CN111157248B - 基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法，包括：获取超燃冲压发动机在地面直连试验工况下试验台架推力‑时间曲线、流量参数与压强参数；基于上述参数得到发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数；基于发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数得到发动机燃烧室的性能评估参数；基于发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数前后模拟延伸发动机的进气道和尾喷管，并对发动机性能参数进行评估。只通过单次开展地面直连试验，通过实时地测量试验台架推力与流量参数与压强参数，可以直接得到实时的发动机及其燃烧室的性能参数，为发动机性能评估提供一种快速、实时、有效的评估方法。

Description

基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法

技术领域

本发明涉及固体火箭超燃冲压发动机技术领域，具体是一种基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法。

背景技术

固体火箭超燃冲压发动机研究属于国防科技前沿领域，与液体超燃冲压发动机相比，具有结构简单，响应快，可靠性高等突出优势，是未来高超声速巡航导弹的理想动力装置之一。固体火箭超燃冲压发动机结构简图如图1所示，它的基本工作原理是贫氧固体推进剂在燃气发生器内自维持燃烧，产生的高焓富燃燃气以声速或超声速喷射进入燃烧室与经过高超声速进气道和隔离段压缩的超声速来流进行掺混燃烧，随后通过尾喷管膨胀加速排出，产生推力。

为加快固体火箭超燃冲压发动机早日实现工程化应用，需要开展大量的试验研究，其中就包括地面试验和飞行试验。地面直连试验是最简单、最经济地获取发动机性能的试验方法，但其成本仍然不低。因此，有必要对每次试验数据进行高效利用，尽可能获取更多的有效信息，为发动机性能测试与验证提供数据支撑。

对于现有的地面直连固体火箭超燃冲压发动机燃烧室性能评估参数主要有燃烧效率、冷流内阻、内推力等参数。现有对燃烧效率的计算方法基本成熟，但对燃烧室冷流内阻和内推力的计算都还需进一步改进。一方面，现有计算燃烧室冷流内阻一般使用三维高精度稳态数值模拟，其弊端之一是耗时较长，其二是给定的稳态边界条件不能实时地反映地面直连试验的发动机燃烧室实时状态。另一方面，现有计算发动机燃烧室推力一般要先单独测量加热器空试的推力，联合试验台架总推力才能获得燃烧室单独的推力，其弊端之一是无法保证加热器空试时的状态与直连试验的加热器状态保持完全一致，从而导致试验数据无效，其二，发动机直连试验时的加热器流量一般存在较小范围的波动，但对于地面超燃冲压发动机燃烧室推力而言，能引起的误差较大，因此如果能使用试验时的加热器推力对试验数据处理是最为准确的。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法，只通过单次开展地面直连试验，通过实时地测量试验台架推力与流量参数与压强参数，可以直接得到实时的发动机及其燃烧室的性能参数，为发动机性能评估提供一种快速、实时、有效的评估方法。

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及其燃烧室性能评估方法，包括如下步骤：

步骤1，获取冲压发动机在地面直连试验工况下试验台架推力-时间曲线、流量参数与压强参数；

所述流量参数包括发动机燃烧室入口截面气流的质量流量、发动机燃烧室燃气入口截面气流的质量流量，所述压强参数包括地面大气压强、发动机燃烧室入口截面与出口截面的静压；

步骤2，基于台架推力-时间曲线、流量参数与压强参数得到发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数；

步骤3，基于发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数得到发动机燃烧室的性能评估参数；

步骤4，基于发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数前后模拟延伸发动机的进气道和尾喷管，并通过进气道入口截面的气流参数与尾喷管出口截面的气流参数对发动机性能参数进行评估。

进一步优选的，步骤1中，所述发动机燃烧室燃气入口截面气流的质量流量的获取过程为：

获取地面直连试验前超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的质量m_int与地面直连试验后超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的质量m_end，并得到地面直连试验前后超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的质量差Δm；

采用推进剂燃速公式对地面直连试验时间段内的燃气流量进行修正，得到发动机燃烧室燃气入口截面在地面直连试验的各个时刻气流初步的质量流量

式(1)中，a_s、n_s分别为推进剂燃速公式中的指前因子、压强指数，p_g为燃气发生器内部压强，ρ_s、A_s分别为推进剂的密度、端面面积；

其中，式(1)成立条件为推进剂点火后为恒定面积燃烧；

对式(1)进行积分得到地面直连试验前后超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的理论消耗质量Δm_s：

