CN109139295A - 超燃冲压发动机爆震稳定控制系统及其控制方法 - Google Patents

超燃冲压发动机爆震稳定控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

超燃冲压发动机爆震稳定控制系统及其控制方法，包括超燃冲压发动机、爆震波状态监测系统和壁面边界抽吸控制系统，在超燃冲压发动机上的热射流装置对超燃冲压发动机其燃烧室进行热射流喷注实现爆震其爆，与此同时爆震波状态监测系统实时检测超燃冲压发动机其燃烧室内爆震波的实时传播位置，壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，开启抽吸装置对有效抽吸区域进行壁面边界抽吸，随着爆震波的前传，爆震波的实时传播位置动态变化，壁面边界抽吸系统根据爆震波的实时传播位置的变化动态改变抽吸装置对应的有效抽吸区域，从而实现超声速爆震发动机燃烧室内爆震的可靠起爆和超声速流场中爆震稳定自持传播控制。

Description

超燃冲压发动机爆震稳定控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及超声速来流条件下爆震动态稳定传播控制技术领域，具体涉及的是一种超燃冲压发动机爆震稳定控制系统及其控制方法。
背景技术
超燃冲压发动机(Scramjet)在高马赫(Ma>5)飞行条件下性能优良，已经成为高超声速飞行器推进系统的首选方案。然而，结合当前的研究以及美国X-51A飞行试验可以得知，超燃冲压发动机验证机的加速性能并不明显，净推力偏小。因此，基于当前研究，迫切需要改善发动机推力性能。超燃冲压发动机按照布莱顿(Brayton)等压燃烧循环设计，其热力循环效率远低于近似等容循环的爆震燃烧。因而如果能够在超声速气流中实现爆震燃烧，即使是局部爆震燃烧，发动机的推力性能极有可能获得大幅提升。
超燃冲压发动机已经逐渐走向工程应用，但是基于爆震燃烧的新型超燃冲压发动机概念设计目前还没有见诸报道。利用超燃冲压发动机相对成熟的工程化经验，在燃烧室中采用爆震燃烧替换等压燃烧模式，相对于其它类型爆震发动机而言能够尽快实现基于爆震燃烧发动机。现有技术人也有人开展过超声速气流中采用热射流实现爆震起爆的实验和数值模拟研究，有助于加深对燃烧室超声速气流中爆震起爆的认识。这些基础研究中均采用一个独立供应燃料和氧化剂的热射流管进行热射流喷注与点火起爆，没有考虑具体的发动机应用实现。
目前在世界范围内开展的超声速气流中的爆震研究还很少见，一方面因为爆震研究当前主要集中于静止气中，另一方面在超声速来流条件下开展爆震起爆与自持研究难度相当大，而对于超声速来流条件下爆震的自持传播控制的研究则更少。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种超燃冲压发动机爆震稳定控制系统及其控制方法。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，包括超燃冲压发动机、爆震波状态监测系统和壁面边界抽吸控制系统，在超燃冲压发动机上设有能够对超燃冲压发动机其燃烧室进行壁面边界抽吸抽吸装置以及能够对超燃冲压发动机其燃烧室进行热射流喷注实现爆震其爆的热射流装置；其中抽吸装置与壁面边界抽吸控制系统连接并由其控制；热射流装置其热射流喷注孔开设在燃烧室的下壁面；
热射流装置喷入热射流，在超冲压发动机燃烧室内的超声速气流中实现爆震起爆，与此同时爆震波状态监测系统实时检测超燃冲压发动机其燃烧室内爆震波的实时传播位置，并将爆震波的实时传播位置传输给壁面边界抽吸控制系统；壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，开启抽吸装置对有效抽吸区域进行壁面边界抽吸，随着爆震波的前传，爆震波的实时传播位置动态变化，壁面边界抽吸系统根据爆震波的实时传播位置的变化动态改变抽吸装置对应的有效抽吸区域；
