CN115263564A - 一种宽域冲压发动机推力突变的调控方法 - Google Patents

Abstract

提供一种宽域冲压发动机推力突变的调控装置，包括上游壁面(1)、凹腔(2)、下游壁面(3)、前壁面(4)、后壁面(5)、左壁面(6)、右壁面(7)、下壁面(8)，左安装孔(9)和右安装孔(10)；整个装置呈等宽度外扩张构型。还提供一种宽域冲压发动机推力突变的调控方法。本发明通过等离子体辅助射流，调控宽域冲压发动机推力的突变特性，能够实现宽域冲压发动机推力的平稳变化，提高发动机的工作稳定性。采用左、右两个等离子体辅助射流器，用于调控宽域冲压发动机推力突变，能够保证燃料燃烧充分，从而提高发动机推力性能。

Description

一种宽域冲压发动机推力突变的调控方法

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，特别涉及一种宽域冲压发动机推力突变的调控方法。

背景技术

为实现高速飞行器的高比冲飞行，冲压发动机应运而生。按照发动机进口的气流速度，冲压发动机可分为亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机。高速飞行器在加速爬升、巡航飞行等阶段，需要不同的推力需求。为满足宽速域飞行，冲压发动机在低速时为亚燃工作模态、高速时为超燃工作模态，这种发动机称为宽域冲压发动机。

宽域冲压发动机一般由进气道、隔离段、燃烧室和喷管等部件组成。由于飞行高度、飞行马赫数的变化幅度大，宽域冲压发动机进口的气流速度、气流压力、气流密度变化剧烈。气流经进气道和隔离段后，与燃烧室的工作特性相互耦合，导致发动机的释热变化剧烈，产生推力突变。推力突变的产生，对飞行器的飞行控制提出了极大挑战。对于固定几何冲压发动机，这个问题更为突出。

目前针对宽域冲压发动机推力突变的研究，主要集中在推力突变产生的原因及相关机理的研究，针对推力突变的调控研究较少。为实现宽域冲压发动机整个飞行包线范围内的推力平稳，急需开展宽域冲压发动机推力突变的调控方法研究。

发明内容

针对宽域冲压发动机大速度范围飞行，导致推力出现突变这一问题，本发明提供一种宽域冲压发动机推力突变的调控装置，以下简称为“调控装置”，包括上游壁面1、凹腔2、下游壁面3、前壁面4、后壁面5、左壁面6、右壁面7、下壁面8，左安装孔9和右安装孔10；整个装置呈等宽度外扩张构型；在前壁面4和后壁面5处，左壁面6和右壁面7之间的横向间距相等，左壁面6和右壁面7相互平行；上游壁面1和下壁面8在前壁面4处的间距大于下游壁面3和下壁面8在后壁面5处的间距；上游壁面1和下壁面8之间的夹角为一个较小的角度θ；上游壁面1和下游壁面3处于同一平面上；

上游壁面1沿展向设置两个等离子体辅助射流器的安装孔，左安装孔9和右安装孔10为自上而下贯穿调控装置的通孔，位于凹腔上游，且两个安装孔关于本发明装置流向中轴面呈轴对称；左安装孔9和右安装孔10中心的连线与前壁面4平行，将左安装孔9和右安装孔10的形状设计成适应安装于其内的等离子体辅助射流器；

凹腔2由竖直壁面11、底壁面12、斜壁面13组成；竖直壁面11与上游壁面1垂直，底壁面12与上游壁面1平行，斜壁面与上游壁面1所处平面呈一定夹角；第一燃料入口21、第二燃料入口22是设置在下壁面8上的小孔，位于左安装孔9和右安装孔10下游与凹腔竖直壁面11之间，第一燃料入口21、第二燃料入口22孔中心的连线与下壁面8上左安装孔9和右安装孔10孔中心的连线平行；在竖直壁面11上设置两个燃料喷注孔，左喷注孔14和右喷注孔15，这两个燃料喷注孔中心的连线平行于凹腔底壁面12，左喷注孔14与第一燃料入口21贯通，右喷注孔15与第二燃料入口22贯通；

等离子体辅助射流器由预混室16和射流生成室17组成；预混室16在下，为一圆柱形空腔，具有下端面和上端面，整体为绝缘材料制成；射流生成室17在预混室16上面，由圆柱形空腔及位于空腔中心的中心电极组成，具有下端面和上端面，上端面和侧壁为导电金属制成，下端面为绝缘材料，预混室16直径大于射流生成室17直径；其中预混室16上端面和射流生成室17下端面复合为一个共用端面；预混室空腔与射流生成室空腔通过二者之间的共用端面上设置的圆形小孔连通；预混室16下端面上设置空气进口18和燃料进口19；在射流生成室17上端面上设置射流喷口20；射流生成室17上端面与调控装置上游壁面1齐平；