式(2)中，t₁、t₂分别为地面直连试验的开始时刻、终止时刻；

基于质量差Δm与理论消耗质量Δm_s得到发动机燃烧室燃气入口截面气流的质量流量：

进一步优选的，步骤2中，发动机燃烧室入口截面的气流参数包括总压、总温、马赫数、速度与静温，具体获取过程为：

h_a＝C_p,a·T_t,a＝C_p,b·T_t,b＝h_b (3)

式(3)中，h_a、h_b分别表示加热器燃烧室出口截面、发动机燃烧室入口截面的总焓，C_p,a、C_p,b分别表示加热器燃烧室出口截面、发动机燃烧室入口截面的定压比热，T_t,a、T_t,b分别表示加热器燃烧室出口截面、发动机燃烧室入口截面的总温；其中，式(3)成立条件为加热器燃烧室和加热器均绝热；

式(4)中，

为发动机燃烧室入口截面气流的质量流量，V_b为发动机燃烧室入口截面的气流速度，ρ_b为发动机燃烧室入口截面的气流密度，A_b为发动机燃烧室入口截面的面积；

p_b＝ρ_bRT_b (5)

式(5)中，p_b为发动机燃烧室入口截面气流的静压，T_b为发动机燃烧室入口截面的静温，R为气体常数；

式(6)-(8)中，M_b为发动机燃烧室入口截面的马赫数，p_t,b为发动机燃烧室入口截面的总压，γ_b为发动机燃烧室入口截面的比热比；

联立式(3)-(8)即能得到发动机燃烧室入口截面的总压p_t,b、总温T_p,b、马赫数M_b、速度V_b与静温T_b。

进一步优选的，步骤2中，发动机燃烧室出口截面的气流参数包括总压、总温、马赫数、速度、密度与静温，具体获取过程为：

p_e＝ρ_eT_eR_e (11)

式(9)-(12)中，F为地面直连试验工况下试验台架的总推力，

为发动机燃烧室出口截面的质量流量，V_e为发动机燃烧室出口截面的速度，p_e为发动机燃烧室出口截面的静压，p_atm为地面大气压强，，A_e为发动机燃烧室出口截面的面积，ρ_e为发动机燃烧室出口截面的密度，T_e为发动机燃烧室出口截面的静温，R_e为发动机燃烧室出口截面的气体常数，γ_e为发动机燃烧室出口截面的比热比，M_e为发动机燃烧室出口截面的马赫数；

联立式(3)-(8)即能得到发动机燃烧室出口截面的马赫数：

并通过发动机燃烧室出口截面的马赫数得到发动机燃烧室出口截面的总压p_t,e、总温T_p,e、密度M_e、速度V_e与静温T_e。

进一步优选的，步骤3中，发动机燃烧室的性能评估参数包括燃烧效率、总压恢复和燃烧室内阻。

进一步优选的，所述燃烧效率具体为：

式中，η_Δh为燃烧效率，(C_pT_t)_exp,e发动机燃烧室出口截面的定压比热与总温乘积的试验值，(C_pT_t)_exp,b发动机燃烧室入口截面的定压比热与总温乘积的试验值，(C_pT_t)_exp,s发动机燃烧室燃气入口截面的定压比热与总温乘积的试验值，(C_pT_t)_the,e发动机燃烧室出口截面的定压比热与总温乘积的理论值。

进一步优选的，所述总压恢复具体为：

式中，σ为总压恢复系数；

所述燃烧室内阻具体为：

D_in＝F_{hot_in}-ΔF

ΔF＝F_hot-F_cold

式中，D_in为燃烧室内阻，F_{hot_in}为地面直连试验工况下发动机燃烧室的热试内推力，ΔF为地面直连试验工况下试验台架的推力增益，F_hot为地面直连试验工况下试验台架的热推力，F_cold为地面直连试验工况下试验台架的冷推力，其中，地面直连试验工况下试验台架的热推力与冷推力均能通过试验台架推力-时间曲线得到。