热射流装置喷出的热射流喷入到进入燃烧室的超声速预混来流中，首先诱导形成弓形激波，随着弓形激波的逐渐增强，同燃烧室的上壁面发生碰撞形成马赫反射，最终实现爆震起爆。采用热射流装置喷出的热射流进行超声速气流中的爆震其爆时，可以根据超声速来流速度的大小，确定抽吸装置抽吸的强度。抽吸装置抽吸燃烧室内有效抽吸区域中的边界层低速区域的气流，抑制了起爆爆震波和边界层相互作用发生燃烧波前传，消除了边界层对爆震波的起爆的影响，使得爆震波能够在燃烧室中实现动态稳定传播。
本发明中：所述热射流装置为热射流管，热射流管的氧化剂为空气。在超冲压发动机的进气道的上游壁面上开设供空气进入的进气孔(图中未示出)，进气孔通过进气通道连接至热射流管，为热射流管提供空气作为氧化剂；热射流管的燃烧剂采用可燃气，比如氢气。氧化剂和燃烧剂在热射流管内进行混合后的预混气经火花塞点火燃烧形成高温高压产物，通过热射流管出口端的一个收缩通道后从热射流喷注孔高速喷出形成热射流。热射流管通过一个阀门控制，实现喷注时打开和停止喷注时的关闭。本发明采用的热射流管示意图如图2所示。为了加快湍流热射流的形成，在热射流管中加入扰流丝能够促进管内的火焰加速过程，一定程度上能够增强热射流的强度。
抽吸装置包括抽吸孔、抽吸泵、控制各抽吸孔开关的电子阀门以及连通在抽吸孔与抽吸泵之间的管路。在超燃冲压发动机其燃烧室的上、下侧壁面上均顺着燃烧室的长度方向等间距开设有多个抽吸孔，抽吸孔联通燃烧室壁内的管路且通过管路与抽吸泵连接；各抽吸孔联通的管道上均设有电子阀门，各抽吸孔通过电子阀门实现独立的开关控制；各电子阀门以及抽吸泵均与壁面边界抽吸控制系统连接。抽吸泵的抽吸强度由壁面边界抽吸控制系统控制，可以根据超声速来流速度的大小，确定抽吸泵抽吸的强度。壁面边界抽吸控制系统通过控制各电子阀门的开关进而实现各抽吸孔开关的控制。
在超燃冲压发动机其燃烧室的一侧壁面上顺着燃烧室的长度方向等间距安装有多个压力传感器，各压力传感器与爆震波状态监测系统连接，各压力传感器将监测到的压力信号实时传输给爆震波状态监测系统，爆震波状态监测系统根据各压力传感器检测到的压力信号判断爆震波的实时传播位置。
爆震波为一道强激波，爆震波通过燃烧室某处壁面时会引起该壁面压力突然跃升，因而通过压力传感器实时测量壁面压力，当检测到壁面突然跃升的压力传感器的所在位置即爆震波当前的传播位置，以此规律即可判断爆震波的实时传播位置。
根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域的方法如下：当前有效抽吸区域为爆震波的实时传播位置后的一段长度与燃烧室的高度相等的燃烧室区域，开启当前有效抽吸区域内的抽吸装置对当前有效抽吸区域进行壁面边界抽吸。
本发明超燃冲压发动机其燃烧室为截面为正方形的燃烧室。在等直燃烧室中，通过热射流装置喷入热射流实现爆震起爆。此后，当爆震波传播处于过驱状态时，壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，当前有效抽吸区域为爆震波的实时传播位置后的一段长度与燃烧室的高度相等的燃烧室区域。开启当前有效抽吸区域内的抽吸装置在有效抽吸区域内进行壁面边界抽吸，抑制爆震爆震过驱前传；当爆震传播处于衰减状态时，采用热射流装置喷注热射流，抑制爆震衰减。最终，在射流喷注和边界抽吸的共同作用下，使得爆震波能够在超声速气流中实现动态稳定传播。本发明主要用于基于超声速来流中的爆震发动机，实现高效稳定燃烧。通过边界抽吸和射流喷注的组合作用，本发明既能实现爆震热射流起爆，同时能够实现爆震波动态自持发展，对超声速来流中爆震发动机的燃烧控制尤为重要。
一般情况下，有效抽吸区域长度可以给定为燃烧室的高度。本发明实时监测爆震波的传播位置，根据该位置确定当前的有效抽吸区域，每次抽吸时仅开启当前的有效抽吸区域内的抽吸孔进行边界抽吸，实现边界抽吸的灵活控制和高效抽吸。当爆震波前传处于过驱状态时，开启有效抽吸区域内的抽吸孔。随着爆震波的前传，有效抽吸区域也处于动态变化中。壁面边界抽吸系统根据有效抽吸区域的变化动态控制抽吸孔的开关，从而实现壁面高效抽吸。
