超燃冲压发动机及其爆震稳定自持的主动控制方法与流程

本发明涉及超声速来流条件下爆震动态稳定传播控制技术领域，具体涉及的是超燃冲压发动机及其爆震稳定自持的主动控制方法。

背景技术：

超燃冲压发动机(scramjet)在高马赫(ma>5)飞行条件下性能优良，已经成为高超声速飞行器推进系统的首选方案。然而，结合当前的研究以及美国x-51a飞行试验可以得知，超燃冲压发动机验证机的加速性能并不明显，净推力偏小。因此，基于当前研究，迫切需要改善发动机推力性能。超燃冲压发动机按照布莱顿(brayton)等压燃烧循环设计，其热力循环效率远低于近似等容循环的爆震燃烧。因而如果能够在超声速气流中实现爆震燃烧，即使是局部爆震燃烧，发动机的推力性能极有可能获得大幅提升。

超燃冲压发动机已经逐渐走向工程应用，但是基于爆震燃烧的新型超燃冲压发动机概念设计目前还没有见诸报道。利用超燃冲压发动机相对成熟的工程化经验，在燃烧室中采用爆震燃烧替换等压燃烧模式，相对于其它类型爆震发动机而言能够尽快实现基于爆震燃烧发动机。现有技术人也有人开展过超声速气流中采用热射流实现爆震起爆的实验和数值模拟研究，有助于加深对燃烧室超声速气流中爆震起爆的认识。这些基础研究中均采用一个独立供应燃料和氧化剂的热射流管进行热射流喷注与点火起爆，没有考虑具体的发动机应用实现。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种超燃冲压发动机及其爆震稳定自持的主动控制方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

超燃冲压发动机，包括燃烧室，将燃烧室内从燃烧室入口至燃烧室出口依次划分为燃烧室上游、燃烧室中游以及燃烧室下游，在燃烧室上游以及中游的一侧壁面上等间距安装有多个压力传感器；在燃烧室上游以及中游的上、下侧壁面上均等间距开设有多个抽吸孔，抽吸孔联通燃烧室壁内的管路且通过管路与抽吸泵连接；在燃烧室下游的下侧壁面上设有一凹腔。通过压力传感器对爆震波进行实时检测、利用抽吸孔以及抽吸泵实现边界抽吸以及凹腔的设置，三种设计的有机组合，实现在超声速爆震发动机燃烧室内爆震的可靠起爆和稳定自持控制。

在燃烧室上游以及中游的一侧壁面上等间距安装有多个压力传感器。压力传感器实时测量燃烧室壁面压力，通过多个压力传感器实时测量到燃烧室内不同位置处的燃烧室壁面压力进而判断爆震波当前的传播位置。本发明中，各压力传感器与爆震波状态监测系统连接，各压力传感器将监测到的压力信号实时传输给爆震波状态监测系统，爆震波为一道强激波，爆震波通过燃烧室某处壁面时会引起该壁面压力突然跃升，因而通过压力传感器实时测量壁面压力，当检测到壁面突然跃升的压力传感器的所在位置即爆震波当前的传播位置，以此规律即可判断爆震波的实时传播位置。

在燃烧室上游以及中游的上、下侧壁面上均等间距开设有多个抽吸孔，抽吸孔联通燃烧室壁内的管路且通过管路与抽吸泵连接。通过在燃烧室上游以及中游的上、下侧壁面上开设抽吸孔，在爆震起爆时，开启抽吸泵，通过抽吸孔抽吸燃烧室内边界层低速区域的气流，抑制了爆震波和边界层相互作用发生燃烧波前传，消除了边界层对爆震波的起爆的影响，使得爆震波能够在燃烧室中实现动态稳定传播。在本发明中:各抽吸孔联通的管道上均设有电子阀门，各抽吸孔通过电子阀门实现独立的开关控制。各电子阀门以及抽吸泵均与壁面边界抽吸控制系统连接。抽吸泵的抽吸强度由壁面边界抽吸控制系统连控制。壁面边界抽吸控制系统通过控制各电子阀门的开关进而实现各抽吸孔开关的控制。

爆震波状态监测系统与壁面边界抽吸控制系统连接，爆震波状态监测系统将爆震波的实时传播位置信息传给壁面边界抽吸控制系统；壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，开启抽吸泵以及当前有效抽吸区域内的各抽吸孔的电子阀门。一般情况下，有效抽吸区域长度可以给定为燃烧室的高度。当前有效抽吸区域为爆震波的实时传播位置后的一段长度与燃烧室的高度相等的燃烧室区域，开启当前有效抽吸区域内的抽吸装置对当前有效抽吸区域进行壁面边界抽吸。本发明实时监测爆震波的传播位置，根据该位置确定当前的有效抽吸区域，每次抽吸时仅开启当前的有效抽吸区域内的抽吸孔进行边界抽吸，实现边界抽吸的灵活控制和高效抽吸。当爆震波前传处于过驱状态时，开启有效抽吸区域内的抽吸孔。随着爆震波的前传，有效抽吸区域也处于动态变化中。壁面边界抽吸系统根据有效抽吸区域的变化动态控制抽吸孔的开关，从而实现壁面高效抽吸。