进一步优选的，步骤4中，通过比内推力与内推力比冲作为发动机性能的评估参数：

式中，I_a为发动机的比内推力，I_f为发动机的内推力比冲，F_in为发动机的内推力，g为重力加速度，p₀为高空当地大气压；

分别为发动机模拟进气道入口截面的质量流量、模拟尾喷管出口截面的质量流量，V₄、V₀分别为发动机模拟进气道入口截面的速度、模拟尾喷管出口截面的速度，A₄、A₀分别为发动机模拟进气道入口截面的面积、模拟尾喷管出口截面的面积。

本发明提供的一种基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法，通过开展单次固体火箭超燃冲压发动机燃烧室的地面直连试验，测量试验台架的推力与冲压发动机的流量参数与压强参数即可直接得到燃烧室和发动机的性能参数；其主要通过获取发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数进行，最后通过对燃烧室前后延伸得到进气道入口和尾喷管的气流参数，最终得到发动机的性能评估参数，从而对地面直连试验结果进行有效评估。

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为现有技术中固体火箭超燃冲压发动机结构示意图；

图2为本发明实施例中加热器与发动机燃烧室的结构示意图；

图3为本发明实施例中基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中试验台架推力-时间曲线示意图；

图5为本发明实施例中加热器结构示意图；

图6为本发明实施例中发动机模拟结构示意图。

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。

超燃冲压发动机地面直连试验一般以燃烧室地面直连试验为主，系统示意简图如图2所示，图2中，截面a为加热器的燃烧室出口截面，截面b为发动机燃烧室的入口截面，截面e为发动机燃烧室的出口截面。直连试验系统一般由加热器和发动机燃烧室组成，由于模拟高马赫数来流条件，一般采用燃烧式加热器，以酒精加热器为例，加热器燃烧室内按设定质量流量通入空气、氧气和酒精，在加热器燃烧室内完全燃烧后进入加热器喷管，在喷管喉部达到声速后继续膨胀加速至设定的燃烧室入口马赫数。此时进入燃烧室入口的气流条件就是模拟高超声速来流经过高超声速进气道压缩之后的来流，随后经过隔离段再进入超声速燃烧室与燃气发生器产生的燃气进行掺混燃烧，高温燃烧产物经由燃烧室出口排出。试验测量的参数除了图示压强之外，即本实施例中评估方法中的静压，还有加热器各组分的质量流量和整个台架的推力。

参考图3，基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法具体包括如下步骤：

步骤1，获取冲压发动机在地面直连试验工况下试验台架推力-时间曲线、流量参数与压强参数。

流量参数包括发动机燃烧室入口截面气流的质量流量、发动机燃烧室燃气入口截面气流的质量流量，压强参数包括地面大气压强、发动机燃烧室入口截面与出口截面的静压。其中，发动机燃烧室入口截面气流的质量流量、地面大气压强、发动机燃烧室入口截面与出口截面的静压与试验台架推力-时间曲线均能在地面直连试验中测量得到，本实施例中试验台架推力-时间曲线即如图4所示；

发动机燃烧室燃气入口截面气流的质量流量的获取过程为：

获取地面直连试验前超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的质量m_int与地面直连试验后超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的质量m_end，并得到地面直连试验前后超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的质量差Δm，Δm即为燃气发生器工作时间内的总消耗推进剂质量。

由于燃气发生器内的压强一般会存在一定的波动范围，因此燃气的质量流量在工作过程中也是随之变化的，因此本实施例中采用推进剂燃速公式对地面直连试验时间段内的燃气流量进行修正，得到发动机燃烧室燃气入口截面在地面直连试验的各个时刻气流初步的质量流量

式(1)中，a_s、n_s分别为推进剂燃速公式中的指前因子、压强指数，p_g为燃气发生器内部压强，ρ_s、A_s分别为推进剂的密度、端面面积；其中，式(1)成立条件为推进剂点火后为恒定面积燃烧；

虽然式(1)似乎确定了瞬时的燃气质量流量，但实际上如果利用式(1)对工作时间进行积分，就会发现积分所得的冲压发动机内固体推进剂药柱的理论消耗质量Δm_s不等于实际试验所测消耗的总质量Δm，即：

