冲压发动机技术

冲压发动机的输入动量与输出动量
回忆：火箭发动机的推力公式？
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
. maVa
R
. mVe
取整个冲压发动机为控制 体，满足动量定律
Ve m aVa Rm
pa p paAa
(a)
合力R包括四部分力，为
R pe Ae pa Aa pdA F
Ve m aVa Ae ( pe pa ) pa ( Ae Aa ) pdA m
Aa
Ae
Ve m aVa Ae ( pe pa ) e pa dA e pdA m
Aa Aa
A
A
Ve m aVa e ( pe pa ) ( pa p )dA m
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
第六章 冲压推进技术
冲压发动机：是一种吸入空气（利用空
气中的氧）与燃料或富燃燃气进一步反
应，高速喷出获得推力的动力装置。
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
回忆与总结：
a）发动机推力； b）推力系数； c）喷管流动的三种膨胀状态； d）喷管排气速度； e）比冲； f）混合比； g）固体推进剂的燃气生成率 m fu 。
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.1 推力 6.2 火箭冲压发动机 6.3 固体燃料冲压发动机 6.4 进气道
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.1 推力
与前述发动机相比，结构上吸气式发动机（如冲压发动机）的 显著不同是存在进气道，从动力学分析，它对推力存在影响。
. maVa
. mVe
Aa
Ae
表面压差
研究发动机只考虑发动机的输出动力，而不考虑其他力，故取
Ve m aVa Ae ( pe pa ) F m
称为发动机的名义推力，或内推力。
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现代推进原理与进展
定义空燃比
r a m fu m
（回忆：混合比？）
给定空燃比，则
m a m fu m r 1 a (r 1) m fu m r
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现代推进原理与进展
连续方程：
rVA Const m
Q12 1 2
rV Const （等通道A不变）
h01
h02
动量方程：
p rV 2 Const
燃烧室加热流动示意图
能量方程：
h0 2 h01 Q12
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现代推进原理与进展
冲压发动机中常用加热比来表示加热量的多少，即
F peAe
Aa Ae
结合上述两式，得
Ve m aVa pe Ae pa Aa e pdA F m
Aa A
(b) x
冲压发动机控制体示意图
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Ve m aVa pe Ae pa Aa pdA F m
Aa Ae
现Fra Baidu bibliotek推进原理与进展
Q12 ( 1) h01
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现代推进原理与进展
练习：某冲压发动机燃烧室入口总温 T01=350 K ，燃烧加入的热量达到 Q12=1306 kJ/kg，求发动机的加热比。已知燃气的气体常数Rg=287.04 J/kg.K，比热比g =1.3。
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现代推进原理与进展
空气 空气
二次进气固体燃料冲压发动机示意图
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现代推进原理与进展
下面分析突扩燃烧室的流动规律。取控制体如图所示。
连续方程：
引入流量比
m 4 1 2 m
Q24 A3 As
A2
A4
流量比与空燃比的关系

m fu 4 m m m 1 2 1 fu 1 2 2 2 m m m r
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现代推进原理与进展
空气进气道
固体火箭推进剂 可爆破进气口 可抛掉的 火箭喷管 内衬 冲压发动机 喷管
弹头
冲压发动机燃料
整体式冲压发动机结构原理图
整体式火箭冲压发动机集 成了火箭和火箭冲压发动 机，由火箭提供助推加速 到超声速2马赫数以上，然 后冲压发动机工作，其典 型部件为可爆破进气口、 可抛掉的火箭喷管和共用 燃烧室。
fu m a ，因此，初步设计时，可取 一般冲压发动机中，燃料流量很小，即 m
m a m (Ve Va ) Ae ( pe pa ) F m
完全膨胀
(Ve Va ) F m
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现代推进原理与进展
与推力有关的几个性能参数： a) 单位迎面推力——发动机推力与最大横截面积之比，即
中心锥进气道立体图
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现代推进原理与进展
进气道需要实现的功能包括：扩压、降速、高效（总压恢复系数和动能效率 ）。
燃烧室 进气道 中心锥
整流罩/唇罩
外罩
喷管
唇口/进气口
典型冲压发动机结构示意图
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现代推进原理与进展
总结：
a）亚声速流动在收敛通道的流动规律； b）亚声速流动在扩张通道的流动规律； c）超声速流动在收敛通道的流动规律； d）超声速流动在扩张通道的流动规律； e）什么是Laval喷管，其流动规律是什么？ f ）什么是扩压器？
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现代推进原理与进展
6.4.1 进气道分类
按结构分为中心进气道和侧进气道。
中心进气道
侧进气道
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现代推进原理与进展
fu rp Ab r 1600 m .0 0.1 0.8 103 0.128 (kg/s)
m a m fu 1.628 (kg/s) ∴ m
.8 (m/s) d) Ve RgT0 FV 32018001.93 1464
Ve m aVa 1.6281464 .8 1.5 750.0 1259 .7 (N) ∴ F m
突扩燃烧室流动控制体
动量方程：
4V4 m 2V2 p2 A2 p3 ( A3 A2 ) p4 A4 m
能量方程：
h0 4 h0 2 Q24
04 同样引入加热比表示能量的加入，即 T 02
T
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s
0.96
现代推进原理与进展
s
1.0
突扩总压恢复系数
FA F Amax
F fu m
b) 比冲——单位时间燃烧单位质量推进剂所产生的推力，即
I sp
c) 推重比——单位重量所产生的推力，即
R F W
d) 推力系数——定义为单位迎风面积的推力与迎面气流动压的比值，即
CF F qa A
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现代推进原理与进展
例：已知某冲压发动机固体燃料密度rp=1600 kg/m3，燃烧面积Ab=0.1m2， =0.8mm/s。飞行马赫数Ma=2.5，进口流束面积Aa=0.002m2。设 燃速 r 喷管扩张比为1.5，燃烧室燃烧温度T0=1800K，燃气的气体常数 Rg=320 J/(kg.K)，比热比g =1.3，试计算发动机的推力和比冲。（已知高空空气 ra=1.0 kg/m3，a=300m/s，完全膨胀）
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现代推进原理与进展
6.3 固体燃料冲压发动机
固体燃料冲压发动机是一种固体燃料与空气冲压过程浑然 一体的发动机。因此，结构上简单紧凑，效率高。
A3 空气 A2
再附着点
突扩燃烧室
补燃室
固体燃料冲压发动机示意图
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现代推进原理与进展
a) 与火箭冲发动机相比，结构简单，比冲高，一般工作压强更低（一般 1MPa以下），故喉部直径更大。 b) 固体燃料冲压发动机的燃烧稳定性主要由突扩燃烧室的突扩比决定。 突扩比eA定义为突扩燃烧室内截面面积与空气进口截面面积之比，
冲压发动机比冲变化示意图
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现代推进原理与进展
根据燃料的形式，冲压发动机分为： a) 固体推进剂冲压发动机，简称固体冲压发动机；
b) 液体推进剂冲压发动机，简称液体冲压发动机。
按结构和工作原理，固体推进剂冲压发动机主要分为： a）固体火箭冲压发动机（又称管道火箭DR，ducted rockets）； b）固体燃料冲压发动机（SFRJ，solid fuel ramjets）； c）整体式冲压发动机（又称集成式冲压发动机，integrated ramjets）。
例：某冲压发动机燃烧室入口总温T01=350 K，燃烧加入的热量达到Q12=1306 kJ/kg，求发动机的加热比。已知燃气的气体常数Rg=287.04 J/kg.K，比 热比g =1.3。 解： c p
gRg g 1
1243 .8 (J/kg.K)
T02 Q12 1306 103 1 1 4.0 T01 c pT01 1243 .8 350
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总压恢复系数
s
p02 p0a
1 自由流 pa p0a Va
2 进气道出口 p2 p02 V2a
动能效率

