CN112761817B - 一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法及装置，该方法中的发动机包括进气道、隔离段、控制系统、一体化燃烧室喷管；一体化燃烧室喷管包括燃烧室上壁面，喷管入口壁面，尾部扩张壁面，抽气孔，波面检测点，燃烧室下楔面；超声速来流与前体喷射的燃料在进气道内进行混合，由下楔面斜激波的诱导起爆为斜爆震波，信号输入模块信号，调节伸缩支杆，从而使燃烧室内形成可持续驻定的斜爆震波，爆震燃烧产物然后经过超声速扩张喷管产生推力。本发明通过调节伸缩支杆活动拐点控制了来流角度和拐点位置，下楔面控制了下游的波系结构；还设置了抽吸孔，增加了整个控制系统的可靠性，空间设计更加灵活，提高了实际应用可操作性。

Description

一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法及装置

技术领域

本发明涉及吸气式高超声速推进技术领域，特别是涉及一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法。此外，本发明还涉及一种基于上述斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法的装置。

背景技术

随着我国在航空航天领域研究的突飞猛进，超声速冲压推进正快速向着更高马赫数方向发展。爆震燃烧的高热循环效率和高放热速率优势，为其在空天动力系统中的应用奠定了科学基础，而斜爆震冲压推进能克服驻定难题而无需额外点火，是基于斜爆震波的新型燃烧组织方式，可突破碳氢燃料在高马赫数高超声速冲压发动机中应用的瓶颈。

近几十年，科学家根据爆震波的传播特点先后提出了三种爆震发动机方案，分别为脉冲爆震、旋转爆震和斜爆震。其中斜爆震能在高超声速来流中实现燃烧室内的驻定燃烧，可望实现马赫数10及其以上的吸气式推进。而对于斜爆震发动机的燃烧室与喷管构型而言，由于斜爆震波的引入，传统的吸气式发动机构型已不再适用，需根据斜爆震燃烧的特性提出合理的设计方案。

目前学术界对于斜爆震燃烧的特性依然缺少充足的认识，工程领域上尚未有可用的斜爆震发动机，近年来随着对斜爆震研究的逐渐深入，前人提出了显著区别于传统推进系统的发动机燃烧室-喷管一体化设计方案。目前方案都是默认斜爆震波正好驻定于尾喷管的入口处，这种默认是一种理想的斜爆震波与构型之间的假设情况，相应的方案需根据来流调节下楔面的角度来实现斜爆震波波面位置的精确调节，实施非常困难。而通过调节下楔面的角度实现上述功能的同时会引起斜爆震波主要结构的改变，燃烧效率与推力稳定难以控制。

为了解决斜爆震发动机燃烧稳定以及推力优化的问题。研究人员提出了几种设计方案：(1)一种基于可变斜楔角的驻定爆震发动机，此方案的基本思路为通过燃烧室后部的斜楔面控制装置控制混气的燃烧稳定在斜爆震形态，从而使得燃烧基本处于最优状态，以优化发动机的推力性能，达到发动机在变工况情况下能够连续工作的效果。其不足之处在于：该方案的关键是调节斜爆震波的波面位置，但是其目标是为了减少化学能量损失；依然并不考虑基于波面与喷管的作用点是否刚好是喷管入口处，也不关注由此带来的后果；下楔面的角度对斜爆震的整体结构影响很大，角度改变后不管是起爆区的波系结构还是斜爆震波面的稳定性都会发生改变；即使能够通过调节楔面角实现爆震波面位置的调节，达到爆震波驻定目的，却容易引起燃烧状态剧变，不利于稳定推力的获取。(2)一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机此方案在燃烧室的内壁上开设有若干抽吸孔，所有抽吸孔均通过管路与一抽吸泵联通。在爆震起爆时开启抽吸泵，通过抽吸孔抽吸燃烧室内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。其不足之处在于：尽管该方案有考虑爆震波的位置，并假设其位于喷管上游，但其只考虑边界层效应，并不关注收缩扩张流动这一斜爆震发动机构型特点，即其控制思路针对的是正爆震波而非斜爆震波；而收缩扩张流道的关键壅塞问题并不关注，该方案构型上符合斜爆震发动机的设计思路，但实际上为正爆震发动机的控制方法，无法调控斜爆震波的稳定燃烧。