式(2)中，t₁、t₂分别为地面直连试验的开始时刻、终止时刻；

这是由于实际燃速公式本身的误差或者实际工作过程并不能一直保持端面燃烧等因素所引起的。基于式(2)计算的质量流量，本实施例中给出一种修正的瞬时燃气质量流量计算方法，为：

通过该方法得到的瞬时燃气质量流量

不仅满足总消耗推进剂质量与试验测量结果一致，而且考虑了不同时刻压强对固体推进剂燃速的影响。

步骤2，基于台架推力-时间曲线、流量参数与压强参数得到发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数。

参考图5为加热器部件示意图，其中截面a为加热器燃烧室出口截面，截面b为加热器出口截面，同时也是发动机燃烧室入口截面。发动机燃烧室入口截面的气流参数包括总压、总温、马赫数、速度与静温，具体获取过程为：

设定加热器燃烧室和喷管绝热，则加热器燃烧室出口截面总焓沿喷管流动过程不存在损失，则有：

h_a＝C_p,a·T_t,a＝C_p,b·T_t,b＝h_b (3)

式(3)中，h_a、h_b分别表示加热器燃烧室出口截面、发动机燃烧室入口截面的总焓，C_p,a、C_p,b分别表示加热器燃烧室出口截面、发动机燃烧室入口截面的定压比热，T_t,a、T_t,b分别表示加热器燃烧室出口截面、发动机燃烧室入口截面的总温，C_p,a、T_t,a与C_p,b均能根据地面大气压强以常规热力公式计算得到，本实施例中不再赘述；

加热器内各组分质量流量测量值分别为

和

因此加热器稳定工作时，发动机燃烧室入口截面总质量流量为：

对发动机燃烧室入口截面利用连续性方程，则有：

式(4)中，

为发动机燃烧室入口截面气流的质量流量，V_b为发动机燃烧室入口截面的气流速度，ρ_b为发动机燃烧室入口截面的气流密度，A_b为发动机燃烧室入口截面的面积；

对发动机燃烧室入口截面利用状态方程，则有：

p_b＝ρ_bRT_b (5)

式(5)中，p_b为发动机燃烧室入口截面气流的静压，T_b为发动机燃烧室入口截面的静温，R为气体常数；

对发动机燃烧室入口截面再联立总温，总压以及速度和马赫数的关系，如下：

式(6)-(8)中，M_b为发动机燃烧室入口截面的马赫数，p_t,b为发动机燃烧室入口截面的总压，γ_b为发动机燃烧室入口截面的比热比，γ_b可通过现有技术中的热力计算程序进行迭代求解。

综上，联立式(3)-(8)即能得到发动机燃烧室入口截面的总压p_t,b、总温T_p,b、马赫数M_b、速度V_b与静温T_b。

发动机燃烧室出口截面的气流参数包括总压、总温、马赫数、速度、密度与静温，具体获取过程为：

参考图2，对水平方向利用牛顿第二定律，则有：

对发动机燃烧室出口截面利用连续方程和状态方程，则有：

p_e＝ρ_eT_eR_e (11)

式(9)-(12)中，F为地面直连试验工况下试验台架的总推力，可根据试验台架推力-时间曲线得到；

为发动机燃烧室出口截面的质量流量，V_e为发动机燃烧室出口截面的速度，p_e为发动机燃烧室出口截面的静压，p_atm为地面大气压强，A_e为发动机燃烧室出口截面的面积，ρ_e为发动机燃烧室出口截面的密度，T_e为发动机燃烧室出口截面的静温，R_e为发动机燃烧室出口截面的气体常数，γ_e为发动机燃烧室出口截面的比热比，M_e为发动机燃烧室出口截面的马赫数；

联立式(3)-(8)即能得到发动机燃烧室出口截面的马赫数：

得到发动机燃烧室出口截面的马赫数后，即能通过常规流体力学公式得到发动机燃烧室出口截面的总压p_t,e、总温T_p,e、密度M_e、速度V_e与静温T_e。

步骤3，基于试验台架推力-时间曲线、发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数得到发动机燃烧室的性能评估参数；发动机燃烧室的性能评估参数包括燃烧效率、总压恢复和燃烧室内阻。

燃烧效率的评估采用发动机燃烧室所有进出口总焓焓升的试验值与理论值之比进行衡量。这里燃烧室入口包括发动机燃烧室入口与发动机燃烧室燃气入口，计算燃烧效率时两个入口的总焓都需要考虑进去。因此，燃烧效率定义如下：

