CN113048516B - 爆震燃烧室、超燃冲压发动机及高超声速飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种爆震燃烧室、超燃冲压发动机及高超声速飞行器，在燃烧室内设置有斜坡，所述斜坡自燃烧室入口端向燃烧室出口端向上倾斜设置，所述斜坡表面设置有抽吸孔，抽吸孔联通抽吸装置或者真空腔，抽吸孔内设置有抽吸阀门，抽吸阀门位置低于斜坡表面，抽吸阀门关闭时，抽吸阀门以上的抽吸孔形成斜坡表面上的凹腔，抽吸阀门打开时，能够对波后产物进行抽吸。本发明通过抽吸孔、抽吸阀门的设计，同时将凹腔和壁面抽吸应用于斜坡，达到促进斜爆震波起爆和抑制斜爆震波发生前传的目的，从而能够拓宽斜爆震波的驻定范围。

Description

爆震燃烧室、超燃冲压发动机及高超声速飞行器

技术领域

本发明属于高超声速推进技术领域，更具体地，涉及一种爆震燃烧室、超燃冲压发动机及高超声速飞行器。

背景技术

近年来，高超声速推进领域成为国内外竞相追逐的新的领域，高超声速飞行器在国防军事领域极具发展潜力。目前基于Brayton等压燃烧循环的超燃冲压发动机能够在一定范围内实现高马赫飞行，并且在技术上也已经取得了较大进展。但由于其燃烧方式自身的限制，热力循环效率很难有所提高。而爆震发动机则具有比传统超燃冲压发动机更高的热力循环效率和更快的热释放效率，同时还具有结构简单、尺寸小的优点。特别是斜爆震发动机，更适合于马赫8以上的冲压飞行。在斜爆震发动机的燃烧室中，爆震波通过斜坡诱导起爆，起爆后的斜爆震波能够驻定在斜坡表面，并且燃烧区域仅仅在爆震波面附近，快速完成化学反应，并产生推力。斜爆震波的成功起爆和驻定是斜爆震发动机工作的前提，由于斜爆震波自身的特性，基于斜爆震的飞行器只能在一定的有限的飞行工况内才能使得斜爆震波驻定，从而使斜爆震发动机正常工作。拓宽斜爆震波的驻定范围是斜爆震发动机走向应用必须解决的问题。

对于特定的预混气来流，爆震波起爆并且驻定对斜坡角度有一定的要求，当斜坡角度过小时难以起爆爆震波，当斜坡角度过大时斜爆震波会发生前传。在这种条件下，通过有效的主动或者被动措施促进斜爆震波的起爆并且控制爆震波不发生前传将对斜爆震发动机的工作产生重要意义。

现有的斜爆震发动机方案一般采用固定角度的斜坡在超声速来流中诱导斜爆震波起爆，小角度难以起爆，大角度时又很容易造成斜爆震波的前传，特别是在目前难以获得高马赫来流的情况下，小角度斜坡下的爆震波起爆和驻定是目前实验研究中的重要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种爆震燃烧室、超燃冲压发动机及高超声速飞行器。

本发明的技术方案是：

爆震燃烧室，所述燃烧室内设置有斜坡，所述斜坡自燃烧室入口端向燃烧室出口端向上倾斜设置，所述斜坡表面设置有抽吸孔，抽吸孔联通抽吸装置或者真空腔，抽吸孔内设置有抽吸阀门，抽吸阀门位置低于斜坡表面，抽吸阀门关闭时，抽吸阀门以上的抽吸孔形成斜坡表面上的凹腔，抽吸阀门打开时，能够对波后产物进行抽吸。本发明通过抽吸孔、抽吸阀门的设计，同时将凹腔和壁面抽吸应用于斜坡，达到促进斜爆震波起爆和抑制斜爆震波发生前传的目的，从而能够拓宽斜爆震波的驻定范围。

作为本发明的优选方案，自燃烧室入口端向燃烧室出口端的燃烧室侧壁上等间距设置有压力传感器，通过各压力传感器实时监测燃烧室各个位置的压力信息，并能据此判断爆震波是否发生前传。

