《【2017年整理】新概念宇航推进技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】新概念宇航推进技术（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、新概念宇航推进技术TBCC到目前为止，对于飞行包线范围非常宽（高度 040km 或更高、飞行 M 数从亚声、跨声、超声速扩展到高超声速）的高超声速飞行器来说，还没有一种吸气式发动机能独立完成推进任务，因此国外提出了利用两种以上的发动机组合起来作为高超声速推进动力的构想，国外研究较多的高超声速飞行器组合动力包括火箭基组合循环（RBCC）动力装置和涡轮基组合循环（TBCC ）动力装置两种类型。涡轮组合发动机（TBCC）适用于 M 数 58 的高超声速飞行器，以 TBCC 为动力的飞行器可与普通的飞机一样工作，可重复使用（大于 1000 次任务，每年可飞行 100 次） ，用途多样，有灵活的发射和着
2、陆地点，耐久性高，单位推力大，能采用普通的燃料和润滑剂、成本低，并有很低的运行成本和很好的安全性，是未来很有前途的高超声速动力概念之一。目前世界上对TBCC发动机开展研究比较深入的国家主要是美国和日本。尤其是日本, 在TBCC发动机领域的研究成果显著。日本从1989年开始实施超声速/高超声速运输推进系统（HYPR）计划，目的是为发展飞行速度M5的超声速/高超声速运输（ SST/HST）飞机的推进系统奠定技术基础。该计划证明了一种组合循环发动机（CCE）用于SST/HST的可行性。该CCE是一种变循环的涡扇发动机（VCE）和采用甲烷燃料的冲压发动机的组合。目前，日本已经发展并运转了世界首台组合循
3、环发动机。该计划为期10年，到1999年3月已经结束。HYPR 的工作过程是，在起飞和着陆状态，VCE的涵道比增加，以减少喷气噪声，在M数3以下巡航时，VCE的涵道比减少，发动机单位推力更高，以优化燃油消耗。在M3以上高超声速巡航时，冲压发动机工作。在美国的ASTP计划中, 从2001 年开始,NASA与GE等公司签订合同, 开发革新的涡轮加速器( RTA )； 同时与波音公司签订合同, 开发以RTA发动机为动力的空间飞行器。RTA发动机研制工作分成两个阶段: 第一阶段主要是在YF120发动机的基础上研制。 。第二阶段采用VAATE和UEET计划中为高速飞行研发的新技术, 计划在2015年发动
4、机推重比达到15以上, 工作马赫数达到5以上, 部件寿命是J58 发动机的4倍, 维修工作量大大减小, 可靠性达到现代民航飞机用发动机的水平。由于TBCC发动机是涡轮喷气发动机和冲压发动机串连或并联组合而成, 因此, 两种发动机及其部件进行一体化设计和优化是关键技术之一。在飞行Ma = 3 -5范围内、能自行起飞的飞行器的动力系统, TBCC 发动机是最佳选择，目前已受到各航空大国的重视, 先后开展了相关的技术研究, 取得了大量成果。鉴于TBCC 发动机的技术优势, 其作为中、远程超声速巡航导弹的动力系统在相当一段时期内应是理想方案。相信新型的、适合高速飞行的TBCC 发动机会有良好的前景。脉
5、冲爆震发动机脉冲爆震发动机( Pulse Detonat ion Engine, 简称PDE ) 是一种利用周期性爆震波发出的冲量来产生推力的非稳态推进装置。爆震波可以近似地 认为由超声速激波和与其紧密耦合的薄火焰或反应区组成。由于爆震波能产生极高的燃气压力( 大于15 至55 个大气压) 、燃气温度 ( 大于2 800 K)和极快的传播速度( 马赫数大于4) , 它对推进系统有很大的吸引力。通过提高爆震频率能使脉冲推力接近准稳态推力。快的能量转换速率或高的燃烧速率使燃烧产物没有足够时间膨胀。因此,爆震过程在热力学上比普通的以爆燃为基础的推进系统的等压燃烧更接近等容循环。接近等容的燃烧过程之所
6、以有较高的热力学效率, 归因于工质的熵增低。由于爆震波能产生高的压比, 可以消除对笨重昂贵的高压供给系统的需要, 从而降低推进系统的质量、复杂性、成本及封装体积。使用自由来流或机载氧化剂, 能分别以吸气式发动机或火箭发动机PDRE ( Pulse Detonat ionRocket Engine ) 方式工作。此外, 脉冲爆震发动机还可在宽广的飞行马赫数下工作。目前, 美国的政府研究机构、大学和公司有众多的脉冲爆震发动机研究计划, 美国空军研究实验室在采用碳氢燃料的吸气式脉冲爆震发动机和脉冲爆震火箭发动机方面做了大量的工作。2004年, 研究人员使用一种自己设计制造的超临界燃料喷射系统实现了J
