固冲发动机组合喷管流量调节及推力矢量技术研究

论文摘要

本文以整体式固体火箭冲压发动机为研究对象,紧密结合当前导弹动力系统研制需求,致力于解决当前研制面临的冲压发动机高速巡航性能偏低和导弹机动性不足的突出问题,自主创新提出了新概念组合喷管设计方案及其流量分配调节和推力矢量两项新技术。在导弹飞行全速度范围内,既可实现冲压喷管流量调节,大幅提高冲压发动机高速巡航性能,又可构造出矢量推力,用以实现导弹飞行的直接力控制。本文研究工作不仅具有重大的工程实用价值,而且明确从组合喷管流量分配调节技术取得突破,打破了以往采用固定几何结构单喷管不调节的技术传统,丰富了冲压发动机设计理论,又具有重要的科学理论意义。围绕组合喷管及其流量分配调节和推力矢量技术,本文开展了系统性研究。首先针对当前整体式固体火箭冲压发动机研制及其技术发展状况进行了周到细致的技术分析和总结,指出了喷管不调节造成冲压发动机高速巡航性能大幅损失的严重问题,厘清了其物理流动机制,并追根溯源从设计思想和技术路线上找不足。从而确立了本文研究的技术路线,即以提高冲压发动机的高速巡航性能为重心,采用“高速巡航+敏捷性”组合战术战法,选用简单“十”字形轴对称气动布局,降低飞行控制设计难度。并挖掘进气道整流罩的结构功用,充分利用其内部安装空间,开展了组合喷管与导弹气动外形的保形结构设计。基于冲压发动机工作原理,本文从气体动力学理论出发,引入恰当工程经验和近似处理,以满足初步方案快速工程设计和计算评估为目的,确立了组合喷管及其流量分配调节和推力矢量的理论设计计算方法和分析模型,并运用其开展了组合喷管实例设计和计算分析。不仅定量论证了常规固定几何结构喷管制约冲压发动机性能的机理,而且针对该问题设计出具体的组合喷管方案,细致阐述了其设计过程,定量分析和评估了组合喷管及其流量分配调节的性能优势,还探讨了易于工程实现的冲压喷管调节技术对策和推力矢量构造方式。本文最后还引用先进的CFD数值模拟技术,完成了组合喷管方案的数值验证,揭示了组合喷管流动内蕴的流量分配调节物理机制,证明了本文设计思想和技术路线的正确性,并且修正和弥补了设计理论和计算模型的不足。基于数值模拟,还刻画了组合喷管内部流动的细节特征,揭示出组合喷管与补燃室构成分歧管道导致流动损失的现象,为进一步开展组合喷管方案优化设计提供了指导。特别地,从数值模拟结果中,本文获得了一个非常有实用意义的重要结论:仅需选用最简单的两段调节策略,即在设计点速度以下,辅助喷管全部打开,而高于设计点速度时,辅助喷管全部关闭,采用组合喷管方案就可使整体式固体火箭冲压发动机推力性能大幅提高。对比原有固定几何结构单喷管不调节的方案,本文设计方案在接力点2Ma处,发动机推力同比提高18.51%。在设计点2.8Ma处,同比提高26.57%。3.5Ma高速巡航时,同比提高27.95%,推力系数值从原来的0.5612提高到0.7438,比较可观。足见喷管不调节造成发动机高速巡航性能损失有多大,而采用组合喷管流量分配调节措施弥足了该部分损失,使得冲压发动机同时兼备高的高速巡航性能和良好的低速接力性能。概括起来,本文不仅圆满完成了组合喷管及其流量分配调节和推力矢量技术的原理性设计研究,而且还完成了其技术验证,从而证明该方案不仅理论可行,而且易于工程实现,方案的技术优势明显,工程实用意义大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 军事应用背景及产品需求
• 1.1.2 国外整体式固体火箭冲压发动机研制概况和发展趋势
• 1.1.3 国内整体式固体火箭冲压发动机研制现状和存在的问题
• 1.2 研究目标及意义
• 1.2.1 研究目标
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 研究内容和技术创新特色
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术创新特色
• 1.4 论文结构和章节安排
• 第二章 整体式固体火箭冲压发动机研制技术分析
• 2.1 整体式固体火箭冲压发动机技术及其发展概况
• 2.1.1 技术特点
• 2.1.2 关键技术分析
• 2.1.3 技术发展趋势
• 2.2 典型产品设计技术分析
• 2.2.1 流星导弹用冲压发动机技术分析
