CN109738196B - 一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，包括以下步骤：获得空气加热器产生推力①；获得发动机推力‑时间曲线，从而获得冲压发动机冷试推力Fa和冲压发动机热试推力Fb；对地面冲压发动机进气道进行构型设计，使推力②等于推力⑥；通过软件对推力④和推力⑤进行数值仿真求解；根据地面直连试验台工作原理和通过步骤S1～S4获得的①、Fa、Fb和②等于⑥，从而换算获得飞行时冲压发动机实际推力F。与现有的冲压发动机性能天地换算方法相比，本发明提供的换算方法单纯的从作用力的角度考虑地面推力与飞行推力间的差异，而不用去考虑力和动量之间的转换关系，直接通过地面试验换算求得的飞行冲压发动机实际推力更准确，且简单、经济。
Description
技术领域
本发明涉及冲压发动机技术领域，尤其是一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法。
背景技术
未来空战对中远程空空导弹的性能提出了更高的要求，固体火箭发动机已无法满足需求，而液体燃料冲压发动机又无法满足机载发射的要求。固体火箭冲压发动机结构简单、可靠性高。由固体火箭冲压发动机驱动的导弹可以实现体积小、重量轻、射程远、全程有动力飞行，极大地增强了导弹的机动性能和远程快速突防能力。因此，包括我国在内的各军事大国都在发展以固体火箭冲压发动机为动力装置的远程空空导弹。固体火箭冲压发动机有燃气发生器、补燃室、进气道、喷管等部分组成。富燃推进剂在燃烧室内进行点火和一次燃烧，产生的富燃燃气经过燃气发生器喷管进入补燃室与进气道进入的补燃空气进行二次掺混燃烧，最终经尾喷管喷出，产生推力。
为使冲压发动机应用于导弹，需要进行大量试验研究，其中就包括地面试验和飞行试验。固体火箭发动机地面直连式试验是最简单、最经济的获得发动机性能的地面试验方法。但由于工作状态的差异，地面直连式试验与天空飞行试验存在一定的差异。这就造成地面试验得到的推力与天空飞行试验的实际推力存在差异。根据地面直连式试验台的原理，地面试验得到的推力值是加热器工作产生推力与发动机工作产生推力之和，而天空飞行试验不需要加热器，从而产生一部分推力差异。此外，地面试验与天空飞行试验的进气道型面结构不同，导致进气道内的空气流动不同，产生一部分推力差异。现有的换算方法通常是根据压力、速度、温度、气体状态方程等进行复杂的公式求解，求解过程复杂，且容易出错。
发明内容
本发明提供一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，用于克服现有技术中对地面试验和飞行过程中冲压发动机推力的差异考虑不周全，换算方法复杂且精确度不高等缺陷，本发明提供的方法可全面有效地考虑到地面直连试验与飞行试验之间的差异，从而准确的把冲压发动机地面直连试验推力换算成天空飞行推力，且本发明的方法简单、经济。
为实现上述目的，本发明提供一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，包括以下步骤：
S1：获得在冲压发动机地面点火试验工况下的空气加热器产生推力①；
所述空气加热器产生推力①通过空气加热器空试试验直接获得；
S2：获得在冲压发动机地面点火试验工况下的发动机推力-时间曲线，从而获得冲压发动机冷试推力Fa和冲压发动机热试推力Fb；
S3：通过对地面发动机进气道进行构型设计，使在冲压发动机地面点火试验工况下空气加热器空气来流在地面冲压发动机中流动产生的推力②等于在飞行过程中空气来流在冲压发动机中流动产生推力⑥；
S4：获得在冲压发动机地面点火试验工况下的空气加热器空气来流在地面发动机进气道中流动产生推力④和在飞行过程中空气来流在冲压发动机进气道中流动产生推力⑤；
S5：根据地面直连试验台工作原理和通过步骤S1～S4获得的①、Fa、Fb和②等于⑥，从而换算获得飞行时冲压发动机实际推力F。
本发明提供的一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，先获得空气加热器产生推力①；再获得发动机推力-时间曲线，从而获得冲压发动机冷试推力Fa和冲压发动机热试推力Fb；之后对地面冲压发动机进气道进行构型设计，使推力②等于推力⑥；然后通过软件对推力④和推力⑤进行数值仿真求解；最后根据地面直连试验台工作原理和通过步骤S1～S4获得的①、Fa、Fb和②等于⑥，从而换算获得飞行时冲压发动机实际推力F。本发明提供的换算方法单纯的从作用力的角度考虑地面推力与飞行推力间的差异，而不用去考虑力和动量之间的转换关系，直接通过地面试验换算求得的飞行冲压发动机实际推力更准确，且简单、经济。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为冲压发动机地面直连试验台的试验段结构示意图；