7、P-8燃料空气中的爆震, 该喷射系统不但结构简单,而且喷出的燃料不会积碳。2004年秋天, 又成功完成了世界上第一架以脉冲爆震发动机为动力的有人驾驶飞机的地面声学和振动试验。俄罗斯中央航空发动机研究院( CIAM) 打算把脉冲爆震发动机用作航空航天组合动力装置和脉冲引射器。莫斯科大学( LMSU) 和俄罗斯科学院高温研究所( IVTAN) 参加了MURI 计划。法国FALEMPIN 公司的AEROSPATIALEMATRA 导弹部正在发展推力为490 980 N 的以脉冲爆震发动机为动力装置的战术导弹。采用脉冲爆震技术的推进系统大致可分成三类: 第一类为纯脉冲爆震发动机, 由一排爆震管、一个进
8、气道和一个尾喷管组成的最简单的系统。第二类为组合循环脉冲爆震发动机系统,把脉冲爆震发动机与冲压发动机/超燃冲压发动机的流路或其它推进循环组合在一起, 每一循环在不同飞行速度范围内工作,以优化整个系统性能。第三类为混合脉冲爆震发动机, 通常是把脉冲爆震发动机与叶片机进行某种组合, 用爆震燃烧代替定压燃烧。脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机。它具有热循环效率高、推重比大、单位燃料消耗率低、工作范围宽、结构简单、质量轻等优点, 有重要的军事应用前景, 是本世纪最有发展前途的动力装置之一。超 燃 冲 压 发 动 机超 燃 冲 压 发 动 机 是 指 燃 料 在 超 声 速 气
9、流 中 进 行 燃 烧 的 冲 压 发 动 机 。 在 采 用 碳 氢 燃料 时 ， 超 燃 冲 压 发 动 机 的 飞 行 M数 在 8以 下 ， 当 使 用 液 氢 燃 料 时 ， 其 飞 行 M数 可 达 到625。 超 声 速 或 高 超 声 速 气 流 在 进 气 道 扩 压 到 位 置 4的 较 低 超 声 速 ， 然 后 燃 料 从 壁 面和 /或 气 流 中 的 突 出 物 喷 入 ， 在 超 声 速 燃 烧 室 中 与 空 气 混 合 并 燃 烧 ， 最 后 ， 燃 烧 后 的气 体 经 扩 张 型 的 喷 管 排 出 。 高 超 声 速 飞 行 器 （ 飞 行 M数 超 过
10、 声 速 5倍 的 有 翼 和 无 翼 飞行 器 ） 是 未 来 军 民 用 航 空 器 的 战 略 发 展 方 向 ， 被 称 为 继 螺 旋 桨 、 涡 轮 喷 气 推 进 飞 行 器 之后 航 空 史 上 的 第 三 次 革 命 。 超 燃 冲 压 发 动 机 是 实 现 高 超 声 速 飞 行 器 的 首 要 关 键 技 术 ， 是目 前 世 界 各 国 竞 相 发 展 的 热 点 领 域 之 一 。目 前 ， 国 外 发 展 较 多 的 超 燃 冲 压 发 动 机 包 括 亚 燃 /超 燃 双 模 态 冲 压 发 动 机 和 亚 燃 /超 燃 双 燃 烧 室 冲 压 发 动 机 。
11、亚 燃 /超 燃 双 模 态 冲 压 发 动 机 是 指 发 动 机 可 以 亚 燃 和 超 燃 冲压 两 种 模 式 工 作 的 发 动 机 。 当 发 动 机 飞 行 M数 大 于 6时 ， 实 现 超 音 速 燃 烧 ， 当 马 赫 数低 于 6时 。 实 现 亚 音 速 燃 烧 。 目 前 ， 美 国 、 俄 罗 斯 都 研 究 了 这 种 类 型 的 发 动 机 ，NASA正 在 进 行 飞 行 试 验 的 就 是 这 种 类 型 的 发 动 机 。俄罗斯在超燃冲压发动机研究领域处于领先地位，有几家研究所几十年来不间断地进行超燃冲压发动机研究，典型代表是俄罗斯中央航空发动机研究所。俄
12、罗斯在1991年成功进行了首次飞行试验，验证了亚声速和超声速两种模态。1998年2月进行了Ma=65的飞行试验，非常成功，在Ma=3565间实现了亚音速到超音速燃烧，即实现了双模态燃烧转换。该发动机进气道为轴对称通气道，使用燃料为LH2。俄罗斯目前还在进行碳氢系燃料的开发工作。美国从1964年开始进行超燃冲压发动机研究。近年来，不断加大投入，制定了新世纪的高超声速战略，技术路线由空军、NASA、海军、陆军和DARPA协调。超 燃 冲 压 发 动 机 具 有 结 构 简 单 、 重 量 轻 、 成 本 低 、 比 冲 （ 单 位 质 量 流 量 推 进 剂 产 生的 推 力 ） 高 和 速 度
13、快 的 优 点 。 与 火 箭 发 动 机 相 比 ， 超 燃 冲 压 发 动 机 无 需 携 带 氧 化 剂 。 因 此 ， 有 效 载 荷 更 大 ， 适 用 于 高 超 声 速 巡 航 导 弹 、 高 超 声 速 航 空 器 、 跨 大 气 层 飞 行 器 、可 重 复 使 用 的 空 间 发 射 器 和 单 级 入 轨 空 天 飞 机 的 动 力 。 由 于 有 重 要 的 军 事 和 航 空 航 天 应用 前 景 ， 超 燃 冲 压 发 动 机 备 受 世 界 各 国 重 视 。 鉴 于 超 然 冲 压 发 动 机 的 重 要 性 ， 我 国 在发 展 研 究 的 过 程 中 ， 应认真总结美国、俄罗斯等国家发展高超声速发动机事业的经验、教训，结合我国国情集中全国优势力量和资源，重点选择有丰富研制经验的单位，投入足够资金，开展高超声速发动机技术研究。
