超声速进气道起动特性研究
固体火箭冲压发动机具有比冲高、工作时间长、结构简单、机动性强等优点,是先进导弹动力系统的重要发展方向之一.超声速进气道作为冲压发动机的核心部件之一,其起动性能决定了发动机的工作包络.因此,确定超声速进气道的起动特性至关重要.地面仿真和飞行试验中多次证实,发动机转级装置-进气道堵盖对起动性能影响显著.某次飞行试验中,由于转级时进气道不起动,造成飞行失败.可见,确定进气道起动特性和堵盖影响机制已成为冲压发动机技术发展和工程应用中亟需解决的关键问题.本文基于工程实际需求,针对典型冲压发动机的双下侧二元混压式进气道起动特性,开展了数值仿真研究.本文首先建立了弹体/进气道一体化三维仿真模型,研究了双下侧二元进气道在转级工况下起动状态的流场特性.结果表明:随反压增加,结尾激波系逐渐向上游移动,到达喉道后,继续增大反压,在一定范围内,结尾激波系可以稳定在收缩通道内,即存在稳定的亚临界状态.然后,本文研究了Ma=2.5~3.5、α=-2o~8o、β=0o~6o工况下进气道的流场特性和抗反压性能,拟合了极限反压比预估公式.结果表明:进气道极限反压与来流总压、喉道总压恢复系数和流量系数相关;随来流马赫数增大,自由流总压和流量系数均提高,喉道总压恢复系数降低,综合影响下,进气道抗反压能力增强;随攻角增大,总压恢复系数和流量系数均提高,进气道极限反压升高;在侧滑情况下,背风侧进气道性能参数和抗反压能力均优于迎风侧进气道;随侧滑角增大,两侧性能参数变化趋势不同,背风侧进气道总压恢复系数、流量系数先升高后降低,迎风侧持续降低;当迎风侧不起动后,迎风侧脱体激波会干扰背风侧的外压缩波系,甚至可能使背风侧也不起动.其次,本文仿真分析了不同工况下进气道的不起动/再起动过程.分析结果表明:进气道入口前气流总压是决定进气道再起动反压的主要因素;来流马赫数越大,气流总压越高,再起动反压越高;攻角越大,弹体干扰越弱,入口前气流总压越高,再起动反压越高,α≥2o后弹体干扰极弱,再起动反压不再随攻角增大而变化;在侧滑情况下,两侧进气道再起动不同步;背风侧进气道受弹体干扰小,再起动反压基本不随侧滑角变化;对于迎风侧进气道,当侧滑角β≤2o时,弹体干扰较弱,再起动反压接近背风侧,当侧滑角β≥4o时,随侧滑角增大,弹体干扰增强,再起动反压降低,明显滞后于背风侧.最后,本文重点研究了固体火箭冲压发动机转级装置-进气道堵盖对进气道起动特性的影响.根据不同转级时序,分别对入口堵盖和出口堵盖开启过程进行非稳态流场仿真.结果表明:入口堵盖有利于进气道起动,可使进气道起动马赫数从Ma=2.31降到Ma=2.29;在入口开启,出口封堵时,进气道流场出现周期性振荡,频率与一阶声模态一致,进气道越下游位置压力峰值越高;出口堵盖开启时刻对进气道起动性能有较大影响,充填阶段开启更有利于进气道起动;在释放阶段开启,进气道会出现短时间的低频、大幅喘振.
- 作者：
- 陈义
- 学位授予单位：
- 航天动力技术研究院
- 专业名称：
- 航空宇航推进理论与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 高波
- 中图分类号：
- V211.48
- 关键词：
- 超声速进气道；起动性能；进气道堵盖；出口反压；固体火箭冲压发动机
- Supersonic inlet； Start performance； Inlet port cover； Back pressure； Integral solid propellant ducted rocket