摘要：隨著航空科技的發(fā)展，高超聲速飛行器研究逐漸成為航空領(lǐng)域研究的熱門。其中超燃沖壓發(fā)動機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，同時在高馬赫數(shù)環(huán)境下有著較大的推重比和較高的穩(wěn)定性，因此它是高超聲速飛行器的主要動力裝置。超燃沖壓發(fā)動機(jī)的噴管作為發(fā)動機(jī)提供推力的部件，近年來對它的研究也十分火熱。本文將對超燃沖壓發(fā)動機(jī)噴管領(lǐng)域的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及前景進(jìn)行詳細(xì)的分析。

[關(guān)鍵詞]超燃沖壓發(fā)動機(jī);推重比;噴管;前景

[中圖分類號]V231.3[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]

引言

超燃沖壓發(fā)動機(jī)作為高超聲速飛行器研究的重要領(lǐng)域，它的發(fā)展不僅是我國航空航天技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志，更是我國邁入航空強(qiáng)國的重要基石 [1，2]。超燃沖壓發(fā)動機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括由進(jìn)氣道、隔離段、燃燒室和尾噴管四部分，構(gòu)型上采用飛行器機(jī)體一體化設(shè)計(jì)，將飛行器的下表面作為進(jìn)氣道和尾噴管的上壁面，以減少迎風(fēng)面積和重量[3-5]。它相比于傳統(tǒng)的渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)，不具有葉輪機(jī)結(jié)構(gòu)，所以它在高馬赫數(shù)環(huán)境下穩(wěn)定性更高，并具有更高的機(jī)械效率。發(fā)動機(jī)噴管作為提供推力的主要部件，為了進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)的性能，國內(nèi)外開展了許多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來研究不同外界條件對噴管性能的影響。

1.國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1.國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)對該領(lǐng)域的研究手段大多是以仿真實(shí)驗(yàn)為主，使用的軟件主要是計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT軟件，國內(nèi)許多大學(xué)在該領(lǐng)域的研究也有一定程度的進(jìn)展：空軍工程大學(xué)做過超燃沖壓發(fā)動機(jī)的噴管二維流場的數(shù)值計(jì)算，實(shí)驗(yàn)設(shè)定飛行馬赫數(shù)為6，噴管入口馬赫數(shù)分別為1、1.25、1.5、1.75和2的五種工況，得到了各個工況下噴管的推力和升力，來論證不同入口馬赫數(shù)對噴管性能的影響[6-7]。

1.2.國外研究進(jìn)展

國外在該領(lǐng)域的研究手段主要以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為主。在日本國家航空航天實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)做過超燃沖壓發(fā)動機(jī)噴管的高速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，風(fēng)洞中的自由流馬赫數(shù)最高可以達(dá)到10，噴管入口利用加壓的空氣來模擬實(shí)習(xí)情況下的高溫高壓燃?xì)?。?shí)驗(yàn)通過紋影法得到了噴管流場的激波分布情況，并且通過改變側(cè)壁面的形狀來研究噴管側(cè)壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴管性能影響的規(guī)律[8]。

2以往超燃沖壓發(fā)動機(jī)噴管研究存在的問題

以往超燃沖壓發(fā)動機(jī)噴管研究的不足之處主要有以下兩點(diǎn)：（1）研究方向較為單一：前幾年國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究，無論是仿真實(shí)驗(yàn)還是實(shí)體實(shí)驗(yàn)，大多都圍繞著不同的外界條件或是幾何構(gòu)型對噴管性能的影響，很少有對于噴管流場結(jié)構(gòu)特性做深入的理論研究。（2）實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際情況差別較大：前幾年該領(lǐng)域的仿真實(shí)驗(yàn)大多基于二維流場，而二維流場的結(jié)果很難描繪出噴管實(shí)際的工作狀況。而在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)入噴管入口的氣流都是加壓的以室溫空氣，而在實(shí)際工作狀況下進(jìn)入噴管的氣流是高溫高壓的燃?xì)?，因此氣流組分的巨大差異也使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度較低。

3研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

關(guān)于仿真實(shí)驗(yàn)，由于以往計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的限制，無法對網(wǎng)格數(shù)過多的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，導(dǎo)致之前的數(shù)值計(jì)算只能對二維網(wǎng)格進(jìn)行運(yùn)算，即使有些人做了三維流場計(jì)算，還要降低網(wǎng)格的數(shù)量，這些問題都導(dǎo)致仿真結(jié)果的可信度偏低。而隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的增強(qiáng)，大多數(shù)計(jì)算機(jī)已經(jīng)逐漸可以支持三維流場網(wǎng)格的計(jì)算，并且還可以對流場中的氣流組分進(jìn)行配置[9，10];氣體的比熱容、傳熱系數(shù)等氣流特征參數(shù)也可以不設(shè)置成定值，能夠?qū)崿F(xiàn)將這些參數(shù)設(shè)置成隨某個流場參數(shù)變化的函數(shù)。關(guān)于實(shí)體實(shí)驗(yàn)，近些年隨著測量技術(shù)的發(fā)展，通過實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)精確度越來越高，能夠滿足許多高精度實(shí)驗(yàn)的需求。

4 未來研究方向的展望

隨著計(jì)算能力的提升和軟件功能的增強(qiáng)，在仿真實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域，相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算就不能只停留在定常流場，未來可以對噴管非定常流場做數(shù)值計(jì)算，來研究噴管流場隨時間變化的規(guī)律，這樣不僅可以對噴管性能隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行分析，還能夠進(jìn)一步研究非定常狀態(tài)下激波、膨脹波隨時間的變化情況;以及噴管流場隨時間變化時是否會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方面，隨著風(fēng)洞技術(shù)的提升，風(fēng)洞所能提供的氣流馬赫數(shù)越來越高，流速也更加穩(wěn)定，能夠?yàn)閲姽軐?shí)驗(yàn)提供更接近于實(shí)際工作狀況下的流場環(huán)境;并且配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也更加先進(jìn)，采集到的數(shù)據(jù)更精確，這些條件也有利于今后對更高馬赫數(shù)環(huán)境下工作的噴管構(gòu)型的研發(fā)和性能測試工作。

5 總結(jié)

本文通過對超燃沖壓發(fā)動機(jī)整機(jī)及噴管特點(diǎn)進(jìn)行介紹，闡述了國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并通過調(diào)查的以往的研究工作，總結(jié)了以往研究手段所存在的不足。再通過對當(dāng)下該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的分析，論證了現(xiàn)今的研究手段能夠充分解決了以往研究所存在的問題。并通過對目前的發(fā)展趨勢的分析，對未來該領(lǐng)域研究方向也做了展望，論述了未來該領(lǐng)域研究的主要方向，對今后的研究有一定程度的指導(dǎo)意義。

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作者簡介：齊曉航（1994-）男，漢族，籍貫：天津，碩士研究生，研究方向：航空宇航推進(jìn)理論與工程。