斜爆震发动机及其起爆方法

本发明涉及吸气式高超声速推进，更具体地，涉及一种斜爆震发动机及其起爆方法。

背景技术：

1、高超声速推进技术是21世纪航空航天关注的重要技术之一。目前，对于传统航空发动机性能开发已逐渐达到极限，无法继续满足更高超声速的推力需求。现有航空发动机基于定压燃烧，这种燃烧组织形式是发动机性能难以继续提升的原因之一。因此，研究人员希望利用近似定容燃烧的爆震燃烧来满足更高的推力需求，并提出了以下三种技术方案：脉冲爆震发动机(pde)、旋转爆震发动机(rde)和斜爆震发动机(ode)。其中，斜爆震发动机(ode)利用斜爆震波(odw)进行燃烧组织，因具有结构简单，燃烧室尺寸小，比冲高等优势，近年来受到了越来越多的关注。

2、自斜爆震推进的概念提出以来，研究人员对于高速来流中的斜爆震波进行了比较多的研究，重点关注斜爆震燃烧室内斜爆震波的起爆、驻定特性以及波系结构的组成，内容主要涉及斜爆震区波系结构和斜爆震波波面的燃烧组织。其中，起爆区波系结构研究中的重点之一是诱导区长度，以氢气(氢气)为燃料，数值模拟了不同飞行工况下的斜爆震波结构，发现随着飞行高度的增加、飞行马赫数的减小，爆震波诱导区长度极大地增加；然而诱导区过长导致在有限长度内爆震波无法起爆，从而无法产生推力。因此，亟待提出一种斜爆震发动机及其起爆方法，以减小爆震波诱导区长度。

3、专利文献1(公告号：cn114109649b)提供一种超高速冲压发动机，动机本体包括依次连接的进气道、混合段、燃烧室和尾喷管，进气道上设置有第一楔面单元，混合段上设置有第二楔面单元，燃烧室上设置有用于诱导产生驻定的斜爆震波的燃烧室楔面，尾喷管上设置有尾喷管楔面，第二楔面单元上设置有用于喷出推进剂喷雾的喷孔单元，进气道边缘与混合段边缘为非水平直线；专利文献1通过改进发动机结构解决了燃料喷注器阻力大、燃料喷注高度有限、燃料混合效率低、燃烧稳定性差、爆震波/边界层干扰严重等共性问题，然而该结构依然无法减小爆震波诱导区长度，无法在有限长度内爆震波无法起爆，从而无法产生推力。

4、专利文献2(公告号：cn116291880a)提供一种起爆区扰动实现斜爆震发动机加速起爆的方法，通过在斜爆震发动机燃烧室下壁面上添加外加干扰，使得来流气体在斜爆震波起爆区受到外界扰动的影响产生弓形激波，起爆区受扰动产生的弓形激波与发动机燃烧室下壁面前端产生的斜激波相互作用产生斜爆震波；然而该方法依然无法减小爆震波诱导区长度，无法在有限长度内爆震波无法起爆，从而无法产生推力。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种斜爆震发动机及其起爆方法，以减小爆震波诱导区长度。

