国内外临近空间飞行器-发动机一体化技术进展

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四、欧L洲AP项CA目T运(Lo营ng-T与erm管A理dvanced Propulsion Concepts
and Technologies) ➢ LAPCAT-II,欧盟第七科技框架(FP7)支持,2008-2013 ➢ 总投资1000+万欧元
四、欧洲项目运营与管理
ATLLAS(Aero-Thermodynamic Loads on Lightweight
四、欧洲项目运营与管理
四、欧洲项目运营与管理
四、欧洲项目运营与管理
LAPCAT(Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies)
➢ LAPCAT-I,欧盟第六科技框架(FP6)支持,2005-2007 ➢ 飞行器布局、动力装置等问题方案论证 ➢ M4到8一级的飞行器推进概念(TBCC和RBCC) ➢ 开展关键技术研究
轻质低温推进剂燃料储存及结构设计(TRL=4-5)
气动/推进/热防护/控制一体化设计
➢ 飞/推系统高度融合一体化(TRL=4-5) ➢ 多学科优化(TRL=4-6)
三、美国高超项目及进展
基本情况
➢ 美国的高超声速项目进展与趋势是世界 范围内高超声速项目发展的风向标。
NASA Two Stage To Orbit (TSTO) Reference Vehicle X43
高速巡航武器 (Mach 6-8)
➢ 巡航速度可达每分钟几百公里 ➢ 高动能: 杀伤性和对坚硬目标壁垒的穿透性 ➢ 强生存能力(隐身性要求降低) ➢ 吸气式发动机的操控灵活性
快速全球运输
➢ 数小时内全球到达 ➢ 基于本土的远程侦察与作战 ➢ 商业民航与货物运输
可负担日常性太空飞行
➢ 水平起降,单位质量运输成本下降 ➢ 与常规飞行器类似的运营和维护 ➢ 操作灵活,安全性更高
➢ 已从概念和原理探索阶段进入到以高超 声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气 层飞行器和空天飞机等为应用背景的先 期技术开发和验证阶段。
➢ 从50年代以来,美国基于全球到达,全 球打击战略,提出了全方位的高超声速 武器和先进航天器研制计划,相继实施 NASP、Hyper-X、HyFly、FALCON 等高 超声速飞行器计划,并相继进行了地面 和飞行试验,引领世界范围的高超声速 飞行器技术研发热潮。
Hyper-X计划
X-43A超燃冲压发动机在NASP计划的 基础上进行:
➢ 长度:
3.6m;
➢ 宽度:
1.5m;
➢ 飞行速度: Ma=7~10;
➢ 飞行高度: Ma=7,H=29000m;
Ma=10,H=33000~36000m
➢ 1995.5完成X-43概念设计; ➢ 1996.10完成初步设计; ➢ 1999.10 X-43交付给DFRC。
三、美国高超项目及进展
发展路线
➢ 前期,主要用于时间敏感目标的超声速/高超声速导弹。 ➢ 中期, 集中在能“抵达全球”的高超声速战斗机/轰炸机上。 ➢ 远期, 瞄准低成本、适时进入太空的可重复使用的发射飞行器。
三、美国高超项目及进展
HRE计划
➢ 1960年,Ferri教授提出了超燃冲 压发动机概念,设计了第一个超燃 冲压发动机,在1963年进行了自由 射流试验。
二、高超声速技术概述(关键技术)
吸气式组合动力循环发动机
➢ 涡轮-冲压发动机 (TRL≈4) ➢ 冲压发动机/超燃冲压发动机 (TRL=5-6) ➢ 火箭基组合循环发动机 (RBCC) (TRL=4-5)
耐高温材料和热防护系统(TPS)
➢ 陶瓷隔热瓦/覆盖材料(TRL=9) ➢ 耐高温陶瓷基复合材料(TRL=4-6)
四、欧洲项目运营与管理
通力合作
➢ ESA牵头 ➢ 科研院所主导 ➢ 高校参与 ➢ 工业界配合
四、欧洲项目运营与管理
通力合作
➢ ESA牵头 ➢ 科研院所主导,高校参与 ➢ 工业界配合
四、欧洲项目运营与管理
顶层设计
四、欧洲项目运营与管理