对于现有技术基本不考虑斜爆震波位置与喷管位置的相互关系，或者默认斜爆震波刚好作用于喷管入口处这一理想情况，或者对爆震波位置不做限制的缺陷；以及王宽亮、滕宏辉、杨鹏飞等人的最近研究结果(1)当斜爆震波位于喷管下游时会在喷管上壁面处形成高温回流区，该回流区的存在会导致喷管由于温度过热产生损坏并产生较大的能量损失。(2)当斜爆震波位于喷管上游时会在燃烧室上壁面产生马赫反射，并且多数情况下马赫反射无法维持稳定而形成燃烧室的壅塞现象。为解决斜爆震波稳定燃烧的问题，及对爆震波造成的影响提出优化方案，出于以上两点研究结果的考虑，如何在不设置复杂构型的前提下，尽可能简化额外控制系统，同时提高对斜爆震波的控制能力，降低技术难度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。因此，本申请提出一种新的燃烧室喷管一体化设计方案，其目的是通过几何构型的调整实现斜爆震波在来流状态改变时依然能够稳定。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员公知的现有技术。

发明内容

针对背景技术中存在的缺陷，本发明提出了一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法，实现爆震波的驻定控制。本发明的另一目的是提供一种基于斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法的装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法，其特征在于，该方法中的发动机包括进气道、隔离段、控制系统、一体化燃烧室喷管；所述一体化燃烧室喷管包括燃烧室上壁面，喷管入口壁面，尾部扩张壁面，抽气孔，波面检测点，燃烧室下楔面；所述控制系统包括三个爆震波监测器、支杆调节装置和用于设备之间传输信号的线路；所述三个爆震波监测器分别位于上壁面的三个可调段下游的波面检测点，所述支杆调节装置，包括控制器与伸缩支杆；所述控制器包括信号输入模块、信号处理器、输出控制模块，信号输入模块用于接收爆震波监测器和支杆状态的信号，并将信号传输给处理器；处理器用于分析信号源和调节装置的状态，处理控制信息，并发出控制信号；

超声速来流与前体喷射的燃料在进气道内进行混合，然后混合气经过进气道进入隔离段并进行更加充分混合；气流进入燃烧室后，由于下楔面斜激波的诱导起爆为斜爆震燃烧方式，当斜爆震起爆后，信号输入模块接受爆震波监测器从波面检测点的信号获得其波面的位置，当波面位置位于与喷管下游时，调节上壁面伸缩支杆，同时打开抽气孔并开启抽吸泵，实现削弱上游膨胀波的作用从而抑制高温回流区的形成；当波面位置位于喷管上游时，则对上壁面与下楔面的伸缩支杆进行联动调节，上壁面主要是伸缩支杆的回缩以实现马赫杆位置不向上游传播，同时调节下楔面的伸缩支杆，防止由于马赫反射后在下楔面形成二次反射而导致波面失稳，从而使燃烧室内形成可持续驻定的斜爆震波，爆震燃烧产物然后经过超声速扩张喷管产生推力。

优选的，控制器设置有两种模式：自动控制模式和手动控制模式。

优选的，控制器两种模式的运作方法是：默认为自动控制模式，当控制器接收到信号却未作出对应控制动作时，判定为自动控制失效，自动切换到手动控制模式并提示驾驶员或操作员进行手动控制。

本发明提供一种基于斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法的装置，包括进气道、隔离段、控制系统、一体化燃烧室喷管；所述一体化燃烧室喷管包括燃烧室上壁面，喷管入口壁面，尾部扩张壁面，抽气孔，波面检测点，燃烧室下楔面；所述控制系统包括三个爆震波监测器、支杆调节装置和用于设备之间传输信号的线路；所述三个爆震波监测器分别位于上壁面的三个可调段下游的波面检测点，所述支杆调节装置，包括控制器与伸缩支杆；所述控制器包括信号输入模块、信号处理器、输出控制模块，信号输入模块用于接收爆震波监测器和支杆状态的信号，并将信号传输给处理器；处理器用于分析信号源和调节装置的状态，处理控制信息，并发出控制信号。

优选的，燃烧室下楔面为分段式，燃烧室下楔面前半段角度固定，后半段角度可调减小。

优选的，该装置适用飞行马赫数范围为7-10，以及更高马赫数。

本发明的有益技术效果是：

1.控制手段多样。

现有方案对爆震波与内壁作用位置的调控，仅依赖斜劈角度。本申请方案用上下壁面构型变化实现了对斜爆震波的角度、波系结构、位置的调节。其中活动拐点控制了来流角度和拐点位置。下楔面控制了下游的波系结构。除此之外，还设置了抽吸孔，增加了整个控制系统的可靠性。

