超燃冲压发动机原理及设计方法研究

高超音速空气动力学课程论文

超燃冲压发动机原理及设计方法研究

姓名：郭照阳

班级：航91

学号：2009011588

清华大学航天航空学院

二〇一一年十二月

Hypersonic Aerodynamics Course Paper Research on Principle and Design of

Integrated Scramjet

Name: GuoZhaoyang

Class: SA 91

Student ID: 2009011588

School of Aerospace, Tsinghua University

Deceber 2011

目录

摘要 (4)

第一章概述及原理 (5)

1.1 研究背景与意义 (5)

1.2 国内外相关研究概况 (6)

1.2.1 美国的超燃研究 (6)

1.2.2 俄罗斯的超燃研究 (7)

1.2.3 国外其他国家的超燃研究 (8)

1.2.4 我国的超燃研究 (9)

1.3 技术发展展望 (10)

第二章一体化设计 (10)

2.1 机体构型选择 (10)

2.2 进气道设计与性能研究 (10)

2.3 隔离段设计与性能研究 (11)

2.4 燃烧室设计与性能研究 (12)

2.5 尾喷管设计与性能研究 (13)

2.6 系统优化研究 (13)

2.6.1 发动机各部件优化 (13)

2.6.2 发动机一体化优化研究 (13)

2.7 一体化设计的意义 (14)

参考文献................................................................................

致谢及声明…………………………………………………………………...

摘要

论文介绍了超燃冲压发动机的基本构建及运作原理，分析比较了世界各国在超燃理论研究上的一些成果，并对未来学科的发展趋势进行了合理的展望。

在超燃冲压发动机一体化设计章节中，结合高超音速空气动力学的一些基本原理分析阐述了进气道、隔离段、燃烧室、尾喷管的设计及性能研究。列举了目前投入应用的几种构型选择，介绍了一体化设计的MOD方法及其工程应用并未来前景。

关键词：

超燃冲压发动机，进气道，隔离段，燃烧室，尾喷管，构型选择，性能分析，一体化设计，MOD

ABSTRACT

The issue of the basic foundation and function theory of integrated scramjet was briefly introduced in this paper, also we analysis and compare the achievement of different countries on supersonic combustion theory. Then we make a reasonable outlook of the trends on integrated scramjet.

In the section of The Integrated Design of Scramjet, combined with the basic principles on hypersonic aerodynamics, we elaborate the design and performance of inlet, isolator, combustion chamber, tail pipe. After that some configuration options which has been used in application are listed. In the end, we introduced MOD and its application in engineering, future prospects.

Key Words:

Integrated Scramjet, inlet, isolator, combustion chamber, tail pipe,

configuration options, the analysis of performance, integrated design, MOD

第一章概述及原理

1.1 研究背景与意义

吸气式高超声速飞行器（简称为高超声速飞行器）是指飞行马赫数大于5、以吸气式冲压发动机及其组合发动机为动力、能在大气层和跨大气层中远程飞行的飞行器。高超声速飞行器可提高推进效率、增强载荷能力、扩展发射窗口，从而实现快速并廉价的进入空间，在军事、商业运用中有着重要的战略意义，但其实现从根本上取决于高超声速推进技术的发展，作为实现高超声速推进的首要关键技术，超燃冲压发动机技术一直是各航空航天大国研究和竞争的热点。

超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行M数在8以下，当使用液氢燃料时，其飞行M 数可达到6~25。超声速或高超声速气流在进气道扩压到较低的超声速，然后燃料从壁面或气流中的突出物喷入，在超声速燃烧室中与空气混合并燃烧，最后，燃烧后的气体经扩张型的喷管排出。超燃冲压发动机通常利用飞行器机身的前体作为进气道的一部分来预压缩来流空气，利用机身的后体作为尾喷管的扩张面，从而极大地减小了发动机的迎风面积、外阻力和重量

相较于传统的航空发动机，超燃冲压发动机结构简单、重量轻、成本低、比冲高、速度快，而且不需要像火箭发动机那样需要自身携带氧化剂。以上特性使得超燃冲压发动机的有效载荷更大，适用于高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力。其缺点是无法在静止状态下自行启动，且其低速性能不好。