在燃烧室下游的下侧壁面上设有一凹腔，凹腔下凹的方向垂直于爆震波的传播方向，凹腔的长度方向平行于燃烧室的长度方向。凹腔下凹的深度与凹腔的长度的比值一般为1:2。凹腔内部低速燃烧产生强烈的压力波动，同时爆震波面和凹腔之间形成一个亚声速通道，而凹腔内部形成的压力波则能够通过这个亚声速通道前传，最终作用于前方爆震波面，促使爆震过驱前传。

本发明凹腔内部的低速回流区产生的压力震荡能够通过亚声速区作用于爆震波面，能够促进爆震波的起爆以及前传。相反，壁面边界抽吸能够抑制爆震波的前传。当采用凹腔设置促进爆震起爆的同时也会使得爆震波前传，这是采用由壁面边界抽吸来抑制爆震波前传，从而使得爆震波能够实现动态稳定。两者相辅相成，最终实现爆震稳定传播。

本发明中爆震波传播速度为超声速(1000-2000m/s)，在超声速来流条件下，相对于燃烧室坐标系统而言，其相对传播速度约在0-500m/s之间。因此想要实时监测爆震波的传播状态，对于压力传感器而言需要相对较高的反应灵敏度，这样才能有效实现爆震波状态反馈，进行相对精确的调节控制。

本发明基于前面提供的超燃冲压发动机，提供一种超燃冲压发动机爆震稳定自持的主动控制方法，在超声速通道中实时监测爆震波动态状态，根据反馈状态动态控制壁面抽吸，使得爆震波能够稳定于一定区间内，实现动态稳定自持传播，从而达到爆震波稳定自持控制的目的。具体方法如下：

在爆震起爆时，通过安装在燃烧室壁面上的一组压力传感器实时测量燃烧室内不同位置处的燃烧室壁面压力，各压力传感器将监测到的压力信号实时传输给爆震波状态监测系统，爆震波状态监测系统根据各压力传感器将监测到的压力信号判断爆震波当前的传播位置。

爆震波状态监测系统将爆震波当前的传播位置信息传给壁面边界抽吸控制系统。壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，开启抽吸泵以及当前有效抽吸区域内的各抽吸孔的电子阀门，在有效抽吸区域内进行壁面边界抽吸。随着爆震波的前传，爆震波的传播位置动态变化，相应的有效抽吸区域也处于动态变化中，壁面边界抽吸系统根据有效抽吸区域的变化动态控制抽吸孔的开关，从而实现壁面高效抽吸。

当爆震波传递到燃烧室下游设置的凹腔时，凹腔内部的低速回流区产生的压力震荡能够通过亚声速区作用于爆震波面，能够促进爆震波的起爆以及前传。其中壁面边界抽吸能够抑制爆震波的前传，而凹腔的设置能够促进爆震起爆的同时也会使得爆震波前传，两者相辅相成，从而使得爆震波能够实现动态稳定传播。

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

本发明通过一组压力传感器实时检测爆震波的传播位置，并根据传播位置确定当前的有效抽吸区域，同时结合凹腔的设计，从而实现控制爆震动态稳定传播的功能。其中凹腔设置可以促进爆震起爆，同时边界抽吸也可以实现灵活控制，从而实现超声速流场中爆震稳定自持传播控制。

爆震波实时检测、边界抽吸控制以及凹腔三种设置的有机组合，为超声速爆震发动机燃烧室内爆震的可靠起爆和稳定自持控制提供了一种新型方案。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

附图标记：

1、压力传感器；

2、抽吸孔；

3、凹腔。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。

超燃冲压发动机，包括燃烧室，将燃烧室内从燃烧室入口至燃烧室出口依次划分为燃烧室上游、燃烧室中游以及燃烧室下游，在燃烧室上游以及中游的一侧壁面上等间距安装有多个压力传感器1，压力传感器1实时测量燃烧室壁面压力，通过多个压力传感器1实时测量到燃烧室内不同位置处的燃烧室壁面压力进而判断爆震波当前的传播位置。

在燃烧室上游以及中游的上、下侧壁面上均等间距开设有多个抽吸孔2，抽吸孔2联通燃烧室壁内的管路且通过管路与抽吸泵连接。通过在燃烧室上游以及中游的上、下侧壁面上开设抽吸孔2，在爆震起爆时，开启抽吸泵，通过抽吸孔抽吸燃烧室内边界层低速区域的气流，抑制了爆震波和边界层相互作用发生燃烧波前传，消除了边界层对爆震波的起爆的影响，使得爆震波能够在燃烧室中实现动态稳定传播。各抽吸孔2联通的管道上均设有电子阀门，各抽吸孔2通过电子阀门实现独立的开关控制。各电子阀门以及抽吸泵均与壁面边界抽吸控制系统连接。抽吸泵的抽吸强度由壁面边界抽吸控制系统连控制。壁面边界抽吸控制系统通过控制各电子阀门的开关进而实现各抽吸孔开关的控制。