在射流生成室17中设置中心电极，中心电极通过共用端面上的圆形小孔经导线引出至预混室16，再由预混室16下端面上打孔引出，连接至电源高压端；射流生成室17上端面为金属导体，其通过导线连接至电源低压端；

等离子体辅助射流器中心电极连接电源高压端，射流生成室17的壁面连接电源低压端。

在本发明的一个具体实施例中，θ为2.5度。

在本发明的另一个具体实施例中，竖直壁面11的高度为16毫米，底壁面长度72毫米，斜壁面与上游壁面所处平面的夹角为50度。

在本发明的又一个具体实施例中，左喷注孔14与第一燃料入口21之间的孔道与左壁面6平行，右喷注孔15与第二燃料入口22之间的孔道与右壁面7平行。

在本发明的再一个具体实施例中，左喷注孔14、右喷注孔15直径均为0.3毫米。

在本发明的一个实施例中，预混室空腔与射流生成室空腔通过二者之间共用端面上设置的圆形小孔连通的大小和数量根据离子体辅助射流器的流量设定。

在本发明的还一个具体实施例中，燃料进口19为圆形截面，直径为2毫米，设置在预混室16下端面的中心位置；空气进口亦为圆形截面，直径为5毫米，设置在预混室16下端面圆心与边缘之间。

在本发明的其他一个具体实施例中，射流喷口20为圆形截面。

还提供一种宽域冲压发动机推力突变的调控方法，具体包括下列步骤：

步骤1：将宽域冲压发动机推力突变的调控装置作为底壁面安装到冲压发动机燃烧室上，把燃烧室安装到冲压发动机直连式试验台上；燃烧室前端与直连式试验台的隔离段相连接，燃烧室后端与喷管相连；

步骤2：启动冲压发动机直连式试验台，超声速气流经隔离段后，进入宽域冲压发动机推力突变的调控装置，然后经喷管排向大气；启动燃料喷注，使左喷注孔14和右喷注孔15向凹腔2内喷注燃料，燃料经雾化、蒸发、与气流混合后，经喷管排向大气；

步骤3：启动等离子体辅助射流器，空气经空气进口进入预混室16，燃料经燃料进口进入预混室16；空气和燃料在预混室16内混合后形成混合气，进入射流生成室17；混合气在射流生成室17中，经等离子体电弧加热后，进行离解和燃烧，形成带有火焰的高温燃气；

步骤4：带火焰的高温燃气经等离子体辅助射流器的射流喷口，排向燃烧室，并下游运动；带火焰的高温燃气在燃烧室中与空气进一步混合，进行充分燃烧；同时带火焰的高温燃引燃从凹腔左喷注孔14和右喷注孔15喷射出来的燃料，形成射流尾迹稳焰模式，保证燃烧室内的燃料充分燃烧；

步骤5：在发动机来流速度逐渐降低的过程中，通过逐步减小等离子体辅助射流器的燃料当量比和流量，将燃烧室的射流尾迹稳焰模式逐渐缓慢地过渡到凹腔稳焰模式，实现发动机推力的平稳变化；

步骤6：在发动机来流速度逐渐升高的过程中，通过逐步增大等离子体辅助射流器的燃料当量比和流量，将燃烧室的凹腔稳焰模式逐渐缓慢地过渡到射流尾迹稳焰模式，实现发动机推力的平稳变化。

本发明用于冲压发动机推力变化特性的平稳调控，降低发动机控制的难度，提高发动机的工作稳定性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出的技术效果：

(1)本发明通过等离子体辅助射流，调控宽域冲压发动机推力的突变特性，能够实现宽域冲压发动机推力的平稳变化，提高发动机的工作稳定性。

(2)本发明采用左、右两个等离子体辅助射流器，用于调控宽域冲压发动机推力突变，能够保证燃料燃烧充分，从而提高发动机推力性能。

附图说明

图1为本发明的宽域冲压发动机推力突变的调控装置示意图图，其中图1(a)示出装置的内部结构，图1(b)示出装置的底部结构(注意描述出两个图是调了约180度)；

图2为本发明的等离子体辅助射流器示意图。

具体实施方式

本发明提供一种宽域冲压发动机推力突变的调控装置。

宽域冲压发动机推力突变的调控装置(以下简称为“调控装置”)包括上游壁面1、凹腔2、下游壁面3、前壁面4、后壁面5、左壁面6、右壁面7、下壁面8，左安装孔9和右安装孔10。整个装置呈等宽度外扩张构型。在前壁面4和后壁面5处，左壁面6和右壁面7之间的横向间距相等，左壁面6和右壁面7相互平行。上游壁面1和下壁面8在前壁面4处的间距大于下游壁面3和下壁面8在后壁面5处的间距。上游壁面1和下壁面8之间的夹角为一个较小的角度θ，在本发明的一个具体实施例中，θ为2.5度。上游壁面1和下游壁面3处于同一平面上。