式中，η_Δh为燃烧效率，(C_pT_t)_exp,e发动机燃烧室出口截面的定压比热与总温乘积的试验值，(C_pT_t)_exp,b发动机燃烧室入口截面的定压比热与总温乘积的试验值，(C_pT_t)_exp,s发动机燃烧室燃气入口截面的定压比热与总温乘积的试验值，(C_pT_t)_the,e发动机燃烧室出口截面的定压比热与总温乘积的理论值。发动机燃烧室入口截面与出口截面的试验参数均可通过上文求解，发动机燃烧室入口截面和发动机燃烧室燃气入口截面的理论总温均可由常规的热力计算公式确定，但发动机燃烧室出口截面的比热比暂时还无法确定，因此本实施例中假设发动机燃烧室出口截面的理论比热比与试验比热比相等。而实际上理论比热比会比试验所求比热比稍微偏小，所以本实施例中所确定的燃烧效率偏小，但带来实际误差很小，可以忽略不计。相比总温升的燃烧效率计算方法，本实施例中考虑了不同截面处比热比的变化，计算结果会更加准确。

燃烧室总压恢复定义为燃烧室出口总压与进口总压之比，总压恢复系数定义如下：

式中，σ为总压恢复系数；

燃烧室内阻一般指冷流内阻，是综合评价燃烧室内部流道设计的重要指标。当然，内阻设计与燃烧效率和总压损失都是密切相关的。燃烧室内阻为燃烧室热试内推力F_{hot_in}与推力增益ΔF之差，燃烧室内阻具体为：

D_in＝F_{hot_in}-ΔF

ΔF＝F_hot-F_cold

式中，D_in为燃烧室内阻，F_{hot_in}为地面直连试验工况下发动机燃烧室的热试内推力，ΔF为地面直连试验工况下试验台架的推力增益，F_hot为地面直连试验工况下试验台架的热推力，F_cold为地面直连试验工况下试验台架的冷推力，其中，地面直连试验工况下试验台架的热推力与冷推力均能通过试验台架推力-时间曲线得到。

经过步骤1-步骤3，即可由一次发动机试验就可直接同时求得燃烧室内推力与内阻，便于进行快速评估发动机性能。以往研究中，为获得燃烧室冷流内阻常常需要使用高精度三维CFD数值模拟，而这项工作十分耗时。为获得燃烧室内推力则更加麻烦，测试燃烧室内推力需要单独测试加热器的推力，而且必须保证单独测试的加热器工况与试验工况一致。从图4可知，同一次试验中加热器工况都是缓慢变化的，所以保证一致是十分困难的。因此利用本实施例中的方法可以大大节省时间和经费而直接获得燃烧室内推力与冷流内阻。

步骤4，基于发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数前后模拟延伸发动机的进气道和尾喷管，并通过进气道入口截面的气流参数与尾喷管出口截面的气流参数对发动机性能参数进行评估。

在步骤1-步骤3中已经对燃烧室的性能进行了评估，下面通过利用燃烧室进出口截面参数前后延伸进气道和尾喷管对发动机性能参数进行评估。由于不同飞行外形带来的气动效果显著不同，而且飞行器外形不是当前研究的重点，因此性能评估不考虑飞行器外阻。评估模型如图6所示，图中左侧虚线表示模拟的进气道部分，右侧虚线表示模拟的尾喷管，图中假面0表示进气道入口截面，截面b表示发动机燃烧室入口截面，截面e表示发动机燃烧室出口截面，截面4表示尾喷管出口截面。

本实施例中，对于模拟出的冲压发动机做出如下设定：

(1)发动机各部件均绝热处理，飞行高度为25km；

(2)进气道不考虑唇口激波阻力和外罩摩擦阻力；

(3)进气道流量系数为1，即不考虑附加的流管阻力；

(4)喷管假设为可实现理想膨胀或给定膨胀比，喷管内流动为冻结流动；

(5)呈水平直线飞行，入口气流与出口气流方向与飞行方向平行；

(6)发动机内部流动满足气体状态方程。

对于总体参数评估，考虑到发动机尺寸以及流量参数。因此，选用发动机单位空气质量流量的内推力(比内推力)以及单位燃气流量的内推力(内推力比冲)来对发动机总体性能进行评估，具体为：