在燃烧室下游的下侧壁面上设有一凹腔3，凹腔3下凹的方向垂直于爆震波的传播方向，凹腔3的长度方向平行于燃烧室的长度方向。凹腔3下凹的深度与凹腔的长度的比值一般为1:2。凹腔3内部低速燃烧产生强烈的压力波动，因为燃烧的存在爆震波和凹腔之间形成一个亚声速通道，而凹腔内部形成的压力波则能够通过这个亚声速通道前传，最终作用于前方爆震波面，促使爆震过驱前传。

各压力传感器与爆震波状态监测系统连接，各压力传感器将监测到的压力信号实时传输给爆震波状态监测系统，爆震波为一道强激波，爆震波通过燃烧室某处壁面时会引起该壁面压力突然跃升，因而通过压力传感器实时测量壁面压力，当检测到壁面突然跃升的压力传感器的所在位置即爆震波当前的传播位置，以此规律即可判断爆震波的实时传播位置。

爆震波状态监测系统与壁面边界抽吸控制系统连接，爆震波状态监测系统将爆震波的实时传播位置信息传给壁面边界抽吸控制系统；壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，开启抽吸泵以及当前有效抽吸区域内的各抽吸孔的电子阀门。一般情况下，有效抽吸区域长度可以给定为燃烧室的高度。当前有效抽吸区域为爆震波的实时传播位置后的一段长度与燃烧室的高度相等的燃烧室区域。本发明实时监测爆震波的传播位置，根据该位置确定当前的有效抽吸区域，每次抽吸时仅开启当前的有效抽吸区域内的抽吸孔进行边界抽吸，实现边界抽吸的灵活控制和高效抽吸。当爆震波前传处于过驱状态时，开启有效抽吸区域内的抽吸孔。随着爆震波的前传，有效抽吸区域也处于动态变化中。壁面边界抽吸系统根据有效抽吸区域的变化动态控制抽吸孔的开关，从而实现壁面高效抽吸。

本发明中爆震波传播速度为超声速(1000-2000m/s)，在超声速来流条件下，相对于燃烧室坐标系统而言，其相对传播速度约在0-500m/s之间。因此想要实时监测爆震波的传播状态，对于压力传感器而言需要相对较高的反应灵敏度，这样才能有效实现爆震波状态反馈，进行相对精确的调节控制。

本发明凹腔3内部的低速回流区产生的压力震荡能够通过亚声速区作用于爆震波面，能够促进爆震波的起爆以及前传。相反，壁面边界抽吸能够抑制爆震波的前传。当采用凹腔设置促进爆震起爆的同时也会使得爆震波前传，这是采用由壁面边界抽吸来抑制爆震波前传，从而使得爆震波能够实现动态稳定。两者相辅相成，最终实现爆震稳定传播。

本发明基于前面提供的超燃冲压发动机，提供一种超燃冲压发动机爆震稳定自持的主动控制方法，在超声速通道中实时监测爆震波动态状态，根据反馈状态动态控制壁面抽吸，使得爆震波能够稳定于一定区间内，实现动态稳定自持传播，从而达到爆震波稳定自持控制的目的。具体方法如下：

爆震起爆时，通过安装在燃烧室壁面上的一组压力传感器实时测量燃烧室内不同位置处的燃烧室壁面压力，各压力传感器将监测到的压力信号实时传输给爆震波状态监测系统，爆震波状态监测系统根据各压力传感器将监测到的压力信号判断爆震波当前的传播位置。爆震波状态监测系统将爆震波当前的传播位置信息传给壁面边界抽吸控制系统。壁面边界抽吸控制系统根据爆震波的实时传播位置信息确定当前有效抽吸区域，开启抽吸泵以及当前有效抽吸区域内的各抽吸孔的电子阀门，在有效抽吸区域内进行壁面边界抽吸。

随着爆震波的前传，爆震波的传播位置动态变化，相应的有效抽吸区域也处于动态变化中，壁面边界抽吸系统根据有效抽吸区域的变化动态控制抽吸孔的开关，从而实现壁面高效抽吸。当爆震波传递到燃烧室下游设置的凹腔时，凹腔内部的低速回流区产生的压力震荡能够通过亚声速区作用于激波面，能够促进爆震波的起爆以及前传。其中壁面边界抽吸能够抑制爆震波的前传，而凹腔的设置能够促进爆震起爆的同时也会使得爆震波前传，两者相辅相成，从而使得爆震波能够实现动态稳定传播。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。