V22a / 2 Va2 / 2
冲压发动机进气道参数变化
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.4.1 进气道分类 6.4.2 亚声速进气道 6.4.3 超声速进气道
火箭冲压发动机示意图
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现代推进原理与进展
a) 这里的火箭又称为燃气发生器（gas generator），根据喷出燃气是否达到 临界状态， 火箭冲压发动机由分为临界火箭冲压发动机和非临界火箭冲 压发动机两种；其设计必须考虑外压的影响，即 p0和 p1的关系；火箭冲 压发动机的工作压强 p1常较低，一般4~6 MPa以下，故喷喉较大。 b) 火箭燃气与空气要充分混合，以提高燃烧效率——故一般燃烧室较长。 c) 燃烧室中的流动可以近似为加热流动。
s
p 03 p 02
0.7
0
2.0
4.0
6.0
8.0
eA
0.7 0
0.2
0.4
0.6
0.8
l2
0.8
0.3
l4 ls
0.2 0.4 0.6 0.8
l4 ls
0 2.0 4.0 6.0 8.0
0.2 0.1
eA
0
l2
突扩燃烧室典型参数变化规律
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6.4 进气道
冲压发动机依靠空气提供的 氧与燃料燃烧才能进行有效的工 作。因此，如何让空气高效率的 进入发动机是冲压发动机首先要 解决的问题——这就是进气道设 计。
练习：试计算比冲的大小。
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现代推进原理与进展
I sp
F 1259 .7 9841 .4 (N s/kg) fu m 0.128
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6.2 火箭冲压发动机
火箭冲压发动机是火箭与冲压相对独立的一种冲压发动机。
空气 p0 空气
p1 火箭燃气 混合燃气

T02 T01
加热量Q12与加热比 的关系为
Q12 ( 1) h01
思考：为什么？
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现代推进原理与进展
由能量方程 h0 2 h01 Q12
→
→ →
c pT02 c pT01 Q12
T02 Q Q 1 12 1 12 T01 c pT01 h01
eA=A3/A2
突扩台阶可以形成流动的再附着点（reattachment point）和涡流区，形 成流速相对较低的区域，起到火焰稳定器的作用，从而增加燃烧稳定性。
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现代推进原理与进展
c) 有时为了充分燃烧，还采用二次进气的结构。 d) 突扩燃烧室中的流动为加质、加热的多驱动势流动，补燃室中的 流动与火箭冲压的燃烧室流动相同。
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整流罩/唇罩 进气道 中心锥
燃烧室
外罩
喷管
唇口/进气口
典型冲压发动机结构示意图
因此，冲压发动机是一种吸气式发动机（air-breathing engines ）。
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现代推进原理与进展
Isp(N.s/kg)
冲压发动机 10000 固体火箭发动机 2000 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Ma
Ve m aVa ，只要分别计算各个参数即可。 解：由推力公式，完全膨胀时 F m
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现代推进原理与进展
a) b) c)
Va Ma a 2.5 300 750.0 (m/s)
a r aVa Aa 1.0 750.0 0.002 1.5 (kg/s) m