2.自动控制路径更简单。

现有方案主要检测来流状态而改变爆震波波面角度和位置，这样对燃烧状态改变剧烈，难以保证稳定推力的获取，而本申请的方法是检测波面位置但并不改变。调节的波面是下游流动状态，方法简单可靠性更强，无需高精度的调节量而实现燃烧的稳定。

3.充足的改进空间

本方案的目标在于抑制由于爆震波波面与喷管不匹配导致的失稳问题，只提供了单一的支杆调节方案。实际上要实现该目标可借鉴的工程调节思路有多种，便于应用时的改进和扩展，减小了实际应用时的难度。

附图说明

图1为基于斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法装置的结构示意图；

图2为上壁面控制系统的结构示意图；

图3为下楔面控制系统的结构示意图；

图中：1.燃烧室上壁面，2.喷管入口壁面，3.尾部扩张壁面，4.抽气孔，5.伸缩支杆，6.波面检测点，7.燃烧室下楔面,8.进气道,9.隔离段,10.一体化燃烧室喷管。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法，实现爆震波的驻定控制。参照图1-图3，图1为基于斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法装置的结构示意图，图2为上壁面控制系统的结构示意图,图3为下楔面控制系统的结构示意图。一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法，其特征在于，该方法中的发动机包括进气道、隔离段、控制系统、一体化燃烧室喷管；所述一体化燃烧室喷管包括燃烧室上壁面1，喷管入口壁面2，尾部扩张壁面3，抽气孔4，波面检测点6，燃烧室下楔面7；所述控制系统包括三个爆震波监测器、支杆调节装置和用于设备之间传输信号的线路；所述三个爆震波监测器分别位于上壁面的三个可调段下游的波面检测点6，所述支杆调节装置，包括控制器与伸缩支杆5；所述控制器包括信号输入模块、信号处理器、输出控制模块，信号输入模块用于接收爆震波监测器和支杆状态的信号，并将信号传输给处理器；处理器用于分析信号源和调节装置的状态，处理控制信息，并发出控制信号；

超声速来流与前体喷射的燃料在进气道内进行混合，然后混合气经过进气道进入隔离段并进行更加充分混合；气流进入燃烧室后，由于下楔面斜激波的诱导起爆为斜爆震燃烧方式，当斜爆震起爆后，信号输入模块接受爆震波监测器从波面检测点6的信号获得其波面的位置，当波面位置位于与喷管下游时，调节上壁面伸缩支杆5，同时打开抽气孔4并开启抽吸泵，实现削弱上游膨胀波的作用从而抑制高温回流区的形成；当波面位置位于喷管上游时，则对上壁面与下楔面的伸缩支杆进行联动调节，上壁面主要是伸缩支杆5的回缩以实现马赫杆位置不向上游传播，同时调节下楔面的伸缩支杆，防止由于马赫反射后在下楔面形成二次反射而导致波面失稳，从而使燃烧室内形成可持续驻定的斜爆震波，爆震燃烧产物然后经过超声速扩张喷管产生推力。

优选的，控制器设置有两种模式：自动控制模式和手动控制模式。

优选的，控制器两种模式的运作方法是：默认为自动控制模式，当控制器接收到信号却未作出对应控制动作时，判定为自动控制失效，自动切换到手动控制模式并提示驾驶员或操作员进行手动控制。

本发明提供一种基于斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法的装置，包括进气道8、隔离段9、控制系统、一体化燃烧室喷管10；所述一体化燃烧室喷管包括燃烧室上壁面1，喷管入口壁面2，尾部扩张壁面3，抽气孔4，波面检测点6，燃烧室下楔面7；所述控制系统包括三个爆震波监测器、支杆调节装置和用于设备之间传输信号的线路；所述三个爆震波监测器分别位于上壁面的三个可调段下游的波面检测点6，所述支杆调节装置，包括控制器与伸缩支杆5；所述控制器包括信号输入模块、信号处理器、输出控制模块，信号输入模块用于接收爆震波监测器和支杆状态的信号，并将信号传输给处理器；处理器用于分析信号源和调节装置的状态，处理控制信息，并发出控制信号。