本发明中爆震波传播速度为超声速(1000-2000m/s)，在超声速来流条件下，相对于燃烧室坐标系统而言，其相对传播速度约在0-500m/s之间。因此想要实时监测爆震波的传播状态，对于压力传感器而言需要相对较高的反应灵敏度，这样才能有效实现爆震波状态反馈，进行相对精确的调节控制。
本发明基于前面提供的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，提供一种超燃冲压发动机爆震稳定控制方法，启动热射流装置，热射流装置喷出的热射流喷入到进入燃烧室的超声速预混来流中，实现爆震起爆，与此同时爆震波状态监测系统实时检测超燃冲压发动机其燃烧室内爆震波的实时传播位置，并将爆震波的实时传播位置传输给壁面边界抽吸控制系统，壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，当爆震波前传处于过驱状态时，开启抽吸装置对有效抽吸区域进行壁面边界抽吸，随着爆震波的前传，爆震波的实时传播位置动态变化，壁面边界抽吸系统根据爆震波的实时传播位置的变化动态改变抽吸装置对应的有效抽吸区域，抑制爆震爆震过驱前传；当爆震传播处于衰减状态时，采用热射流装置喷注热射流，抑制爆震波衰减；最终，在热射流喷注和壁面边界抽吸的共同作用下，使得爆震波能够在超声速气流中实现动态稳定传播。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
本发明借助于热射流与边界抽吸的作用，一方面既能采用热射流实现超声速气流中爆震起爆，同时结合射流喷注和边界抽吸的共同控制作用，实现超声速气流中爆震自持传播的动态稳定控制，从而能够稳定应用于爆震发动机中。
在超声速流场中采用热射流起爆可以实现灵活控制，通过热射流的阀门的开关可以实现对热射流的控制。通过一组压力传感器实时检测爆震波的传播位置，并根据传播位置确定当前的有效抽吸区域，边界抽吸也可以实现灵活控制，从而实现控制爆震动态稳定传播的功能。
热射流起爆、爆震波实时检测、边界抽吸控制三种设置的有机组合，为超声速爆震发动机燃烧室内爆震的可靠起爆和稳定自持控制提供了一种新型方案。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明采用的热射流管的结构示意图。
附图标记：
1、压力传感器；
2、抽吸孔；
3、热射流；
4、氧化剂；
5、可燃气；
6、火花塞。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。
超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，包括超燃冲压发动机、爆震波状态监测系统和壁面边界抽吸控制系统。
在超燃冲压发动机其燃烧室的一侧壁面上顺着燃烧室的长度方向等间距安装有多个压力传感器1，各压力传感器1与爆震波状态监测系统连接，各压力传感器1将监测到的压力信号实时传输给爆震波状态监测系统，爆震波状态监测系统根据各压力传感器检测到的压力信号判断爆震波的实时传播位置。爆震波为一道强激波，爆震波通过燃烧室某处壁面时会引起该壁面压力突然跃升，因而通过压力传感器实时测量壁面压力，当检测到壁面突然跃升的压力传感器的所在位置即爆震波当前的传播位置，以此规律即可判断爆震波的实时传播位置。
在超燃冲压发动机上设有能够对超燃冲压发动机其燃烧室进行壁面边界抽吸抽吸装置。具体地，抽吸装置包括抽吸孔、抽吸泵、控制各抽吸孔开关的电子阀门以及连通在抽吸孔与抽吸泵之间的管路。在超燃冲压发动机其燃烧室的上、下侧壁面上均顺着燃烧室的长度方向等间距开设有多个抽吸孔2，抽吸孔2联通燃烧室壁内的管路且通过管路与抽吸泵连接。各抽吸孔2联通的管道上均设有电子阀门，各抽吸孔通过电子阀门实现独立的开关控制。各电子阀门以及抽吸泵均与壁面边界抽吸控制系统连接。抽吸泵的抽吸强度由壁面边界抽吸控制系统控制；壁面边界抽吸控制系统通过控制各电子阀门的开关进而实现各抽吸孔开关的控制。