作为本发明的优选方案，所述斜坡表面的不同高度位置设置有抽吸孔，抽吸孔内设置有抽吸阀门，抽吸阀门位置均低于斜坡表面，各抽吸阀门分别独立控制，抽吸阀门关闭时，抽吸阀门以上的抽吸孔形成斜坡表面上的凹腔，抽吸阀门打开时，能够对波后产物进行抽吸。数值模拟研究的结果表明，在斜爆震波不同位置进行抽吸实现的控制效果会有较大差别，因此在不同位置设置抽吸孔可以实现不同强度的抽吸，对斜爆震波实现不同程度的控制。

作为本发明的优选方案，所述斜坡表面设置三个抽吸孔，三个抽吸孔内的抽吸阀门可以进行单独控制，并且根据需要进行打开或者关闭。

当斜坡倾斜角度小于来流条件对应的CJ偏转角时，无法自发实现斜爆震波的起爆，此时抽吸孔内抽吸阀门关闭，抽吸孔起到凹腔的作用，当超声速来流经过凹腔时会形成低速回流区，并且在前向台阶形成高温高压点，从而起爆斜爆震波。此外，数值模拟研究表明，在凹腔后缘会形成斜激波，该斜激波会与斜爆震波面发生相交并形成一个三波点，该三波点的形成有助于增强斜爆震波面的稳定性。其中，CJ偏转角是指能够在来流条件下通过斜激波的压缩作用自发实现起爆，并形成斜爆震波的最小偏转角，此时形成的斜爆震波拥有最小的波角，称为CJ斜爆震波，这种斜爆震波具有最小的熵增和最大的热力循环效率，CJ偏转角可根据来流条件计算得到。通常情况CJ偏转角在15度左右。

当斜坡倾斜角度小于来流条件对应的CJ偏转角，并通过关闭抽吸阀门实现斜爆震波起爆后，需根据斜爆震波的运动情况控制抽吸阀门的开闭，如果斜爆震波能够驻定在某一位置而不发生前传，则将抽吸阀门关闭；如果斜爆震波发生前传，则将抽吸阀门打开，对斜爆震波后的燃烧产物进行抽离，从而能够有效降低斜爆震波的温度和压力，使得爆震波角减小，抑制斜爆震波前传。

当斜坡倾斜角度大于来流条件对应的CJ偏转角时，斜爆震波能够自发实现起爆，；如果斜爆震波没有发生前传，则将抽吸阀门关闭，一旦监测到斜爆震波发生前传，则将抽吸阀门打开，通过抽吸直至斜爆震波不发生前传为止。

超燃冲压发动机，包括进气道、隔离段、燃烧室和超声速喷管，所述燃烧室为上述任一种爆震燃烧室。

高超声速飞行器，包括超燃冲压发动机，所述超燃冲压发动机包括进气道、隔离段、燃烧室和超声速喷管，所述燃烧室为上述任一种爆震燃烧室。

本发明的技术效果是：

本发明提出一种用于斜爆震发动机的爆震燃烧室，该爆震燃烧室利用斜坡诱导起爆斜爆震波，并利用凹腔和壁面抽吸控制爆震波的起爆和驻定，拓宽斜爆震波在燃烧室的起爆和驻定范围。当斜坡角度小于来流条件对应的CJ偏转角时，仅通过斜坡诱导无法自发起爆斜爆震波，此时由于壁面凹腔的存在，超声速来流在经过凹腔时会形成低速回流区，回流区静温升高，同时超声速来流与前向台阶发生碰撞形成局部高温高压的热点，从而能够促进斜爆震波的起爆。而当斜坡角度大于来流条件对应的CJ偏转角时，当斜爆震波起爆后，很容易发生波面的抬升甚至前传，这对于斜爆震发动机的稳定工作极为不利。此时将凹腔底部阀门打开，连接至真空腔，通过壁面抽吸将斜爆震波后的高温高压产物进行一定程度的抽离，使波后温度和压力降低，从而减小斜爆震波角，抑制斜爆震波发生前传。