顶层设计
四、欧洲项目运营与管理
顶层设计
四、欧洲项目运营与管理
➢ LAPCAT-II,欧盟第七科技框架(FP7)支持,2008-2013 ➢ 总投资1000+万欧元 ➢ 以M5和M8两个方案为牵引 ➢ 重点发展气动设计、燃烧试验和计算技术
四、欧洲项目运营与管理
LAPCAT-II子课题
四、欧洲项目运营与管理
第二届组合动力系统关键技术研讨会
一、欧盟高超声速推进项目
四、欧洲项目运营与管理
ATLLAS-II子课题
四、欧洲项目运营与管理
ATLLAS-II子课题
四、欧洲项目运营与管理
SHEFEX(Sharp Edge Flight Experiment)
➢ 德国内部项目,DLR独立完成 ➢ 重点发展成本低廉的,再入阶段热防护和热管理试验和测试技术 ➢ SHEFEX-I,2005年10月完成飞行验证 ➢ SHEFEX-II,2012年6月完成飞行试验 ➢ SHEFEX-III,2016年
➢ Boeing设计了全尺寸飞行器前体/ 进气道和喷管一体化结构。具有 数字式发动机控制系统,包括操 控复杂的燃料分配与调整,燃料 冷却全闭路循环等特色
三、美国高超项目及进展
Hyper-X计划
➢ 2006 年 10 月 到 2007 年 4 月 在 NASA Langley的2.4米高焓风洞中对X-1进行 了成功的试验 M4.5, 5, 6.5。
三、美国高超项目及进展
HRE计划
➢ 证实了超燃冲压发动机的性能、可 操作性、结构和控制,在地面取得 了原理性的突破。
➢ HRE具备了飞行条件,但美国认为 HRE的安装特性不好,把飞行试验 计划搁置。
➢ 60年代,美国错过了超燃冲压发动 机通过飞行试验验证的宝贵机会, 流失了一批高超声速推进技术关键 人才。
➢ 高超声速研究发动机(Hypersonic Research Engine-HRE)是美国为验证 高超声速冲压发动机在Ma=3-8的 性能设计的研究计划。
➢ HRE计划代表了超燃冲压发动机的 初期发展阶段(1965-1975)。
➢ 1968年1月,X-15计划中止,因而也终止了 HRE飞行试验。
➢ 在X-15计划取消以后,HRE计划继续进行了 地面试验项目。
➢ 2011 年 6 月进行了飞行试验,这次试 验以失败告终;2013年进行长达6分钟 飞行,其中在Ma5下工作210s。
➢ 利用吸热碳氢燃料进行超燃冲压发动机 M4.5+-M6+飞行试验。
➢ 证明自由飞超燃冲压发动机飞行器的生 存能力;验证产生的推力从起动到加速 的全过程能够大于阻力。
三、美国高超项目及进展
SHEFEX-I试验飞行器
SHEFEX-II试验飞行器
SHEFEX-II飞行试验录像
四、欧洲项目运营与管理
四、欧洲项目运营与管理
SHEFEX试验的关键技术
四、欧洲项目运营与管理
HEXAFLY(High-Speed Experimental Fly Vehicles)
➢ HEXAFLY ,欧盟第七科技框架(FP7)支持,2012-2013 ➢ 飞行演示验证可行性分析 ➢ 为后续项目做准备
Advanced Structures) ➢ ATLLAS-I,欧盟第六科技框架(FP6)支持,2006-2010 ➢ 研制用于长时间(高)超声速飞行(M>3)所需的耐高 温轻质结构材料 ➢ 这里耐受的高温涵盖外流表面的气动加热环境以及燃烧 室内的高温环境
四、欧洲项目运营与管理
ATLLAS-I取得的进展
水平起降高超声速飞机(SR-72)
纵观美国的发展趋势,吸气式高超声速技术正逐渐从通用技术攻关走向武器型 号研制。未来发展的两个主攻系列分别是高超声速导弹和高超声速飞机。
三、美国高超项目及进展
水平起降高超声速飞机(SR-72)
➢ 技术跨越:从M数单点设计的飞行器(X43,X51)拓展到 水平起降、宽速域飞机。
三、美国高超项目及进展
H-43A飞行试验的成功,被称为是“莱特兄弟首次飞行以来,航空技术的最大突破”, 标志着高超声速技术即将得到应用,高超声速武器将成为世界军事热点。
三、美国高超项目及进展
Hyper-X计划
X-51概况