图2为冲压发动机地面直连试验后得到的发动机推力-时间曲线。
附图标号说明：1：空气加热器；2：加热器连接管；3：燃气发生器；4：冲压发动机进气道进口；5：冲压发动机进气道出口；6：补燃室；7：喷管。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法。
实施例一
本发明提供一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，包括以下步骤：
S1：获得在冲压发动机地面点火试验工况下的空气加热器产生推力①；
所述空气加热器产生推力①通过空气加热器空试试验直接获得；
S2：获得在冲压发动机地面点火试验工况下的发动机推力-时间曲线，从而获得冲压发动机冷试推力Fa和冲压发动机热试推力Fb；
S3：通过对地面发动机进气道进行构型设计，使在冲压发动机地面点火试验工况下空气加热器空气来流在地面冲压发动机中流动产生的推力②等于在飞行过程中空气来流在冲压发动机中流动产生推力⑥；
S4：获得在冲压发动机地面点火试验工况下的空气加热器空气来流在地面发动机进气道中流动产生推力④和在飞行过程中空气来流在冲压发动机进气道中流动产生推力⑤；
S5：根据地面直连试验台工作原理和通过步骤S1～S4获得的①、Fa、Fb和②等于⑥，从而换算获得飞行时冲压发动机实际推力F。
图1是冲压发动机地面直连试验台的试验段结构示意图，主要包括空气加热器1，加热器连接管2，燃气发生器3，冲压发动机进气道进口4，冲压发动机进气道出口5，补燃室6和喷管7。空气加热器1用于产生高温空气，并配合冲压发动机进气道型面设计，使冲压发动机进气道出口5的空气状态与天空飞行试验来流工况相同。加热器连接管2和冲压发动机进气道进口4通过法兰同轴连接，冲压发动机进气道出口5与补燃室6相通。冲压发动机地面直连试验台工作时，燃气发生器3内的推进剂燃烧产生的富燃燃气喷入补燃室6，并与从冲压发动机进气道进入补燃室的试验模拟空气掺混燃烧，最后燃气通过喷管7喷出产生推力。
优选地，所述冲压发动机地面点火试验工况为模拟高空来流的氧气组分、气体流量、总温、总压和马赫数。
高空来流的工况，包括空气组分、总温、总压、流量和马赫数，在一致飞行高度和飞行速度的条件下，可通过查阅相关数据及简单计算获得高空来流工况。
优选地，所述步骤S1中，所述空气加热器空试试验为先取走地面发动机，再使空气加热器正常工作。
优选地，所述步骤S2中，所述发动机推力-时间曲线是通过冲压发动机地面点火试验获得；
所述冲压发动机冷试推力Fa为在空气加热器工作而发动机不点火时，纯热空气进入发动机后测得的推力；
所述冲压发动机热试推力Fb为在空气加热器工作且发动机点火稳定工作后得到的推力。
地面直连试验台架本身具有实时测量记录推力的功能，试验开始后就可以实时记录台架上的推力变化，获得变化曲线。
图2为冲压发动机地面直连试验后得到的发动机推力-时间曲线。图中：0-t1时刻，为空气加热器1开始工作，向冲压发动机补燃室6中通入补燃空气后的推力上升段，t1时刻附近的水平线为空气加热器1稳定工作后得到的点火前稳定推力Fa；t1-t2是推进剂点火后推力逐渐上升段；t2时刻附近水平线为推进剂点火后发动机稳定工作得到推力Fb，后续下降曲线为发动机点火后的推力逐渐降低曲线。
优选地，所述步骤S3的具体操作包括：
S31：通过控制加热器中的酒精的含量、空气与纯氧气的流量，使地面试验空气加热器出口工况与实际飞行试验中空气来流工况一致；
S32：对地面试验冲压发动机进气道进行构型设计，使地面试验冲压发动机进气道出口工况与实际飞行冲压发动机进气道出口的工况一致。
优选地，所述步骤S31中，所述空气加热器出口工况包括其出口处空气的氧含量、气体流量、总温、总压和马赫数。
优选地，所述步骤S32中，所述对地面试验冲压发动机进气道进行构型设计主要是进行收缩-扩张设计，及拉沃尔喷管型面设计；
所述地面发动机进气道出口工况包括其出口处空气的氧含量、气体流量、总温、总压和马赫数。
通过控制空气加热器中的酒精的含量、空气与纯氧气的流量，并点燃空气加热器中的酒精，使空气加热器出口的氧气含量、气体流量、总温、总压和马赫数等参数与实际高空来流的工况一致。气体流量是根据热力计算等公示式计算得到。
优选地，所述步骤S4中，所述④和⑤是根据已知的地面冲压发动机进气道构型和空气加热器出口工况和已知的飞行冲压发动机进气道构型和飞行空气来流工况，再通过软件进行数值仿真求解而获得；
所述软件为Fluent。
优选地，所述步骤S5中，所述换算过程包括：
F＝⑤+⑥+③
＝⑤+⑥+(Fa-Fb)
＝(Fa-Fb)+⑤+⑥-(②+④)+(②+④)