本发明采用斜坡上的凹腔促进斜爆震波起爆，结构简单，并且能够增加爆震波起爆的工况范围。将凹腔用于斜爆震发动机燃烧室中时，其尺寸和构型设计有较多的经验可以借鉴。

本发明将壁面抽吸和凹腔进行整合，通过抽吸阀门的控制使其发挥完全不同的作用，结构简单，灵活可靠。

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为本发明一实施例中的超燃冲压发动机的结构示意图；

图2为本发明一实施例的结构示意图。

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。

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。

参照图2，在本发明一实施例中所提供的爆震燃烧室，在燃烧室内设置有斜坡1，所述斜坡1自燃烧室入口端向燃烧室出口端向上倾斜设置，所述斜坡表面设置有抽吸孔，抽吸孔联通真空腔8。本实施例在斜坡表面的不同高度位置设置三个抽吸孔，分别为第一抽吸孔2，第二抽吸孔3和第三抽吸孔4，三个抽吸孔之间的间距可以相等以及不相等。

第一抽吸孔2，第二抽吸孔3和第三抽吸孔4内分别设置有第一抽吸阀门5、第二抽吸阀门6、第三抽吸阀门7，各抽吸阀门位置均低于斜坡表面。三个抽吸孔内的抽吸阀门可以进行单独控制，并且根据需要进行打开或者关闭。抽吸阀门关闭时，抽吸阀门以上的抽吸孔形成斜坡表面上的凹腔，抽吸阀门打开时，能够对波后产物进行抽吸。

本发明通过抽吸孔、抽吸阀门的设计，同时将凹腔和壁面抽吸应用于斜坡，达到促进斜爆震波500起爆和抑制斜爆震波500发生前传的目的，从而能够拓宽斜爆震波的驻定范围。数值模拟研究的结果表明，在斜爆震波不同位置进行抽吸实现的控制效果会有较大差别，因此在不同位置设置抽吸孔可以实现不同强度的抽吸，对斜爆震实现不同程度的控制。自燃烧室入口端向燃烧室出口端的燃烧室侧壁上等间距设置有压力传感器(图中未示出)，通过各压力传感器实时监测燃烧室各个位置的压力信息，并能据此判断爆震波是否发生前传。

当斜坡倾斜角度小于来流条件对应的CJ偏转角时，无法自发实现斜爆震波的起爆，此时抽吸孔内抽吸阀门关闭，抽吸孔起到凹腔的作用，当超声速来流经过凹腔时会形成低速回流区，并且在前向台阶形成高温高压点，从而起爆斜爆震波。此外，数值模拟研究表明，在凹腔后缘会形成斜激波，该斜激波会与斜爆震波面发生相交并形成一个三波点，该三波点的形成有助于增强斜爆震波面的稳定性。其中，CJ偏转角是指能够在来流条件下通过斜激波的压缩作用自发实现起爆，并形成斜爆震波的最小偏转角，此时形成的斜爆震波拥有最小的波角，称为CJ斜爆震波，这种斜爆震波具有最小的熵增和最大的热力循环效率，CJ偏转角可根据来流条件计算得到。通常情况CJ偏转角在15度左右。

当斜坡倾斜角度小于来流条件对应的CJ偏转角，并通过关闭抽吸阀门实现斜爆震波起爆后，需根据斜爆震波的运动情况控制抽吸阀门的开闭，如果斜爆震波能够驻定在某一位置而不发生前传，则将抽吸阀门关闭；如果斜爆震波发生前传，则将抽吸阀门打开，对斜爆震波后的燃烧产物进行抽离，从而能够有效降低斜爆震波的温度和压力，使得爆震波角减小，抑制斜爆震波前传。

当斜坡倾斜角度大于来流条件对应的CJ偏转角时，斜爆震波能够自发实现起爆。此时的斜爆震波非常容易发生前传，需要对斜爆震波的状态进行实时监测。如果斜爆震波没有发生前传，则将抽吸阀门关闭，一旦监测到斜爆震波发生前传，则将抽吸阀门打开，通过抽吸直至斜爆震波不发生前传为止。抽吸过程利用抽吸电机泵进行抽吸，抽吸电机泵通过管路联通真空腔，打开抽吸阀门同时开启抽吸电机泵，通过控制抽吸电机泵的功率来控制抽吸强度，通过控制抽吸强度可以控制抽吸孔和燃烧室内压差。