上游壁面1沿展向设置两个等离子体辅助射流器的安装孔，左安装孔9和右安装孔10为自上而下贯穿调控装置的通孔，位于凹腔上游，且两个安装孔关于本发明装置流向中轴面呈轴对称。左安装孔9和右安装孔10中心的连线与前壁面4平行，将左安装孔9和右安装孔10的形状设计成适应安装于其内的等离子体辅助射流器(等离子体辅助射流器具体介绍如后续所述)。

凹腔2由竖直壁面11、底壁面12、斜壁面13组成。竖直壁面11与上游壁面1垂直，底壁面12与上游壁面1平行，斜壁面与上游壁面1所处平面呈一定夹角，凹腔2为本领域惯用技术手段，其形状为惯用形状。在本发明的一个具体实施例中，竖直壁面11的高度为16毫米，底壁面长度72毫米，斜壁面与上游壁面所处平面的夹角为50度。第一燃料入口21、第二燃料入口22是设置在下壁面8上的小孔，位于左安装孔9和右安装孔10下游与凹腔竖直壁面11之间，第一燃料入口21、第二燃料入口22孔中心的连线与下壁面8上左安装孔9和右安装孔10孔中心的连线平行。在竖直壁面11上设置两个燃料喷注孔，左喷注孔14和右喷注孔15，这两个燃料喷注孔中心的连线平行于凹腔底壁面12，左喷注孔14与第一燃料入口21贯通，右喷注孔15与第二燃料入口22贯通，具体的贯通方式一般视加工方便而定，为简单起见，可以设计为“L”形贯通或直线贯通。在本发明的一个实施例中，左喷注孔14与第一燃料入口21之间的孔道与左壁面6平行，右喷注孔15与第二燃料入口22之间的孔道与右壁面7平行。在本发明的一个具体实施例中，两个喷注孔直径均为0.3毫米。左喷注孔14与安装孔9中心的连线和左壁面6平行，右喷注孔15与安装孔10中心的连线和右壁面7平行。

等离子体辅助射流器由预混室16和射流生成室17组成。预混室16在下且直径较大，为一圆柱形空腔，具有下端面和上端面，整体为绝缘材料制成。射流生成室17在预混室16上面，由圆柱形空腔及位于空腔中心的中心电极组成，具有下端面和上端面，上端面和侧壁为导电金属制成，下端面为绝缘材料。其中预混室16上端面和射流生成室17下端面复合为一个共用端面(绝缘端面)。预混室空腔与射流生成室空腔通过二者之间的共用端面上设置的圆形小孔连通(小孔的大小和数量根据离子体辅助射流器的流量设定)。预混室16下端面上设置空气进口18和燃料进口19(均为通孔)。燃料进口19通常为圆形截面，常见设置在预混室16下端面的中心位置，例如直径为2毫米。空气进口通常亦为圆形截面，常见设置在预混室16下端面圆心与边缘之间，例如直径为5毫米。在射流生成室17上端面上设置射流喷口20(为通孔)，射流喷口20常见为圆形截面，用于向燃烧室喷射等离子体辅助气流。因此，如上所述，左安装孔9和右安装孔10的形状为恰好能够将等离子体辅助射流器容纳于其中并与其紧配合，使等离子体辅助射流器在左安装孔9和右安装孔10中保持固定。射流生成室17上端面与调控装置上游壁面1齐平；预混室16下端面可以与调控装置下壁面8齐平，也可以不齐平。

在射流生成室17中设置中心电极，中心电极通过共用端面上的圆形小孔经导线引出至预混室16，再由预混室16下端面上打孔(该孔在图中未示出，位置设计为不影响空气进口18和燃料进口19即可)引出，最终连接至电源高压端。射流生成室17上端面为金属导体，其通过导线连接至电源低压端。

等离子体辅助射流器中心电极连接电源高压端，射流生成室17的壁面连接电源低压端。电源开启时，中心电极和射流生成室17壁面之间的空气被放电击穿，形成等离子体。空气和燃料分别自下而上经预混室的空气进口和燃料进口进入预混室16，在预混室16内形成混合气，混合气经圆形小孔进入射流生成室17，在射流生成室中经等离子体离解和点燃后，经射流喷口20排向燃烧室，形成等离子体辅助射流。

