了热力学参数和组分满足要求的实验燃气。0．实验原理与数值分析1.1实验方案与原理为了实验研究吸气式冲压发动机尾喷管的推力，需要在尾喷管的入口产生热力学参数和组分及实验时间符合要求的高温燃气。通常可采用如下几种方案（如图1所示）：1)空气加氢补氧燃烧方案，优点是实验时间比较长，但产生的燃气组分不符合催化实验要求，因此不适用于本项目的研究；2)激波管加热空气方案可以产生很高温度的洁净空气，但实验时间极短很难再与燃

6、料均匀混合并充分燃烧，需要新建一座大型的专用风洞来延长实验时间，建这种风洞不仅耗资太多，而且还存在一些关键难点有待突破；3)爆轰驱动方案：将常温空气和燃料按照实际比例预先充分混合，然后用爆轰的方式充分燃烧产生热力学参数和组分满足要求的实验燃气。图1几种高温燃气产生方案图2双爆轰驱动产生高温燃气实验原理为了使该燃气具有很高的温度（大于3000K）和较长的定常时间，需要在激波管内采用双爆轰驱动方式，其工作原理见图2所示。在驱动段主膜片附近点火后产生一个较强的爆轰波向上游传播，驱动段中的气体经过爆轰波和紧随的Taylor稀疏波产生足够高的温度和压力，使被驱动段中的混合气体直接起

7、始爆轰，并产生没有Taylor稀疏波的CJ爆轰波或过爆轰波并在端末形成符合缝合条件的反射激波，从而在P5区形成所要求高温燃气。通过调节驱动段中的混合气体组分和驱动段与被驱动段初始压力之比，来改变P5区燃气温度和压力，并保持缝合条件以尽可可能的延长实验时间。卸爆段是用来缓解驱动段爆轰波产生的超强压力及反射波对实验气体的不利影响。为了慎重起见，在确定实验方案之前我们首先进行了理论分析与数值计算。1.2控制方程与数值计算方法气相爆轰实验观察结果表明：沿爆轰波阵面传播的一系列横向波相互作用，形成的爆轰波结构非常复杂，然而由于爆轰周期性