在超燃冲压发动机上设有能够对超燃冲压发动机其燃烧室进行热射流喷注实现爆震其爆的热射流装置。热射流装置其热射流喷注孔开设在燃烧室的下壁面。参照图2，热射流装置为热射流管，热射流管的氧化剂4为空气，热射流管的燃烧剂采用可燃气5，如氢气。可在超冲压发动机的进气道的上游壁面上开设供空气进入的进气孔，进气孔通过进气通道连接至热射流管，为热射流管提供空气作为氧化剂。氧化剂4和燃烧剂5在热射流管内进行混合后的预混气经火花塞6点火燃烧形成高温高压产物，通过热射流管出口端的一个收缩通道后从燃烧室的下壁面开设的热射流喷注孔高速喷出形成热射流3。热射流3喷入到进入燃烧室的超声速预混来流中，首先诱导形成弓形激波，随着弓形激波的逐渐增强，同燃烧室的上壁面发生碰撞形成马赫反射，最终实现爆震起爆。
热射流装置喷入热射流，在超冲压发动机燃烧室内的超声速气流中实现爆震起爆，与此同时爆震波状态监测系统实时检测超燃冲压发动机其燃烧室内爆震波的实时传播位置，并将爆震波的实时传播位置传输给壁面边界抽吸控制系统，壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，当爆震波前传处于过驱状态时，开启抽吸装置对有效抽吸区域进行壁面边界抽吸，随着爆震波的前传，爆震波的实时传播位置动态变化，壁面边界抽吸系统根据爆震波的实时传播位置的变化动态改变抽吸装置对应的有效抽吸区域，抑制爆震爆震过驱前传。当爆震波传播处于衰减状态时，采用热射流装置喷注热射流，抑制爆震波衰减；最终，在热射流喷注和壁面边界抽吸的共同作用下，使得爆震波能够在超声速气流中实现动态稳定传播。在燃烧室内预设爆震波过驱界点以及衰减界点，并在过驱界点以及衰减界点位置对应的壁面处设置压力传感器，通过各压力传感器检测到的壁面压力信息，爆震波状态监测系统检测到爆震波的实时传播位置处于过驱界点时，则爆震波前传处于过驱状态。爆震波状态监测系统检测到爆震波的实时传播位置处于衰减界点时，则爆震波前传处于衰减状态。
一般情况下，有效抽吸区域长度可以给定为燃烧室的高度。本发明实时监测爆震波的传播位置，根据该位置确定当前的有效抽吸区域，每次抽吸时仅开启当前的有效抽吸区域内的抽吸孔进行边界抽吸，实现边界抽吸的灵活控制和高效抽吸。当爆震波前传处于过驱状态时，开启有效抽吸区域内的抽吸孔。随着爆震波的前传，有效抽吸区域也处于动态变化中。壁面边界抽吸系统根据有效抽吸区域的变化动态控制抽吸孔的开关，从而实现壁面高效抽吸。
本发明中爆震波传播速度为超声速(1000-2000m/s)，在超声速来流条件下，相对于燃烧室坐标系统而言，其相对传播速度约在0-500m/s之间。因此想要实时监测爆震波的传播状态，对于压力传感器而言需要相对较高的反应灵敏度，这样才能有效实现爆震波状态反馈，进行相对精确的调节控制。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，其特征在于：包括超燃冲压发动机、爆震波状态监测系统和壁面边界抽吸控制系统，在超燃冲压发动机上设有能够对超燃冲压发动机其燃烧室进行壁面边界抽吸的抽吸装置以及能够对超燃冲压发动机其燃烧室进行热射流喷注实现爆震其爆的热射流装置；其中抽吸装置与壁面边界抽吸控制系统连接并由其控制；热射流装置其热射流喷注孔开设在燃烧室的下壁面；
热射流装置喷入热射流，在超冲压发动机燃烧室内的超声速气流中实现爆震起爆，与此同时爆震波状态监测系统实时检测超燃冲压发动机其燃烧室内爆震波的实时传播位置，并将爆震波的实时传播位置传输给壁面边界抽吸控制系统，壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，开启抽吸装置对当前有效抽吸区域进行壁面边界抽吸，随着爆震波的前传，爆震波的实时传播位置动态变化，壁面边界抽吸系统根据爆震波的实时传播位置的变化动态改变抽吸装置对应的有效抽吸区域。
2.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，其特征在于：所述热射流装置为热射流管，热射流管的氧化剂为空气，热射流管的燃烧剂采用可燃气。
