多變量調(diào)節(jié)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析

王遠(yuǎn)遠(yuǎn)，孫振華,2，沈 欣，賀永杰,2

(1 中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；2 航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471009； 3 空裝駐洛陽地區(qū)第一軍事代表室，河南 洛陽 471009)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著“流星”超視距空空導(dǎo)彈正式服役，固沖發(fā)動(dòng)機(jī)正逐漸成為世界各國研制或改進(jìn)空空導(dǎo)彈首選的動(dòng)力裝置[1-4]。然而，僅通過調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁渴构虥_發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)高度0～25 km，速度Ma2～Ma4的工作范圍，要滿足的燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)比需超過20∶1，對燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)裝置性能要求極高，技術(shù)難度極大。因此，單通過燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)，難以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能得到足夠提升，難以滿足大空域、寬馬赫數(shù)范圍的使用需求。

近年來，國內(nèi)外固沖發(fā)動(dòng)機(jī)研制團(tuán)隊(duì)在繼續(xù)探索燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)技術(shù)的同時(shí)，開始關(guān)注進(jìn)氣道和噴管調(diào)節(jié)技術(shù)，嘗試改變傳統(tǒng)單一變量固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式，提出“開源節(jié)流”的設(shè)計(jì)思想。通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)部件，采用先進(jìn)控制策略，利用發(fā)動(dòng)機(jī)部件之間工作的互相匹配，實(shí)現(xiàn)多變量調(diào)節(jié)，達(dá)到進(jìn)一步提升固沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的目的[5-7]。

李新田[8]、于寧[9]、孫興[10]、牛楠[11]、張林[12]、Kurth等[8-13]以燃?xì)饬髁靠烧{(diào)定幾何固沖發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程數(shù)學(xué)物理模型，運(yùn)用數(shù)值仿真平臺進(jìn)行計(jì)算，探究了余氣系數(shù)、飛行高度、馬赫數(shù)、攻角等因素對固沖發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)、比沖、進(jìn)氣道工作裕度等性能的影響。邵明玉等[14]以多變量調(diào)節(jié)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)為主要研究對象，研究了固沖發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中存在的問題，通過設(shè)計(jì)實(shí)例確定參數(shù)，對比分析了不同類型進(jìn)氣道、沖壓噴管的工作性能以及固沖發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)的推力系數(shù)和比沖性能。李澤勇[15]設(shè)計(jì)了一種可以通過流量分配實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)以及推力矢量控制的組合噴管，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的高速巡航性能和低速接力性能。Zhang[16]通過飛行試驗(yàn)演示了一款使用變流量固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的全尺寸飛行器在全包線內(nèi)的飛行性能。Nakayama[17]通過靜態(tài)燃燒試驗(yàn)，驗(yàn)證了一臺使用變流量固沖發(fā)動(dòng)機(jī)飛行器的全尺寸沖壓燃燒性能。李棟等[18]通過對雙下側(cè)進(jìn)氣布局固沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣交匯位置變化時(shí)的流場狀態(tài)進(jìn)行三維仿真，研究進(jìn)氣交匯位置對固沖發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

關(guān)于燃?xì)饬髁靠烧{(diào)定幾何固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能的研究十分豐富，但是針對不同類型固沖發(fā)動(dòng)機(jī)在全包線內(nèi)的工作性能的研究較少，無法通過數(shù)據(jù)定量分析固沖發(fā)動(dòng)機(jī)在各變量調(diào)節(jié)下的性能優(yōu)勢。

文中以多變量調(diào)節(jié)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)為主要研究對象，通過與燃?xì)饬髁?噴管調(diào)節(jié)、燃?xì)饬髁?進(jìn)氣道調(diào)節(jié)、燃?xì)饬髁靠烧{(diào)-定幾何固沖發(fā)動(dòng)機(jī)對比，探究不同類型固沖發(fā)動(dòng)機(jī)全包線范圍內(nèi)工作性能具體差異。

1 固沖發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算方法和方案設(shè)計(jì)

