[发明专利]一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法及装置

说明书

本发明提供一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法及装置，该方法中的发动机包括进气道、隔离段、控制系统、一体化燃烧室喷管；一体化燃烧室喷管包括燃烧室上壁面，喷管入口壁面，尾部扩张壁面，抽气孔，波面检测点，燃烧室下楔面；超声速来流与前体喷射的燃料在进气道内进行混合，由下楔面斜激波的诱导起爆为斜爆震波，信号输入模块信号，调节伸缩支杆，从而使燃烧室内形成可持续驻定的斜爆震波，爆震燃烧产物然后经过超声速扩张喷管产生推力。本发明通过调节伸缩支杆活动拐点控制了来流角度和拐点位置，下楔面控制了下游的波系结构；还设置了抽吸孔，增加了整个控制系统的可靠性，空间设计更加灵活，提高了实际应用可操作性。

技术领域

本发明涉及吸气式高超声速推进技术领域，特别是涉及一种斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法。此外，本发明还涉及一种基于上述斜爆震发动机燃烧室喷管一体化控制方法的装置。

背景技术

随着我国在航空航天领域研究的突飞猛进，超声速冲压推进正快速向着更高马赫数方向发展。爆震燃烧的高热循环效率和高放热速率优势，为其在空天动力系统中的应用奠定了科学基础，而斜爆震冲压推进能克服驻定难题而无需额外点火，是基于斜爆震波的新型燃烧组织方式，可突破碳氢燃料在高马赫数高超声速冲压发动机中应用的瓶颈。

近几十年，科学家根据爆震波的传播特点先后提出了三种爆震发动机方案，分别为脉冲爆震、旋转爆震和斜爆震。其中斜爆震能在高超声速来流中实现燃烧室内的驻定燃烧，可望实现马赫数10及其以上的吸气式推进。而对于斜爆震发动机的燃烧室与喷管构型而言，由于斜爆震波的引入，传统的吸气式发动机构型已不再适用，需根据斜爆震燃烧的特性提出合理的设计方案。

目前学术界对于斜爆震燃烧的特性依然缺少充足的认识，工程领域上尚未有可用的斜爆震发动机，近年来随着对斜爆震研究的逐渐深入，前人提出了显著区别于传统推进系统的发动机燃烧室-喷管一体化设计方案。目前方案都是默认斜爆震波正好驻定于尾喷管的入口处，这种默认是一种理想的斜爆震波与构型之间的假设情况，相应的方案需根据来流调节下楔面的角度来实现斜爆震波波面位置的精确调节，实施非常困难。而通过调节下楔面的角度实现上述功能的同时会引起斜爆震波主要结构的改变，燃烧效率与推力稳定难以控制。

为了解决斜爆震发动机燃烧稳定以及推力优化的问题。研究人员提出了几种设计方案：(1)一种基于可变斜楔角的驻定爆震发动机，此方案的基本思路为通过燃烧室后部的斜楔面控制装置控制混气的燃烧稳定在斜爆震形态，从而使得燃烧基本处于最优状态，以优化发动机的推力性能，达到发动机在变工况情况下能够连续工作的效果。其不足之处在于：该方案的关键是调节斜爆震波的波面位置，但是其目标是为了减少化学能量损失；依然并不考虑基于波面与喷管的作用点是否刚好是喷管入口处，也不关注由此带来的后果；下楔面的角度对斜爆震的整体结构影响很大，角度改变后不管是起爆区的波系结构还是斜爆震波面的稳定性都会发生改变；即使能够通过调节楔面角实现爆震波面位置的调节，达到爆震波驻定目的，却容易引起燃烧状态剧变，不利于稳定推力的获取。(2)一种基于爆震燃烧的超燃冲压发动机此方案在燃烧室的内壁上开设有若干抽吸孔，所有抽吸孔均通过管路与一抽吸泵联通。在爆震起爆时开启抽吸泵，通过抽吸孔抽吸燃烧室内边界层低速区域的气流，抑制了起爆爆震波和边界层相互作用发生燃烧波前传，消除了边界层对爆震波的起爆的影响，使得爆震波能够在燃烧室中实现动态稳定传播。其不足之处在于：尽管该方案有考虑爆震波的位置，并假设其位于喷管上游，但其只考虑边界层效应，并不关注收缩扩张流动这一斜爆震发动机构型特点，即其控制思路针对的是正爆震波而非斜爆震波；而收缩扩张流道的关键壅塞问题并不关注，该方案构型上符合斜爆震发动机的设计思路，但实际上为正爆震发动机的控制方法，无法调控斜爆震波的稳定燃烧。