3.根据权利要求2所述的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，其特征在于：在超冲压发动机的进气道的上游壁面上开设供空气进入的进气孔，进气孔通过进气通道连接至热射流管，为热射流管提供空气作为氧化剂。
4.根据权利要求2所述的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，其特征在于：氧化剂和燃烧剂在热射流管内进行混合后的预混气经火花塞点火燃烧形成高温高压产物，通过热射流管出口端的一个收缩通道后从热射流喷注孔高速喷出形成热射流。
5.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，其特征在于：抽吸装置包括抽吸孔、抽吸泵、控制各抽吸孔开关的电子阀门以及连通在抽吸孔与抽吸泵之间的管路；在超燃冲压发动机其燃烧室的上、下侧壁面上均顺着燃烧室的长度方向等间距开设有多个抽吸孔，抽吸孔联通燃烧室壁内的管路且通过管路与抽吸泵连接；各抽吸孔联通的管道上均设有电子阀门，各抽吸孔通过电子阀门实现独立的开关控制；各电子阀门以及抽吸泵均与壁面边界抽吸控制系统连接；抽吸泵的抽吸强度由壁面边界抽吸控制系统控制；壁面边界抽吸控制系统通过控制各电子阀门的开关进而实现各抽吸孔开关的控制。
6.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，其特征在于：在超燃冲压发动机其燃烧室的一侧壁面上顺着燃烧室的长度方向等间距安装有多个压力传感器，各压力传感器与爆震波状态监测系统连接，各压力传感器将监测到的压力信号实时传输给爆震波状态监测系统，爆震波状态监测系统根据各压力传感器检测到的压力信号判断爆震波的实时传播位置。
7.根据权利要求6所述的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，其特征在于：爆震波状态监测系统根据各压力传感器检测到的压力信号判断爆震波的实时传播位置的方法是：爆震波为一道强激波，爆震波通过燃烧室某处壁面时会引起该壁面压力突然跃升，因而通过压力传感器实时测量壁面压力，当检测到壁面突然跃升的压力传感器的所在位置即爆震波当前的传播位置，以此规律即可判断爆震波的实时传播位置。
8.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，其特征在于：根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域的方法如下：
当前有效抽吸区域为爆震波的实时传播位置后的一段长度与燃烧室的高度相等的燃烧室区域，开启当前有效抽吸区域内的抽吸装置对当前有效抽吸区域进行壁面边界抽吸。
9.一种超燃冲压发动机爆震稳定控制方法，其特征在于，基于权利要求1至8中任一权利要求所述的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，首先启动热射流装置，热射流装置喷出的热射流喷入到进入燃烧室的超声速预混来流中，实现爆震起爆，与此同时爆震波状态监测系统实时检测超燃冲压发动机其燃烧室内爆震波的实时传播位置，并将爆震波的实时传播位置传输给壁面边界抽吸控制系统，壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，当前有效抽吸区域为爆震波的实时传播位置后的一段长度与燃烧室的高度相等的燃烧室区域；当爆震波前传处于过驱状态时，开启当前有效抽吸区域内的抽吸装置在有效抽吸区域内进行壁面边界抽吸，随着爆震波的前传，爆震波的实时传播位置动态变化，壁面边界抽吸系统根据爆震波的实时传播位置的变化动态改变抽吸装置对应的有效抽吸区域，抑制爆震爆震过驱前传；当爆震传播处于衰减状态时，采用热射流装置喷注热射流，抑制爆震波衰减；最终，在热射流喷注和壁面边界抽吸的共同作用下，使得爆震波能够在超声速气流中实现动态稳定传播。
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