1.1 固沖發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算方法

圖1為固沖發(fā)動(dòng)機(jī)一般結(jié)構(gòu)及截面劃分。

圖1 固沖發(fā)動(dòng)機(jī)一般結(jié)構(gòu)及截面劃分

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣流按照一維絕熱流動(dòng)處理,根據(jù)空氣流動(dòng)方向，將固沖發(fā)動(dòng)機(jī)截面進(jìn)行劃分。1-2為進(jìn)氣道，0′-2′為燃?xì)獍l(fā)生器，2-4為燃燒室(其中2-3為摻混段，3-4為燃燒段)，4-6為沖壓噴管。

根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器及燃料相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到1次燃?xì)饬髁縨r及相關(guān)特性參數(shù)，在截面3處與m0混合得到2次燃?xì)饬髁?。在截?～6段利用來流總溫和余氣系數(shù)插值可得到2次燃?xì)獾臍怏w參數(shù)。

給定一個(gè)進(jìn)氣道出口(截面2)速度系數(shù)λ2，沿氣流流動(dòng)方向從前往后依次計(jì)算出各截面參數(shù)。

為保證沖壓噴管處于超臨界工作狀態(tài)，噴管喉徑確定的情況下，喉道處(截面5)速度系數(shù)λ5應(yīng)為1。如果根據(jù)給定λ2求出的噴管參數(shù)不滿足使用需求，則需改變λ2進(jìn)行迭代計(jì)算，直到得到符合使用條件的λ2和發(fā)動(dòng)機(jī)各截面參數(shù)。

最后將所需截面參數(shù)代入固沖發(fā)動(dòng)機(jī)推力F、推力系數(shù)Cf及比沖Is計(jì)算公式即可得到固沖發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的性能，其表達(dá)式分別為：

F=m6V6-m0V0+(P6-P0)A6

(1)

(2)

(3)

式(1)中：m6，V0，V6，P0，P6，A0，A6分別為噴管出口氣流流量、來流速度、噴管出口氣流速度、來流靜壓、噴管出口氣流靜壓、進(jìn)氣道前方流管面積和噴管出口面積。式(2)中：AR為發(fā)動(dòng)機(jī)參考面積；ρ0為空氣密度。文中出現(xiàn)的推力系數(shù)、比沖等值均經(jīng)過歸一化處理，用C′f和I′s表示。

1.2 固沖發(fā)動(dòng)機(jī)部件尺寸及性能參數(shù)

表1為多變量調(diào)節(jié)、燃?xì)饬髁?噴管調(diào)節(jié)、燃?xì)饬髁?進(jìn)氣道調(diào)節(jié)和燃?xì)饬髁靠烧{(diào)-定幾何固沖發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)方式對比。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)方式

表2為不同類型進(jìn)氣道在無姿態(tài)時(shí)的臨界總壓恢復(fù)系數(shù)σcr范圍。

表2 不同類型進(jìn)氣道臨界總壓恢復(fù)系數(shù)σcr

文中可調(diào)進(jìn)氣道起動(dòng)Ma為1.8，不可調(diào)進(jìn)氣道起動(dòng)Ma為2.5，流量系數(shù)均為1?？烧{(diào)噴管喉道面積A5/AR取值區(qū)間為[0.33～0.61]，不可調(diào)噴管喉道面積A5/AR取0.48，0.55和0.61三個(gè)值，噴管總壓恢復(fù)系數(shù)為0.96。

2 固沖發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析及對比

表3為固沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線及其余約束條件。

表3 工作包線及其余約束條件

在給定邊界條件約束下，利用前述固沖發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)所得參數(shù)及固沖發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算方法，分別對最大燃?xì)饬髁亢徒o定推力需求工況下不同類型固沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能進(jìn)行分析。

最大燃?xì)饬髁抗r時(shí)，固沖發(fā)動(dòng)機(jī)在包線內(nèi)每一點(diǎn)處推力均達(dá)到最大，此時(shí)消耗燃?xì)饬髁孔畲?，體現(xiàn)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)推力性能可以達(dá)到的上限。