优选的，燃烧室下楔面为分段式，燃烧室下楔面前半段角度固定，后半段角度可调减小。

优选的，该装置适用飞行马赫数范围为7-10，以及更高马赫数。

工作原理如下：

超声速可燃气体经过进气道8、隔离段9后进入一体化燃烧室喷管10，由于下楔面斜激波的诱导起爆，起爆产生斜爆震波，爆震波监测器实时监控起爆位置，并把信号传输给控制器。当波面位置位于与喷管下游时，调节上支杆位置，同时打开抽气孔4并开启抽吸泵，所实现的目标是将爆震波位置与喷管位置的恰当耦合从而抑制高温回流区的形成，即消除回流区后能够实现稳定的斜爆震燃烧场结构。当波面位置位于喷管上游时，上壁面与下楔面的联动调节目标是实现稳定的马赫反射燃烧场结构。

另外，当任意监测器输出信号，但控制器未输出相应控制动作时，则将输入信号源切换为手动控制模式，并发出提示信号。由手动完成上述控制动作。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法，其特征在于，该方法中的发动机包括进气道、隔离段、控制系统、一体化燃烧室喷管；所述一体化燃烧室喷管包括燃烧室上壁面(1)，喷管入口壁面(2)，尾部扩张壁面(3)，抽气孔(4)，波面检测点(6)，燃烧室下楔面(7)；所述控制系统包括三个爆震波监测器、支杆调节装置和用于设备之间传输信号的线路；所述三个爆震波监测器分别位于上壁面的三个可调段下游的波面检测点(6)，所述支杆调节装置，包括控制器与伸缩支杆(5)；所述控制器包括信号输入模块、信号处理器、输出控制模块，信号输入模块用于接收爆震波监测器和支杆状态的信号，并将信号传输给处理器；处理器用于分析信号源和调节装置的状态，处理控制信息，并发出控制信号；

超声速来流与前体喷射的燃料在进气道内进行混合，然后混合气经过进气道进入隔离段并进行更加充分混合；气流进入燃烧室后，由于下楔面斜激波的诱导起爆为斜爆震燃烧方式，当斜爆震起爆后，信号输入模块接受爆震波监测器从波面检测点(6)的信号获得其波面的位置，当波面位置位于与喷管下游时，调节上壁面伸缩支杆(5)，同时打开抽气孔(4)并开启抽吸泵，实现削弱上游膨胀波的作用从而抑制高温回流区的形成；当波面位置位于喷管上游时，则对上壁面与下楔面的伸缩支杆进行联动调节，上壁面主要是伸缩支杆(5)的回缩以实现马赫杆位置不向上游传播，同时调节下楔面的伸缩支杆，防止由于马赫反射后在下楔面形成二次反射而导致波面失稳，从而使燃烧室内形成可持续驻定的斜爆震波，爆震燃烧产物然后经过超声速扩张喷管产生推力。

2.根据权利要求1所述一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法，其特征在于，控制器设置有两种模式：自动控制模式和手动控制模式。

3.根据权利要求2所述一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法，其特征在于，控制器两种模式的运作方法是：默认为自动控制模式，当控制器接收到信号却未作出对应控制动作时，判定为自动控制失效，自动切换到手动控制模式并提示驾驶员或操作员进行手动控制。

4.一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化装置，用于执行权利要求1-3任一项所述的控制方法，其特征在于，包括进气道、隔离段、控制系统、一体化燃烧室喷管；所述一体化燃烧室喷管包括燃烧室上壁面(1)，喷管入口壁面(2)，尾部扩张壁面(3)，抽气孔(4)，波面检测点(6)，燃烧室下楔面(7)；所述控制系统包括三个爆震波监测器、支杆调节装置和用于设备之间传输信号的线路；所述三个爆震波监测器分别位于上壁面的三个可调段下游的波面检测点(6)，所述支杆调节装置，包括控制器与伸缩支杆(5)；所述控制器包括信号输入模块、信号处理器、输出控制模块，信号输入模块用于接收爆震波监测器和支杆状态的信号，并将信号传输给处理器；处理器用于分析信号源和调节装置的状态，处理控制信息，并发出控制信号。

5.根据权利要求4所述一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化装置，其特征在于，所述燃烧室下楔面(7)为分段式，燃烧室下楔面(7)前半段角度固定，后半段角度可调减小。

6.根据权利要求4所述一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化装置，其特征在于，所述装置适用飞行马赫数范围为7-10。

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