＝(Fa-Fb)+(⑥-②)+(⑤-④)+(②+④)
＝(Fa-Fb)+(⑥-②)+(⑤-④)+(Fa-①)
＝(2Fa-Fb)+(⑥-②)+(⑤-④)-①
＝(2Fa-Fb)+(⑤-④)-①；
其中，③为推进剂燃烧产生推力。
优选地，飞行冲压发动机的比冲Isp＝F/qm；
其中，qm为燃气流量，可由固体推进剂的自身特性给出。药柱直径、燃速等参数已知，则燃气流量可知。
比冲是衡量推进剂性能和发动机性能的重要指标，它表示单位质量推进剂所产生的推力，因此比冲求解的关键是获得发动机推力。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获得在冲压发动机地面点火试验工况下的空气加热器产生推力①；
所述空气加热器产生推力①通过空气加热器空试试验直接获得；
S2：获得在冲压发动机地面点火试验工况下的发动机推力-时间曲线，从而获得冲压发动机冷试推力Fa和冲压发动机热试推力Fb；
S3：通过对地面发动机进气道进行构型设计，使在冲压发动机地面点火试验工况下空气加热器空气来流在地面冲压发动机中流动产生的推力②等于在飞行过程中空气来流在冲压发动机中流动产生推力⑥；
S4：获得在冲压发动机地面点火试验工况下的空气加热器空气来流在地面发动机进气道中流动产生推力④和在飞行过程中空气来流在冲压发动机进气道中流动产生推力⑤；
S5：根据地面直连试验台工作原理和通过步骤S1～S4获得的①、Fa、Fb和②等于⑥，从而换算获得飞行时冲压发动机实际推力F；
所述换算过程包括：
F＝⑤+⑥+③
＝⑤+⑥+(Fa-Fb)
＝(Fa-Fb)+⑤+⑥-(②+④)+(②+④)
＝(Fa-Fb)+(⑥-②)+(⑤-④)+(②+④)
＝(Fa-Fb)+(⑥-②)+(⑤-④)+(Fa-①)
＝(2Fa-Fb)+(⑥-②)+(⑤-④)-①
＝(2Fa-Fb)+(⑤-④)-①；
其中，③为推进剂燃烧产生推力。
2.如权利要求1所述的一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，其特征在于，所述冲压发动机地面点火试验工况为模拟高空来流的氧气组分、气体流量、总温、总压和马赫数。
3.如权利要求1所述的一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述空气加热器空试试验为先取走地面发动机，再使空气加热器正常工作。
4.如权利要求1所述的一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述发动机推力-时间曲线是通过冲压发动机地面点火试验获得；
所述冲压发动机冷试推力Fa为在空气加热器工作而发动机不点火时，纯热空气进入发动机后测得的推力；
所述冲压发动机热试推力Fb为在空气加热器工作且发动机点火稳定工作后得到的推力。
5.如权利要求1所述的一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，其特征在于，所述步骤S3的具体操作包括：
S31：通过控制加热器中的酒精的含量、空气与纯氧气的流量，使地面试验空气加热器出口工况与实际飞行试验中空气来流工况一致；
S32：对地面试验冲压发动机进气道进行构型设计，使地面试验冲压发动机进气道出口工况与实际飞行冲压发动机进气道出口的工况一致。
6.如权利要求5所述的一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，其特征在于，所述步骤S31中，所述空气加热器出口工况包括其出口处空气的氧含量、气体流量、总温、总压和马赫数。
7.如权利要求5所述的一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，其特征在于，所述步骤S32中，所述对地面试验冲压发动机进气道进行构型设计主要是进行收缩-扩张设计，及拉沃尔喷管型面设计；
所述地面发动机进气道出口工况包括其出口处空气的氧含量、气体流量、总温、总压和马赫数。
8.如权利要求1所述的一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述④和⑤是根据已知的地面冲压发动机进气道构型和空气加热器出口工况和已知的飞行冲压发动机进气道构型和飞行空气来流工况，再通过软件进行数值仿真求解而获得；
所述软件为Fluent。
9.如权利要求1～8任一项所述的一种基于地面直连试验的冲压发动机性能天地换算方法，其特征在于，飞行冲压发动机的比冲Isp＝F/qm；
其中，qm为燃气流量，由固体推进剂的自身特性给出。
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