基于膨胀度可控的SERN设计及试验验证

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252014V01．35No．1125-131ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn基于膨胀度可控的SERN设计及试验验证赵强，徐惊雷*，于洋南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016摘要：单边膨胀喷管(SERN)是超燃冲压发动机的关键部件，由于其几何非对称，在发动机点火／熄火瞬间，SERN会产生较大的冷热态俯仰力矩差，影响飞行器的稳定性。现有解决方法主要是利用几何／气动调节方式，

2、但都有不利影响。本文提出了基于膨胀度可控的SERN设计的新方法，将采用该方法得到的喷管模型B与基准喷管模型A进行了对比研究，并对模型B进行缩比冷流试验，试验与数值模拟结果吻合良好。研究结果表明：飞行马赫数为4．5时，模型B的推力系数比模型A仅仅下降了0．1％，而模型B比模型A的冷热态俯仰力矩差减小了80．49％；飞行马赫数为6．5时，模型B的推力系数比模型A不仅上升1．1％，同时模型B比模型A冷热态俯仰力矩差还下降12．73％，验证了设计思想的正确性，为提高SERN俯仰力矩性能提供了一种新的思路。关键词：单边膨胀喷管；俯仰力矩差；膨胀程度；风洞试验；推力系数中图

3、分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)01—0125—07对于使用超燃冲压发动机作为动力系统的高超声速飞行器，要求飞行器／推进系统一体化，即将飞行器后体作为发动机喷管膨胀面，形成单边膨胀喷管(SingleExpansionRampNozzle，SERN)Ll。2j。研究表明：SERN是冲压发动机产生推力的主要部件，在飞行马赫数为6．0时，其产生的推力占整个推进系统净推力的70％[3]。超燃冲压发动机还要求SERN在较宽的马赫数范围内均具有良好的性能，特别是良好的非设计点性能(Off-designPerformance)，因此S

4、ERN的研究已是国内外研究的热点之一[4{]。但棘手的问题是：SERN的非对称构型使其在宽马赫数范围工作时往往会产生低头／抬头力矩(PitchMo—ment)和部分升力(可正可负)，尤其在发动机点火／熄火瞬间[9]，产生较大的冷热态俯仰力矩差(PitchMomentDifference)，从而会严重影响飞行器的稳定性。同时俯仰姿态的变化会改变发动机进气道的入口条件，从而对整个动力系统的稳定工作也会造成很大的影响。因此如何在保证推力性能的前提下提高SERN的俯仰力矩性能，成为超燃冲压发动机研究中亟待解决的难题之一。目前主要利用机械和气动可调的方式来减小SERN在非

5、设计点产生的附加力矩和点火／熄火瞬间产生的冷热态俯仰力矩差[1”15]，但同时带来了很多不利影响。例如，采用机械可调方案时，机构复杂，并且可调机构长期处于高温高压燃气中，喷管的热防护、调节机构的密封和漏气损失等问题非常突出；采用气动调节方案时，二次流引气会影响发动机总体性能等；同时，两种方式引入的作动和控制机构必然会增加发动机的重量，降低可靠性。如何在保证推力性能的前提下，通过设计SERN的型线，使其自身产生的力矩和冷热态俯收稿日期：2013-03—28；退修日期：2013—06-25；录用日期：2013-08．26；网络出版时间：2013—08—2809：48

6、网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V．20130828．0948．001html基金项目：国家自然科学基金(90916023)*通讯作者．Tel：025—84892204E-mail：xujI@nuaa．educrl翻用耱武

7、ZhaoQ．XuJL．YuY．DesignandexperimentalvalidationofSERNbasedoncontrollableexpansiondegreedistribution[J]。ActaAeronauticaetAstronauticaSinica·2014，35(1)：

8、125-131赵强，徐惊雷．f洋．基f膨张度可控的SERN设计及试验验证iJ]i航空学报．2014．35(”：125-131．航空学报仰力矩差较小，从而避免采用可调喷管带来的上述问题，就很有研究价值。鉴于此，本文提出了基于膨胀度可控的SERN的设计思想，为减小SERN冷热态俯仰力矩差提供了一种新的思路，即通过控制气流在喷管不同位置的膨胀度，得到合理的压力分布，使得喷管不仅具有较好的推力性能，并且可以有效地提高喷管的俯仰力矩性能，尤其是大幅度减小了点火／熄火瞬间的冷热态俯仰力矩差；为验证此设计思想的正确性，对设计出的喷管模型进行了风洞试验验证和详细的数值模拟研究。

9、1模型和计算方法1．1喷