本发明还提供一种宽域冲压发动机推力突变的调控方法。

步骤1：将宽域冲压发动机推力突变的调控装置作为底壁面(也就是，调控装置是冲压发动机燃烧室四个壁面中的一个)安装到冲压发动机燃烧室上，把燃烧室安装到冲压发动机直连式试验台上。燃烧室前端与直连式试验台的隔离段相连接，燃烧室后端与喷管相连。

步骤2：启动冲压发动机直连式试验台，超声速气流经隔离段后，进入宽域冲压发动机推力突变的调控装置，然后经喷管排向大气。启动燃料喷注，使左喷注孔14和右喷注孔15向凹腔2内喷注燃料，燃料经雾化、蒸发、与气流混合后，经喷管排向大气。

步骤3：启动等离子体辅助射流器，空气经空气进口进入预混室16，燃料经燃料进口进入预混室16。空气和燃料在预混室16内混合后形成混合气，进入射流生成室17。混合气在射流生成室17中，经等离子体电弧加热后，进行离解和燃烧，形成带有火焰的高温燃气。

步骤4：带火焰的高温燃气经等离子体辅助射流器的射流喷口，排向燃烧室，并下游运动。带火焰的高温燃气在燃烧室中与空气进一步混合，进行充分燃烧。同时带火焰的高温燃引燃从凹腔左喷注孔14和右喷注孔15喷射出来的燃料，形成射流尾迹稳焰模式，保证燃烧室内的燃料充分燃烧。

步骤5：在发动机来流速度逐渐降低的过程中，通过逐步减小等离子体辅助射流器的燃料当量比和流量，将燃烧室的射流尾迹稳焰模式逐渐缓慢地过渡到凹腔稳焰模式，实现发动机推力的平稳变化。

步骤6：在发动机来流速度逐渐升高的过程中，通过逐步增大等离子体辅助射流器的燃料当量比和流量，将燃烧室的凹腔稳焰模式逐渐缓慢地过渡到射流尾迹稳焰模式，实现发动机推力的平稳变化。

Claims (9)

1.一种宽域冲压发动机推力突变的调控装置，以下简称为“调控装置”，其特征在于，包括上游壁面(1)、凹腔(2)、下游壁面(3)、前壁面(4)、后壁面(5)、左壁面(6)、右壁面(7)、下壁面(8)，左安装孔(9)和右安装孔(10)；整个装置呈等宽度外扩张构型；在前壁面(4)和后壁面(5)处，左壁面(6)和右壁面(7)之间的横向间距相等，左壁面(6)和右壁面(7)相互平行；上游壁面(1)和下壁面(8)在前壁面(4)处的间距大于下游壁面(3)和下壁面(8)在后壁面(5)处的间距；上游壁面(1)和下壁面(8)之间的夹角为一个较小的角度θ；上游壁面(1)和下游壁面(3)处于同一平面上；

上游壁面(1)沿展向设置两个等离子体辅助射流器的安装孔，左安装孔(9)和右安装孔(10)为自上而下贯穿调控装置的通孔，位于凹腔上游，且两个安装孔关于本发明装置流向中轴面呈轴对称；左安装孔(9)和右安装孔(10)中心的连线与前壁面(4)平行，将左安装孔(9)和右安装孔(10)的形状设计成适应安装于其内的等离子体辅助射流器；

凹腔(2)由竖直壁面(11)、底壁面(12)、斜壁面(13)组成；竖直壁面(11)与上游壁面(1)垂直，底壁面(12)与上游壁面(1)平行，斜壁面与上游壁面(1)所处平面呈一定夹角；第一燃料入口(21)、第二燃料入口(22)是设置在下壁面(8)上的小孔，位于左安装孔(9)和右安装孔(10)下游与凹腔竖直壁面(11)之间，第一燃料入口(21)、第二燃料入口(22)孔中心的连线与下壁面(8)上左安装孔(9)和右安装孔(10)孔中心的连线平行；在竖直壁面(11)上设置两个燃料喷注孔，左喷注孔(14)和右喷注孔(15)，这两个燃料喷注孔中心的连线平行于凹腔底壁面(12)，左喷注孔(14)与第一燃料入口(21)贯通，右喷注孔(15)与第二燃料入口(22)贯通；

