CN109441662A - 基于边界抽吸的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统 - Google Patents

基于边界抽吸的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统 Download PDF

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Abstract

一种基于边界抽吸的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内设置抽吸装置，抽吸装置与壁面边界抽吸控制系统连接并由其控制；爆震波状态监测系统实时检测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。本发明能够同步实现爆震波的动态稳定与高效燃烧。

Description

基于边界抽吸的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统
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，具体涉及的是一种基于边界抽吸的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统。
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。现有技术中，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。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于边界抽吸的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统。本发明针对超声速爆震动态稳定抽吸控制系统进行优化，设置超声速爆震波状态监测系统，获取有效抽吸边界范围，然后采用壁面边界抽吸控制系统进行抽吸控制，从而同步实现爆震波的动态稳定与高效燃烧。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
基于边界抽吸的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的抽吸装置，抽吸装置与壁面边界抽吸控制系统连接并由其控制；爆震波状态监测系统实时检测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，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。
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。
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。
本发明中，燃烧室为方形燃烧室，有效抽吸区域长度可以给定为燃烧室的高度。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。
超燃冲压发动机在爆震起爆时，爆震波状态监测系统实时检测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并同时开启抽吸泵，打开当前有效抽吸区域并内各抽吸孔对应的电子阀门，通过在当前有效抽吸区域内的抽吸孔抽吸燃烧室内边界层低速区域的气流，抑制了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。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
本发明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，能够在超燃冲压发动机的燃烧中实现爆震波的动态驻定和燃烧室高效燃烧，提升发动机推力性能。
本发明采用抽吸边界优化方案，既可以实现超声速气流中爆震动态稳定自持控制，同时也节省了抽吸流量，有效提升了燃烧室燃烧效率，从而提升发动机推力性能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
附图标记：
1、压力传感器；
2、抽吸孔；
3、有效抽吸区域。
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。
基于边界抽吸的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，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。如在实际应用中，上壁面的抽吸孔连通在一起，下壁面的抽吸孔也连通在一起，然后一起连接到飞行器上的抽吸泵，进行同步控制，保证抽吸的可靠进行。
各抽吸孔2联通的管道上均设有电子阀门，各抽吸孔2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连控制。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.
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，并将爆震波的实时传播位置信息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3，当前有效抽吸区域3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。开启抽吸泵以及当前有效抽吸区域3内的各抽吸孔2的电子阀门，在有效抽吸区域3内进行壁面边界抽吸。随着爆震波的前传，爆震波的传播位置动态变化，相应的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，打开对应的有效抽吸区域中各抽吸孔对应的电子阀门，关闭其他区域中各抽吸孔对应的电子阀门，从而实现壁面高效抽吸。
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。
本实施例中燃烧室为方形燃烧室，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。
超燃冲压发动机在爆震起爆时，爆震波状态监测系统实时检测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并同时开启抽吸泵，打开当前有效抽吸区域并内各抽吸孔对应的电子阀门，通过在当前有效抽吸区域内的抽吸孔抽吸燃烧室内边界层低速区域的气流，抑制了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。
本发明涉及超声速气流中爆震波自持传播，基于采用边界抽吸方法进行超声速爆震动态稳定控制的理论，为了有效实现超声速气流中爆震的稳定自持，提出一种实现超声速气流中边界抽吸的具体方法，为实现超声速爆震发动机中动态稳定爆震燃烧提供一种可行有效的设计方案。
在壁面抽吸的等直管道燃烧室中，采用热射流诱导爆震起爆，超声速来流中爆震波过驱传播，边界抽吸加速波后产物膨胀，降低波后反压，爆震波过驱度降低最终实现动态稳定自持传播。本发明采用一套控制系统对边界层抽吸进行动态控制，从而能够在有效进行爆震动态抽吸控制的前提下，实现抽吸流量的优化，从而有效避免了抽吸流量的浪费，提高了燃烧效率，对于实现超声速气流中爆震的高效燃烧尤为重要。
本发明涉及超声速气流中爆震波自持传播，基于采用边界抽吸方法进行超声速爆震动态稳定控制的理论，为了有效实现超声速气流中爆震的稳定自持，提出一种实现超声速气流中边界抽吸的具体方法，为实现超声速爆震发动机中动态稳定爆震燃烧提供一种可行有效的设计方案。
在壁面抽吸的等直管道燃烧室中，采用热射流诱导爆震起爆，超声速来流中爆震波过驱传播，边界抽吸加速波后产物膨胀，降低波后反压，爆震波过驱度降低最终实现动态稳定自持传播。本发明采用一套控制系统对边界层抽吸进行动态控制，从而能够在有效进行爆震动态抽吸控制的前提下，实现抽吸流量的优化，从而有效避免了抽吸流量的浪费，提高了燃烧效率，对于实现超声速气流中爆震的高效燃烧尤为重要。
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 (5)

1.基于边界抽吸的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，包括超燃冲压发动机，其特征在于：还包括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，抽吸装置与壁面边界抽吸控制系统连接并由其控制；爆震波状态监测系统实时检测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，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所述的基于边界抽吸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。
3.根据权利要求2所述的基于边界抽吸的超燃冲压发动机爆震稳定控制系统，其特征在于：超燃冲压发动机在爆震起爆时，壁面边界抽吸控制系统能够开启抽吸泵以及当前有效抽吸区域内的各抽吸孔的电子阀门，在有效抽吸区域内进行壁面边界抽吸；随着爆震波的前传，爆震波的传播位置动态变化，相应的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。
4.根据权利要求1所述的基于边界抽吸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。
5.根据权利要求4所述的基于边界抽吸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如下：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。
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