最大比沖工況時(shí)，在給定工作包線內(nèi)，令發(fā)動(dòng)機(jī)在各點(diǎn)均可輸出滿足需求的推力，此時(shí)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)比沖最大，體現(xiàn)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)在推力需求已知時(shí)的最優(yōu)比沖性能。

2.1 最大燃?xì)饬髁抗r

圖2為飛行高度5 km，不可調(diào)噴管喉徑不同時(shí)，最大燃?xì)饬髁抗r下不同類型固沖發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)C′f的速度特性圖。

一開始，隨著Ma增大，余氣系數(shù)αMu(下標(biāo)Mu表示多變量調(diào)節(jié)固沖發(fā)動(dòng)機(jī))和αIn(下標(biāo)In表示燃?xì)饬髁?進(jìn)氣道調(diào)節(jié)固沖發(fā)動(dòng)機(jī))先減小，燃?xì)饬髁縨r-Mu和mr-In增大，可調(diào)噴管喉徑先不變，因此C′f-Mu和C′f-In先增大。使用不可調(diào)進(jìn)氣道的燃?xì)饬髁?噴管調(diào)節(jié)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)(Nz)和燃?xì)饬髁靠烧{(diào)-定幾何固沖發(fā)動(dòng)機(jī)(GF)無法正常起動(dòng)。

Ma取2.4時(shí)，αMu達(dá)到最小值后保持不變，可調(diào)噴管喉徑開始減小，C′f-Mu增大速度突然減小，曲線斜率減小，mr-Mu繼續(xù)增大，此時(shí)αIn仍較大，C′f-Mu和C′f-In曲線逐漸靠近。

Ma取2.5時(shí)，不可調(diào)進(jìn)氣道起動(dòng)，Nz和GF開始工作，C′f-Nz和C′f-GF隨Ma增大先增大；C′f-Nz的變化規(guī)律與C′f-Mu相似，增速在余氣系數(shù)αNz達(dá)到最小后開始減小。此時(shí)mr-Mu達(dá)到燃?xì)饬髁孔畲笾担⒃谝欢▍^(qū)間內(nèi)保持不變，可調(diào)噴管喉徑繼續(xù)減小，C′f-Mu繼續(xù)增大。

Ma取2.65時(shí)，mr-In達(dá)到最大，Mu噴管喉徑與In相等，因此C′f-Mu和C′f-In相等(相交于圖2中的點(diǎn)A)。Ma繼續(xù)增大，In噴管不可調(diào)，mr-In不變，αIn開始增大，C′f-In開始減小；此時(shí)C′f-Mu仍在增大，和C′f-In開始遠(yuǎn)離。

圖2 推力系數(shù)速度特性圖

隨著Ma增大，受最大進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)壓強(qiáng)限制，所有固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬髁吭谀骋籑a下開始減小，此后推力系數(shù)開始減小。從圖2(a)可看出，在Ma3附近時(shí)，C′f-In的減小速度突然增大，C′f-Mu，C′f-Nz和C′f-GF突然開始減小。此時(shí)可擴(kuò)大可調(diào)噴管喉徑，適當(dāng)增大燃?xì)饬髁?，因此在推力系?shù)開始減小后，相同Ma下，C′f-Mu恒大于C′f-In，C′f-Nz恒大于C′f-GF；且得益于可調(diào)進(jìn)氣道的高臨界總壓恢復(fù)，C′f-Mu恒大于C′f-Nz。

Ma取3.05(圖2(a)中的點(diǎn)B)后，余氣系數(shù)αGF與αIn恒相等，所以C′f-In和C′f-GF恒相等。

從圖2(b)、圖2(c)可看出，隨著不可調(diào)噴管喉徑增大，出現(xiàn)A，B點(diǎn)的Ma越來越小，A，B點(diǎn)之前C′f-Mu和C′f-In，C′f-Nz和C′f-GF差值逐漸減小。表4為不可調(diào)噴管喉徑不同時(shí)A，B點(diǎn)之前C′f-Mu對C′f-In，C′f-Nz對C′f-GF的最大提升程度δ1，δ2。