• 2.2.2 流星导弹总体设计技术分析
• 2.3 其它相关产品设计技术分析
• 2.4 针对当前国内研制技术状况的几点认识与思考
• 2.4.1 当前国内研制技术状况
• 2.4.2 对于冲压发动机的再认识
• 2.4.3 整体式固体火箭冲压发动机存在的主要问题
• 2.4.4 对于当前设计思想的反思
• 2.5 关于当前技术解决途径的探讨
• 第三章 整体式固体火箭冲压发动机总体设计理论和方法
• 3.1 总体设计理论和方法
• 3.1.1 几何模型
• 3.1.2 热力循环
• 3.1.3 冲压发动机推力
• 3.1.4 冲压发动机推力系数
• 3.1.5 补燃室燃烧特性与燃气流量调节性能
• 3.1.6 冲压发动机总体性能估算
• 3.2 总体设计过程分析
• 3.3 整体式固体火箭冲压发动机总体设计实例
• 3.3.1 总体参数
• 3.3.2 总体气动布局和结构布置方案
• 3.3.3 进气道方案及其性能
• 3.3.4 补燃室燃烧性能
• 3.3.5 尾喷管设计
• 3.3.6 燃气流量调节规律
• 3.3.7 喷管喉道对冲压发动机推力性能的影响
• 3.4 固定几何喷管设计存在的问题
• 3.5 本章小结
• 第四章 组合喷管及其流量分配调节设计技术
• 4.1 引言
• 4.2 组合喷管结构方案
• 4.3 组合喷管流量分配调节的设计思想
• 4.4 组合喷管流量分配调节的设计方法
• 4.4.1 基本假设
• 4.4.2 组合喷管的流量分配调节方案
• 4.4.3 组合喷管冲压发动机推力公式
• 4.4.4 组合喷管冲压发动机总体性能估算公式
• 4.5 组合喷管流量分配调节实例方案设计及计算分析
• 4.5.1 组合喷管流量分配调节初步方案设计
• 4.5.2 组合喷管流量分配调节方案改进设计及计算分析
• 4.6 组合喷管分段调节实施策略探讨
• 4.7 两段调节组合喷管方案设计及计算分析
• 4.7.1 按3.5Ma设计的两段调节组合喷管方案及其性能评估
• 4.7.2 按2.8Ma设计的两段调节组合喷管方案及其性能评估
• 4.7.3 比较分析与讨论
• 4.8 本章小结
• 第五章 组合喷管流动CFD数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 CFD数值模拟技术概述
• 5.3 控制方程及物理模型
• 5.3.1 N-S方程解法
• 5.3.2 雷诺平均N-S方程
• 5.3.3 湍流模型
• 5.3.4 现实k-ε模型
• 5.3.5 近壁面处理
• 5.4 数值解法
• 5.4.1 有限体积法
• 5.4.2 控制方程的空间离散
• 5.4.3 定常问题的时间相关解法
• 5.5 设计点组合喷管流动的数值模拟
• 5.5.1 计算假设和模拟策略
• 5.5.2 几何模型和计算网格
• 5.5.3 辅助喷管全部关闭的模拟结果
• 5.5.4 辅助喷管全部满开的模拟结果
• 5.5.5 计算结果的后置处理
• 5.5.6 计算结果的对比分析
• 5.6 固定几何单喷管流动的数值模拟
• 5.7 非设计点组合喷管流动的数值模拟
• 5.8 两段调节组合喷管方案性能的数值模拟验证
• 5.9 本章小结
• 第六章 组合喷管推力矢量技术
• 6.1 战术导弹用推力矢量技术发展概况
• 6.2 冲压发动机推力矢量技术应用分析
• 6.3 组合喷管流量分配调节推力矢量的设计思想
• 6.4 组合喷管流量分配调节推力矢量的结构方案
• 6.5 组合喷管流量分配调节推力矢量的设计计算方法
• 6.5.1 组合喷管差额化流量分配调节方案
• 6.5.2 组合喷管冲压发动机矢量推力计算
• 6.5.3 组合喷管冲压发动机总体性能估算
• 6.6 组合喷管不摆动的推力矢量设计方案
• 6.7 组合喷管摆动的推力矢量设计方案
• 6.7.1 设计思想
• 6.7.2 俯仰运动的实现
• 6.7.3 右滚运动的实现
• 6.7.4 其它运动方式的实现
• 6.8 推力矢量技术实现策略探讨
• 6.9 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 本文技术创新点
• 7.3 下一步工作展望
• 作者在学期间取得的学术成果
• 致谢
• 参考文献表