式中，I_a为发动机的比内推力，I_f为发动机的内推力比冲，F_in为发动机的内推力，g为重力加速度。

本实施例中的进气道和喷管是基于试验数据进行延伸模拟得到，获得上述总体评估参数的关键是要确定进气道入口截面和尾喷管出口截面的气流参数。而在步骤1-步骤3中已确定发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数；首先，由飞行高度为25km，故进气道入口截面的压强p₀、密度ρ₀、温度T₀与总温T_t,0可由手册直接查得，其中，进气道入口截面的压强p₀即高空当地大气压。而进气道入口截面的马赫数M₀可由下式获得：

式中，γ₀为进气道入口截面的比热比；

从而进气道入口截面的速度V₀可由下式求得：

式中，R₀为进气道入口截面的气体常数；

最终进气道入口截面的面积A₀可由下式求得：

由于尾喷管为自适应的绝热理想膨胀喷管，故尾喷管出口压强p₄与高空当地大气压p₀相等，即：

p₀＝p₄

因此，尾喷管出口截面的马赫数为：

式中，M₄为尾喷管出口截面的马赫数，p_t,4为尾喷管出口截面的气体总压，γ₄为尾喷管出口截面的比热比；

考虑到尾喷管绝热，则尾喷管出口总温与尾喷管入口总温相等。因此，尾喷管出口截面的静温T₄可由下式获得：

从而尾喷管出口截面的速度V₄也可计算获得：

而尾喷管出口截面面积A₄由等熵膨胀关系式可根据下式获得：

此时，对进气道入口截面和尾喷管出口截面作动量积分可求得发动机内推力F_in：

从而进一步可获得比内推力I_a和内推力比冲I_f。

与现有技术相比，本实施例中的方法能够产生以下技术效果：

只需单独开展超声速燃烧室的地面直连试验研究，即可获得燃烧室推力。相比以往评估方法，不需要再单独开展重复工况的加热器空试试验来先求解加热器推力，再获得燃烧室推力。

可直接利用地面直连的试验数据即可获得燃烧室内阻。相比以往评估方法，不需要单独开展重复工况下的三维高精度数值仿真来计算内阻，耗时更短。

计算燃烧室总压恢复时，采用加热器出口截面的总压作为初始总压进行计算更加准确，而不是直接使用加热器燃烧室的总压作为初始总压。

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 (6)

1.基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取超燃冲压发动机在地面直连试验工况下试验台架推力-时间曲线、流量参数与压强参数；

所述流量参数包括发动机燃烧室入口截面气流的质量流量、发动机燃烧室燃气入口截面气流的质量流量，所述压强参数包括地面大气压强、发动机燃烧室入口截面与出口截面的静压；

步骤2，基于试验台架推力-时间曲线、流量参数与压强参数得到发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数；

步骤3，基于试验台架推力-时间曲线、发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数得到发动机燃烧室的性能评估参数；

步骤4，基于发动机燃烧室入口截面与出口截面的气流参数前后模拟延伸发动机的进气道和尾喷管，并通过进气道入口截面的气流参数与尾喷管出口截面的气流参数对发动机性能参数进行评估；

步骤1中，所述发动机燃烧室燃气入口截面气流的质量流量的获取过程为：

获取地面直连试验前超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的质量m_int与地面直连试验后超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的质量m_end，并得到地面直连试验前后燃气发生器内固体推进剂药柱的质量差Δm；

采用推进剂燃速公式对地面直连试验时间段内的燃气流量进行修正，得到发动机燃烧室燃气入口截面在地面直连试验的各个时刻气流初步的质量流量

式(1)中，a_s、n_s分别为推进剂燃速公式中的指前因子、压强指数，p_g为燃气发生器内部压强，ρ_s、A_s分别为推进剂的密度、端面面积；

其中，式(1)成立条件为推进剂点火后为恒定面积燃烧；

对式(1)进行积分得到地面直连试验前后超燃冲压发动机燃气发生器内固体推进剂药柱的理论消耗质量Δm_s：

式(2)中，t₁、t₂分别为地面直连试验的开始时刻、终止时刻；

基于质量差Δm与理论消耗质量Δm_s得到发动机燃烧室燃气入口截面气流的实际质量流量：

2.根据权利要求1所述基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法，其特征在于，步骤2中，发动机燃烧室入口截面的气流参数包括总压、总温、马赫数、速度与静温，具体获取过程为：

h_a＝C_p,a·T_t,a＝C_p,b·T_t,b＝h_b (3)

