论文摘要
空气涡轮火箭组合发动机是涡轮基组合循环发动机的一种特殊类型,兼具火箭发动机比推大和航空发动机比冲高的优点,是战术武器和临近空间飞行器的新型动力装置。本文建立考虑了变比热、气体离解和掺混过程的空气涡轮火箭发动机设计点数学模型;结合部件特性曲线图,利用放缩原理和牛顿迭代法,建立了非设计点求解模型。对给定任务下的发动机总体方案设计进行了研究。对发动机的推进剂进行了选择,比较了不同推进剂下的发动机单位推力、燃烧室温度、燃气的物性参数、比冲、密度比冲和综合密度,并选择了液氧/煤油作为ATR推进剂。采用设计参数区域划分与评价方法,对发动机设计参数进行了6级划分。分析了压气机压比、涡轮压比、涡轮入口燃气温度和飞行状态对发动机性能和其他参数的影响。利用非设计点模型,对发动机节流特性、速度特性和高度特性进行了分析。研究表明:当相对换算转速减小,发动机的共同工作点左移,对应的压气机压比、空气流量和燃气流量下降,发动机的性能迅速下降;当飞行马赫数较低时,随着马赫数增加,发动机推力增大,比冲略有下降;当飞行马赫数较高时,增加马赫数导致发动机推力下降、比冲略有增加。对发动机的压气机、涡轮、混流器、燃气发生器、燃烧室和喷管等部件进行了初步选择;基于部件特征,估算了发动机整机重量和尺寸。提出了通过增加外涵空气量提高发动机性能的设想,并研究了增加空气流量对发动机性能的影响。计算了发动机沿25 k Pa和33 k Pa两条等动压弹道的性能;针对最大160K降温极限,研究了预冷对发动机性能的影响;对比了不同压气机模型对发动机性能的影响;结果显示:预冷、优异的压气机以及增加空气流量对提升ATR的性能、扩展ATR的飞行包线有重要意义。针对战斗机设计任务,进行了ATR动力飞行器的初步设计,结果显示:与传统飞行器相比,ATR动力飞行器需要更优异的气动特性,更大的升阻比。基于给定的飞行器,在考虑飞行器性能和发动机性能情况下,进行了ATR设计参数最优化研究。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 研究背景与意义1.2 空气涡轮火箭发动机研究进展1.2.1 美国的研究进展1.2.2 日本的研究进展1.2.3 其他国家的研究进展1.3 空气涡轮火箭发动机总体技术研究进展1.3.1 空气涡轮火箭发动机的理论研究1.3.2 空气涡轮火箭发动机的关键部件研究1.3.3 空气涡轮火箭发动机的试验研究1.3.4 空气涡轮火箭发动机的应用研究1.4 论文主要工作第二章 空气涡轮火箭发动机的设计方法研究2.1 空气涡轮火箭发动机的结构与设计参数2.1.1 进气道2.1.2 压气机2.1.3 涡轮2.1.4 燃气发生器2.1.5 混流器2.1.6 燃烧室2.1.7 喷管2.1.8 推进剂供应系统2.2 空气涡轮火箭发动机的总体设计流程2.3 空气涡轮火箭发动机的设计点模型2.3.1 基本假设2.3.2 设计点数学模型2.4 空气涡轮火箭发动机的非设计点模型2.4.1 非设计点数学模型2.4.2 非设计点数学模型求解2.5 小结第三章 空气涡轮火箭发动机的总体设计方案研究3.1 空气涡轮火箭发动机推进剂的选择与分析3.1.1 推进剂的影响分析3.1.2 不同推进剂的发动机性能比较3.2 空气涡轮火箭发动机的参数性能分析3.2.1 参数的灵敏度分析3.2.2 参数的性能分析3.2.3 飞行状态对性能的影响3.2.4 参数的初步选择3.3 空气涡轮火箭发动机的特性分析3.3.1 发动机的节流特性3.3.2 发动机的速度特性3.3.3 发动机的高度特性3.4 空气涡轮火箭发动机的重量和尺寸估算3.4.1 发动机的迎风面积3.4.2 发动机的重量3.5 小结第四章 空气涡轮火箭发动机与飞行器一体化研究4.1 空气涡轮火箭发动机沿飞行弹道的性能研究4.2 预冷对空气涡轮火箭发动机的影响研究4.3 压气机模型对空气涡轮火箭发动机的影响研究4.3.1 压气机理论模型4.3.2 不同压气机模型对ATR的性能影响4.4 增加空气流量对空气涡轮火箭发动机的影响研究4.5 基于ATR动力的飞行器初步方案设计4.5.1 飞行任务和技术要求4.5.2 任务分析的基本数据4.5.3 约束条件分析4.5.4 任务分析4.6 ATR的参数初步优化设计4.7 小结第五章 结论与展望5.1 本文工作总结5.2 下一步工作建议致谢参考文献作者在学期间取得的学术成果
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