2、第一方面，本申请提供一种斜爆震发动机，包括整流罩、难燃燃料喷注器、易燃燃料喷注器、进气道、燃烧室和尾喷管；

3、所述进气道包括第一楔面和第二楔面，高超声速来流经所述第一楔面和所述第二楔面压缩产生斜激波；

4、所述难燃燃料喷注器，被设置在靠近所述进气道出口处的上层壁面，用于在所述高超声速来流进入所述进气道时喷射难燃燃料；所述难燃燃料喷注器为横向阵列悬臂式喷注器；

5、所述燃烧室，与所述进气道相连通，燃料与所述高超声速来流的混合物通过所述燃烧室充分燃烧，所述燃烧室的末端设置有尾部楔面，尾部楔面的楔面角度为20°；

6、所述尾喷管，与所述燃烧室相连通，用于排出所述燃烧室的燃烧产物从而产生推动力；

7、所述易燃燃料喷注器，被配置在所述整流罩的前端，用于在所述高超声速来流进入所述进气道时喷射易燃燃料；所述易燃燃料喷注器为横向阵列悬臂式喷注器。

8、第二方面，本申请还提供一种斜爆震发动机的起爆方法，所述起爆方法用于上述的斜爆震发动机的起爆，包括：

9、高超声速来流进入进气道在第一楔面和第二楔面被压缩，同时难燃燃料喷注器喷射难燃燃料，易燃燃料喷注器喷射易燃燃料；

10、压缩后的所述高超声速来流与所述难燃燃料喷注器喷射的所述难燃燃料和所述易燃燃料喷注器喷射的所述易燃燃料混合得到混合来流；

11、所述混合来流配置为包括混合好的的上层子来流和下层子来流，所述上层子来流为位于所述燃烧室入口上层的难燃燃料与上层气体的混合物，所述上层气体为空气；所述下层子来流为位于所述燃烧室入口下层的易燃燃料与下层气体的混合物，所述下层气体为空气；

12、将所述上层子来流和所述下层子来流在所述尾部楔面被压缩，使得所述上层子来流和所述下层子来流最后以爆震形式燃烧。

13、可选的，所述难燃燃料包括碳氢燃料。

14、可选的，所述碳氢燃料包括：乙烯、甲烷和煤油中任一种或几种的组合。

15、可选的，所述易燃燃料为氢气。

16、与现有技术相比，本发明提供的斜爆震发动机及其起爆方法，至少实现了如下的有益效果：

17、本发明提供的斜爆震发动机及其起爆方法，在高超声速来流进入进气道时，燃料喷注器喷射燃料；高超声速来流在进气道被压缩，同时与燃料进行混合得到混合来流；将混合来流配置为包括上层子来流和下层子来流，将上层子来流和下层子来流在尾部楔面被压缩，使得上层子来流和下层子来流以爆震形式燃烧；采用的双层燃料辅助起爆方法，利用易燃燃料辅助难燃燃料发生起爆，从而减小难燃燃料诱导区长度，无动态结构响应和额外能量注入，有利于工程样机应用，且最大程度上获得推力增益；由于难燃气体不容易起爆的特点，可以抑制斜爆震波脱体，可以大幅度拓宽斜爆震发动机飞行马赫数下界。

18、当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

19、通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

技术特征：

1.一种斜爆震发动机，其特征在于，包括整流罩、难燃燃料喷注器、易燃燃料喷注器、进气道、燃烧室和尾喷管；

2.一种斜爆震发动机的起爆方法，所述起爆方法用于权利要求1所述的斜爆震发动机的起爆，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述的斜爆震发动机的起爆方法，其特征在于，所述难燃燃料包括碳氢燃料。

4.根据权利要求3所述的斜爆震发动机的起爆方法，其特征在于，所述碳氢燃料包括：乙烯、甲烷和煤油中任一种或几种的组合。

5.根据权利要求2所述的斜爆震发动机的起爆方法，其特征在于，所述易燃燃料为氢气。

技术总结
本发明公开了斜爆震发动机及其起爆方法，该斜爆震发动机包括整流罩、难燃燃料喷注器、易燃燃料喷注器、进气道、燃烧室和尾喷管；进气道包括第一楔面和第二楔面，难燃燃料喷注器被设置在靠近进气道出口处的上层壁面，燃烧室与进气道相连通，燃烧室的末端设置有尾部楔面，尾部楔面的楔面角度为20°；尾喷管与燃烧室相连通，易燃燃料喷注器被配置在整流罩的前端，采用的双层燃料辅助起爆方法，利用易燃燃料辅助难燃燃料发生起爆，从而减小难燃燃料诱导区长度，无动态结构响应和额外能量注入，有利于工程样机应用，且最大程度上获得推力增益；由于难燃气体不容易起爆的特点，可以抑制斜爆震波脱体，可以大幅度拓宽斜爆震发动机飞行马赫数下界。

技术研发人员：滕宏辉,张鹏飞,牛淑贞,杨鹏飞,杜文强,刘帅,刘思远
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25