式(3)中，h_a、h_b分别表示加热器燃烧室出口截面、发动机燃烧室入口截面的总焓，C_p,a、C_p,b分别表示加热器燃烧室出口截面、发动机燃烧室入口截面的定压比热，T_t,a、T_t,b分别表示加热器燃烧室出口截面、发动机燃烧室入口截面的总温；其中，式(3)成立条件为加热器燃烧室和加热器喷管均绝热；

式(4)中，

为发动机燃烧室入口截面气流的质量流量，_Vb为发动机燃烧室入口截面的气流速度，ρ_b为发动机燃烧室入口截面的气流密度，A_b为发动机燃烧室入口截面的面积；

p_b＝ρ_bRT_b (5)

式(5)中，p_b为发动机燃烧室入口截面气流的静压，T_b为发动机燃烧室入口截面的静温，R为气体常数；

式(6)-(8)中，M_b为发动机燃烧室入口截面的马赫数，p_t,b为发动机燃烧室入口截面的总压，γ_b为发动机燃烧室入口截面的比热比；

联立式(3)-(8)即能得到发动机燃烧室入口截面的总压p_t,b、总温T_p,b、马赫数M_b、速度V_b与静温T_b。

3.根据权利要求1所述基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法，其特征在于，步骤3中，发动机燃烧室的性能评估参数包括燃烧效率、总压恢复和燃烧室内阻。

4.根据权利要求3所述基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法，其特征在于，所述燃烧效率具体为：

式中，η_Δh为燃烧效率，(C_pT_t)_exp,e发动机燃烧室出口截面的定压比热与总温乘积的试验值，(C_pT_t)_exp,b发动机燃烧室入口截面的定压比热与总温乘积的试验值，(C_pT_t)_exp,s发动机燃烧室燃气入口截面的定压比热与总温乘积的试验值，(C_pT_t)_the,e发动机燃烧室出口截面的定压比热与总温乘积的理论值，

为发动机燃烧室出口截面气流的质量流量，

为发动机燃烧室入口截面气流的质量流量。

5.根据权利要求3所述基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法，其特征在于，所述总压恢复具体为：

式中，σ为总压恢复系数，p_t,e为发动机燃烧室出口截面的总压，p_t,b为发动机燃烧室入口截面的总压；

所述燃烧室内阻具体为：

D_in＝F_{hot_in}-ΔF

ΔF＝F_hot-F_cold

式中，D_in为燃烧室内阻，F_{hot_in}为地面直连试验工况下发动机燃烧室的热试内推力，ΔF为地面直连试验工况下试验台架的推力增益，F_hot为地面直连试验工况下试验台架的热推力，F_cold为地面直连试验工况下试验台架的冷推力，其中，地面直连试验工况下试验台架的热推力与冷推力均能通过试验台架推力-时间曲线得到，

为发动机燃烧室出口截面气流的质量流量，V_e为发动机燃烧室出口截面的气流速度，p_e为发动机燃烧室出口截面气流的静压，A_e为发动机燃烧室出口截面的面积，A_b为发动机燃烧室入口截面的面积，p_b为发动机燃烧室入口截面气流的静压。

6.根据权利要求1所述基于地面直连试验的冲压发动机及其燃烧室性能评估方法，其特征在于，步骤4中，通过比内推力与内推力比冲作为发动机性能的评估参数：

式中，I_a为发动机的比内推力，I_f为发动机的内推力比冲，F_in为发动机的内推力，g为重力加速度，p₀为高空当地大气压；

分别为发动机模拟进气道入口截面的质量流量、模拟尾喷管出口截面的质量流量，V₄、V₀分别为发动机模拟进气道入口截面的速度、模拟尾喷管出口截面的速度，A₄、A₀分别为发动机模拟进气道入口截面的面积、模拟尾喷管出口截面的面积，

为发动机燃烧室入口截面气流的质量流量。

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