等离子体辅助射流器由预混室(16)和射流生成室(17)组成；预混室(16)在下，为一圆柱形空腔，具有下端面和上端面，整体为绝缘材料制成；射流生成室(17)在预混室(16)上面，由圆柱形空腔及位于空腔中心的中心电极组成，具有下端面和上端面，上端面和侧壁为导电金属制成，下端面为绝缘材料，预混室(16)直径大于射流生成室(17)直径；其中预混室(16)上端面和射流生成室(17)下端面复合为一个共用端面；预混室空腔与射流生成室空腔通过二者之间的共用端面上设置的圆形小孔连通；预混室(16)下端面上设置空气进口(18)和燃料进口(19)；在射流生成室(17)上端面上设置射流喷口(20)；射流生成室(17)上端面与调控装置上游壁面(1)齐平；

在射流生成室(17)中设置中心电极，中心电极通过共用端面上的圆形小孔经导线引出至预混室(16)，再由预混室(16)下端面上打孔引出，连接至电源高压端；射流生成室(17)上端面为金属导体，其通过导线连接至电源低压端；

等离子体辅助射流器中心电极连接电源高压端，射流生成室(17)的壁面连接电源低压端。

2.如权利要求1所述的宽域冲压发动机推力突变的调控装置，其特征在于，θ为2.5度。

3.如权利要求1所述的宽域冲压发动机推力突变的调控装置，其特征在于，竖直壁面(11)的高度为16毫米，底壁面长度72毫米，斜壁面与上游壁面所处平面的夹角为50度。

4.如权利要求1所述的宽域冲压发动机推力突变的调控装置，其特征在于，左喷注孔(14)与第一燃料入口(21)之间的孔道与左壁面(6)平行，右喷注孔(15)与第二燃料入口(22)之间的孔道与右壁面(7)平行。

5.如权利要求1所述的宽域冲压发动机推力突变的调控装置，其特征在于，左喷注孔(14)、右喷注孔(15)直径均为0.3毫米。

6.如权利要求1所述的宽域冲压发动机推力突变的调控装置，其特征在于，预混室空腔与射流生成室空腔通过二者之间共用端面上设置的圆形小孔连通的大小和数量根据离子体辅助射流器的流量设定。

7.如权利要求1所述的宽域冲压发动机推力突变的调控装置，其特征在于，燃料进口(19)为圆形截面，直径为2毫米，设置在预混室(16)下端面的中心位置；空气进口亦为圆形截面，直径为5毫米，设置在预混室(16)下端面圆心与边缘之间。

8.如权利要求1所述的宽域冲压发动机推力突变的调控装置，其特征在于，射流喷口(20)为圆形截面。

9.一种宽域冲压发动机推力突变的调控方法，其基于权利要求1至8任一项所述的宽域冲压发动机推力突变的调控装置，其特征在于，具体包括下列步骤：

步骤1：将宽域冲压发动机推力突变的调控装置作为底壁面安装到冲压发动机燃烧室上，把燃烧室安装到冲压发动机直连式试验台上；燃烧室前端与直连式试验台的隔离段相连接，燃烧室后端与喷管相连；

步骤2：启动冲压发动机直连式试验台，超声速气流经隔离段后，进入宽域冲压发动机推力突变的调控装置，然后经喷管排向大气；启动燃料喷注，使左喷注孔(14)和右喷注孔(15)向凹腔(2)内喷注燃料，燃料经雾化、蒸发、与气流混合后，经喷管排向大气；

步骤3：启动等离子体辅助射流器，空气经空气进口进入预混室(16)，燃料经燃料进口进入预混室(16)；空气和燃料在预混室(16)内混合后形成混合气，进入射流生成室(17)；混合气在射流生成室(17)中，经等离子体电弧加热后，进行离解和燃烧，形成带有火焰的高温燃气；

步骤4：带火焰的高温燃气经等离子体辅助射流器的射流喷口，排向燃烧室，并下游运动；带火焰的高温燃气在燃烧室中与空气进一步混合，进行充分燃烧；同时带火焰的高温燃引燃从凹腔左喷注孔(14)和右喷注孔(15)喷射出来的燃料，形成射流尾迹稳焰模式，保证燃烧室内的燃料充分燃烧；

步骤5：在发动机来流速度逐渐降低的过程中，通过逐步减小等离子体辅助射流器的燃料当量比和流量，将燃烧室的射流尾迹稳焰模式逐渐缓慢地过渡到凹腔稳焰模式，实现发动机推力的平稳变化；

步骤6：在发动机来流速度逐渐升高的过程中，通过逐步增大等离子体辅助射流器的燃料当量比和流量，将燃烧室的凹腔稳焰模式逐渐缓慢地过渡到射流尾迹稳焰模式，实现发动机推力的平稳变化。

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