表4 A，B點(diǎn)前不同發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)提升程度 單位：%

隨著不可調(diào)噴管喉徑增大，在A，B點(diǎn)之后，C′f-Mu和C′f-In，C′f-Nz和C′f-GF差值越來越大。表5為不可調(diào)噴管喉徑不同時(shí)A，B點(diǎn)之后C′f-Mu對C′f-In，C′f-Nz對C′f-GF的最大提升程度δ3，δ4。

表5 A，B點(diǎn)后不同發(fā)動(dòng)機(jī)推力系數(shù)提升程度 單位：%

在B點(diǎn)之前，C′f-In基本大于等于C′f-Nz和C′f-GF；B點(diǎn)之后，C′f-In和C′f-GF相等，C′f-Nz大于C′f-In和C′f-GF。

因此，在低Ma時(shí)，使用可調(diào)噴管的推力性能更優(yōu)于小喉徑不可調(diào)噴管，單獨(dú)使用可調(diào)進(jìn)氣道的推力性能優(yōu)于單獨(dú)使用可調(diào)噴管；隨著Ma增大，可調(diào)噴管的推力優(yōu)勢逐漸增強(qiáng)，且高M(jìn)a時(shí)，更優(yōu)于大喉徑不可調(diào)噴管。

和定幾何固沖發(fā)動(dòng)機(jī)相比，對于任一不可調(diào)噴管喉徑，多變量調(diào)節(jié)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)低速狀態(tài)下可調(diào)進(jìn)氣道發(fā)揮主要作用，高速狀態(tài)下可調(diào)噴管發(fā)揮主要作用，推力性能在Ma1.8～Ma4范圍內(nèi)均為最優(yōu)。表6所示為高度為5 km，速度為Ma2.5和Ma4時(shí)C′f-Mu較不同噴管喉徑的C′f-GF的提升程度δ5，δ6。

表6 多變量調(diào)節(jié)較定幾何推力系數(shù)提升程度 單位：%

2.2 最大比沖工況

圖3為飛行高度為0～28 km，速度為Ma1.8～Ma4時(shí)，不同類型固沖發(fā)動(dòng)機(jī)能正常工作時(shí)的比沖I′s分布云圖，不可調(diào)噴管喉徑按照A5/AR=0.55設(shè)計(jì)。

圖3 比沖分布圖

可以看出，I′s-Mu的正常工作包線范圍最大；I′s-Mu(圖3(a)中)和I′s-Nz(圖3(b)中)比沖在8以上的包線分別大于I′s-In(圖3(c)中)和I′s-GF(圖3(d)中)；I′s-In和I′s-GF在包線內(nèi)均小于9；僅Mu能在全高度范圍內(nèi)工作。

圖4為最大比沖工況下，不同類型固沖發(fā)動(dòng)機(jī)分別在5 km，10 km和20 km高度時(shí)的比沖速度特性圖。

圖4 比沖速度特性圖

同一高度下，不同類型固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖隨Ma先增大后減小，使用可調(diào)噴管的比沖與使用不可調(diào)噴管的差值隨Ma先增大后減??；在任何情況下，I′s-Mu均為最大；I′s-In和I′s-GF在任一正常工作Ma下均相等，可見流量系數(shù)相同時(shí)，僅使用可調(diào)進(jìn)氣道對比沖性能無提升。

高度為5 km時(shí)，隨著Ma的增大，進(jìn)氣道臨界出口總壓不斷增大，滿足推力需求的可調(diào)噴管喉徑不斷減小。D點(diǎn)(Ma3.25)后，可調(diào)噴管與不可調(diào)噴管喉徑恒相等，因此I′s-Mu和I′s-Nz相等。隨著飛行高度增大，高M(jìn)a下可調(diào)進(jìn)氣道優(yōu)勢增大，臨界總壓恢復(fù)提升，αMu較大，mr-Mu較小，噴管喉徑較小，I′s-Mu較大，因此D點(diǎn)Ma越來越大。