参照图1，在本发明一实施例中提供一种超燃冲压发动机，包括进气道、隔离段、燃烧室和超声速喷管，所述燃烧室为图1所示实施例中提供的爆震燃烧室。

在本发明一实施例中提供一种高超声速飞行器，包括超燃冲压发动机，所述超燃冲压发动机包括进气道100、隔离段200、燃烧室300和超声速喷管400，所述燃烧室为图1所示实施例中提供的爆震燃烧室。

上述实施例，将凹腔和抽吸孔相结合，通过抽吸阀门的开启和关闭来控制其功能，在小角度时起到凹腔的作用，增强斜爆震波500的起爆。在大角度时起到壁面抽吸的作用，将高温高压产物进行部分抽离，抑制斜爆震波的前传。最终通过抽吸阀门的控制有效扩大斜爆震波的起爆和驻定范围。此外，在斜坡上采用三个抽吸空设计方案，能够通过独立控制不同位置的抽吸空进行不同程度的抽吸控制，实现对爆震波面的不同程度的影响。

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 (10)

1.爆震燃烧室，其特征在于：所述燃烧室内设置有斜坡，所述斜坡自燃烧室入口端向燃烧室出口端向上倾斜设置，所述斜坡表面设置有抽吸孔，抽吸孔联通抽吸装置或者真空腔，抽吸孔内设置有抽吸阀门，抽吸阀门位置低于斜坡表面；抽吸阀门关闭时，抽吸阀门以上的抽吸孔形成斜坡表面上的凹腔，抽吸阀门打开时，能够对波后产物进行抽吸。

2.根据权利要求1所述的爆震燃烧室，其特征在于：所述斜坡表面的不同高度位置设置有抽吸孔，抽吸孔内设置有抽吸阀门，抽吸阀门位置均低于斜坡表面，抽吸阀门关闭时，抽吸阀门以上的抽吸孔形成斜坡表面上的凹腔，抽吸阀门打开时，能够对波后产物进行抽吸。

3.根据权利要求2所述的爆震燃烧室，其特征在于：各抽吸阀门分别独立控制打开或者关闭。

4.根据权利要求2所述的爆震燃烧室，其特征在于：所述斜坡表面设置三个抽吸孔。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的爆震燃烧室，其特征在于：自燃烧室入口端向燃烧室出口端的燃烧室侧壁上等间距设置有压力传感器，通过各压力传感器实时监测燃烧室各个位置的压力信息，并能据此判断爆震波是否发生前传。

6.根据权利要求5所述的爆震燃烧室，其特征在于：当斜坡倾斜角度小于来流条件对应的CJ偏转角时，无法自发实现斜爆震波的起爆，此时抽吸孔内抽吸阀门关闭，抽吸孔起到凹腔的作用，当超声速来流经过凹腔时会形成低速回流区，并且在前向台阶形成高温高压点，从而起爆斜爆震波。

7.根据权利要求6所述的爆震燃烧室，其特征在于：当斜坡倾斜角度小于来流条件对应的CJ偏转角，并通过关闭抽吸阀门实现斜爆震波起爆后，根据斜爆震波的运动情况控制抽吸阀门的开闭，如果斜爆震波能够驻定在某一位置而不发生前传，则将抽吸阀门关闭；如果斜爆震波发生前传，则将抽吸阀门打开，对斜爆震波后的燃烧产物进行抽离，从而能够降低斜爆震波的温度和压力，使得爆震波角减小，抑制斜爆震波前传。

8.根据权利要求5所述的爆震燃烧室，其特征在于：当斜坡倾斜角度大于来流条件对应的CJ偏转角时，斜爆震波能够自发实现起爆；斜爆震波起爆后，如果斜爆震波没有发生前传，则将抽吸阀门关闭，一旦监测到斜爆震波发生前传时，则将抽吸阀门打开，通过抽吸直至斜爆震波不发生前传为止。

9.超燃冲压发动机，包括进气道、隔离段、燃烧室和超声速喷管，其特征在于：所述燃烧室为权利要求1至4中任一项所述的爆震燃烧室。

10.高超声速飞行器，包括超燃冲压发动机，所述超燃冲压发动机包括进气道、隔离段、燃烧室和超声速喷管，其特征在于：所述燃烧室为权利要求1至4中任一项所述的爆震燃烧室。

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