➢ 美国空军于2004年1月13日与P&W 和Boeing签订了合同, 发展吸热 式碳氢燃料超燃冲压发动机演示 飞 行 器 器 X-51 , 计 划 2008 进 行 飞 行试验。
三、美国高超项目及进展
水平起降高超声速飞行器(SR-72)
核心技术: ➢ TBCC组合动力系统; ➢ 高超声速机体/推进系统一体化。
SR72方案及其TBCC组合动力系统
TBCC发动机流道调节规律与变几何方案
HTV飞行器方案及其三维流路设计
四、欧洲项目运营与管理
四、欧洲项目运营与管理
四、欧洲项目运营与管理
顶层设计
四、欧洲项目运营与管理
经费/人员预算
四、欧洲项目运营与管理
➢ NASP的工作为超燃冲压发动机的 发展开辟了新的道路。
三、美国高超项目及进展
Hyper-X计划
Hyper-X计划(NASA牵头)目的是 ➢ 验证试验技术; ➢ 验证计算方法和设计分析工具
; ➢ 验证使用氢燃料和炭氢燃料超
燃冲压发动机的飞行器技术; ➢ 验证使用组合循环发动机的飞
行器技术。
三、美国高超项目及进展
LAPCAT(Long-Term Advanced Propulsion Concepts
and Technologies) ➢ LAPCAT-I,欧盟第六科技框架(FP6)支持,2005-2007 ➢ 总投资700万欧元 ➢ 飞行器布局、动力装置等问题方案论证 ➢ M4到8一级的飞行器推进概念(TBCC和RBCC) ➢ 开展关键技术研究
Skylon 飞行器设想图
Reaction Engines Ltd. 1150ºC->-150ºC, <0.01s
Scimitar/Sabre 发动机
四、欧洲项目运营与管理
LAPCAT(Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies)
临近空间高超声速技术 进展与展望
一、临近空间空域特点 二、高超声速技术概述 三、美国高超项目及进展 四、欧洲项目运营与管理 五、飞/发一体化展望
一、临近空间空域特点
一、临近空间空域特点
二、高超声速技术概述(技术要求)
起飞、巡航阶段足够的推力和升力 满足所有速度域的推力覆盖(亚、跨声速挑战) 多种发动机动力循环或者组合循环发动机 宽速域、宽姿态角域进气道和燃烧室的稳定工作 加速、巡航、降落时足够的升阻比
三、美国高超项目及进展
NASP计划
➢ 1986年美国宣布推行NASP计划。
➢ 水平起降,单级入轨的研究机X30。
➢ NASP计划目的是发展可完全重复使 用、单级入轨、水平起降、超燃冲 压发动机推进的空天飞机。
➢ 使用1/7缩比的超声速燃烧冲压发动 机 , 研 究 了 多 种 模 型 , 如 GBL 模 型 , A-C模型, SX-20模型, SXPE和CDE模 型, MIMI模型等。
➢ 低阻力细长体机身: 攻角通常不大于 6-10 度; 大后掠尖前缘
在所有飞行阶段足够的稳定性和可控性
➢ 亚声速、跨声速、超声速、高超声速、有动力飞行、无动力飞行、 大过载机动、大攻角再入飞行等
足够的热防护和可靠的热管理 安全、可负担、与常规飞机类似的运营和维护
二、高超声速技术概述(应用领域)
三、美国高超项目及进展
NASP计划
➢ 1994年NASP计划宣布结束,主要 原因有:经费困难,拨款连年减 少;技术难度大,工作进展慢; NASA 与国会意见分歧。
➢ NASP的发动机模型完成了1500次 试验;发展了超燃冲压发动机设 计方法;各类大型试验设备和测 试技术;建立了数据库;研究了 新材料和热结构。
四、欧洲项目运营与管理
ATLLAS(Aero-Thermodynamic Loads on Lightweight
Advanced Structures) ➢ ATLLAS-II,欧盟第七科技框架(FP7)支持,2011-2014 ➢ 将ATLLAS-I研发的材料经过多学科优化(考虑气动、 推进、结构、热防护乃至排放和音爆等因素的影响), 整合应用于机体表面和燃烧室的热防护 ➢ 配合LAPCAT-II项目开发
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