由美国航空航天学会(AIAA)出版的美国航空航天期刊(Aerospace America)近期发表了2015年美国及全球航空航天的综述(In Review 2015),并用四分之一的版面介绍了王健平">王健平教授领导的新葡萄8883国际官网燃烧推进中心连续爆轰发动机的研究进展。
美国航空航天学会2015年综述
综述写道:在中国,新葡萄8883国际官网持续开展圆筒燃烧室(他人均采用传统的圆环腔)的实验研究。中国学者在全球同行中取得了重大的进展,特别是在包含所有布局下物理和化学过程真实状态的数值模拟。他们在减小压力震荡和提高性能方面的开展了非常有意义的工作,包括马赫数分布以及收缩-扩张喷管的数值模拟。
连续爆轰发动机是新概念航空航天动力,具有燃烧速度快、易控制、自压缩、体积小、效率高、比冲大、燃料流量和推力大幅可调、可多次熄点火的特点,近年来受到世界各主要国家的关注。综述介绍了美国国防部先期研究计划局(DARPA)、美国空军科研办公室(AFOSR)、美国海军研究办公室(NRO)、美国能源部(DoE)相关项目,以及日本、法国的研究进展。
同传统的火箭、活塞、涡轮发动机的等压燃烧不同,爆轰是与激波紧密耦合的超声速的等容燃烧。以往的连续爆轰发动机燃烧室采用同轴圆环腔结构。燃料和氧化剂从燃烧室头部持续进气并快速掺混。爆轰波通过预爆管被起爆,在燃烧室头部沿圆周方向以1500米/秒-2500米/秒的速度沿圆周方向超声速传播,波后产生波前5倍以上压强、2000K-3000K的高温高压工质。膨胀波将工质沿圆轴方向以亚声速排出,通过收缩-扩张喷管加速膨胀,产生推力,或推动涡轮和压气机做功。
图1连续爆轰发动机燃烧室的温度 图2 无内柱圆筒连续爆轰发动机燃烧室压强分布
图3 连续爆轰燃烧的三种模态和路径 图4 连续爆轰燃烧室的示功图
图5 连续爆轰实验的压力信号 图6 连续爆轰实验与数值模拟的比较
王健平">王健平教授提出研究燃料粒子燃烧过程和轨迹的粒子跟踪法,发现了三种燃烧模态,证明了粒子的轴向运动特性,并给出了热力学过程的示功图和示热图。这一成果发表在燃烧学顶尖期刊Combustion and Flame (Zhou Rui, Wang Jian-Ping, 2012)上。
王健平">王健平教授提出空腔圆筒燃烧室概念,并通过数值模拟和实验验证了可行性。这一结构可以防止内柱烧蚀,省去复杂的冷却系统,减小重量,并能大幅提高燃烧室空间(Combustion & Flame, Xin-Meng Tang, Jian-Ping Wang and Ye-Tao Shao, 2015)。
此外,王健平">王健平课题组还对连续爆轰的传播速度、进气极限、喷管效应、激波反射现象、总压突变效果、进气和掺混方式、多波头现象等问题进行了系统的研究。论文发表在Shock Waves, Combustion Science and Technology, Int. J. Hydrogen Energy等顶级期刊上。相关论文它引292次。