高度為5 km時(shí)，I′s-Mu和I′s-In交于Ma1.8之前，此時(shí)Mu與In噴管喉徑相等，消耗燃?xì)饬髁肯嗟?，推力輸出相等時(shí)比沖相等。Ma增大，可調(diào)噴管喉徑縮小，mr-Mu小于mr-In，I′s-Mu大于I′s-In。可調(diào)噴管喉徑縮至最小后開始增大，Ma繼續(xù)增大，I′s-Mu和I′s-In逐漸接近。隨著飛行高度增大，低Ma下I′s-Mu和I′s-In差值越來越小，10 km時(shí)I′s-Mu和I′s-In交于C點(diǎn)(Ma1.85)之前；而高M(jìn)a下I′s-Mu和I′s-In的差值越來越大。I′s-Nz和I′s-GF同樣如此，隨著飛行高度增大，低Ma時(shí)I′s-Nz和I′s-GF逐漸出現(xiàn)交點(diǎn)。20 km時(shí)，所有固沖發(fā)動(dòng)機(jī)均在Ma2.6開始正常工作，從圖4(c)可看出，此時(shí)I′s-Nz和I′s-GF在E點(diǎn)(Ma2.6)之前相交；20 km高M(jìn)a時(shí)，I′s-Mu和I′s-In的差值、I′s-Nz和I′s-GF的差值均比5 km時(shí)大，比10 km時(shí)小?？芍c不可調(diào)噴管相比，低速狀態(tài)下可調(diào)噴管的優(yōu)勢隨飛行高度增大一直增大；高速狀態(tài)下可調(diào)噴管的優(yōu)勢隨飛行高度增大先增大后減小，在中等高度時(shí)可調(diào)噴管的優(yōu)勢最明顯。

多變量調(diào)節(jié)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)使用可調(diào)進(jìn)氣道，能全程提高發(fā)動(dòng)機(jī)的臨界總壓恢復(fù)能力，同時(shí)配合使用可調(diào)噴管，最大限度發(fā)揮可調(diào)部件的優(yōu)勢，可在全包線范圍內(nèi)提升發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能。表7為高度5 km，10 km和20 km，Ma取2.6和4.0時(shí)，I′s-Mu相對I′s-GF的提升程度。

表7 多變量調(diào)節(jié)較定幾何比沖提升程度 單位：%

3 結(jié)論

與其他固沖發(fā)動(dòng)機(jī)相比，多變量調(diào)節(jié)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)推力、比沖性能均為最優(yōu)，正常工作包線范圍最大。

使用可調(diào)噴管能彌補(bǔ)小喉徑不可調(diào)噴管低速和大喉徑不可調(diào)噴管高速推力不足的缺點(diǎn)；可調(diào)噴管的比沖優(yōu)勢在低空低速和高空高速更明顯。低速時(shí)使用可調(diào)進(jìn)氣道對推力提升大于可調(diào)噴管；流量系數(shù)相等時(shí)，僅使用可調(diào)進(jìn)氣道無法提升發(fā)動(dòng)機(jī)比沖。

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)低空低速接力性能和高空高速巡航性能，不可調(diào)噴管喉徑一般選取一個(gè)中間值，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在低空低速的推力性能和高空高速的比沖性能均無法達(dá)到最佳狀態(tài)。使用可調(diào)噴管，不僅能提高不可調(diào)噴管低空低速的推力性能，還能提高高空高速的比沖性能，在此基礎(chǔ)上使用可調(diào)進(jìn)氣道，能有效提高固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作上限，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能在全包線內(nèi)達(dá)到最佳。

因此，在工程應(yīng)用中，不僅要突破大燃?xì)饬髁勘日{(diào)節(jié)技術(shù)，還要注意可調(diào)進(jìn)氣道和可調(diào)噴管技術(shù)的同步發(fā)展，從多個(gè)角度同時(shí)考慮，實(shí)現(xiàn)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的多變量調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提升固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，使固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值更加凸顯。