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    我国科学家在超声速燃烧研究方面取得重要进展
    ——提出多凹腔超声速燃烧组织理论与方法
    为宽范围超燃冲压发动机设计提供重要支撑

    日期 2018-09-25   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第4期
    (总493期)

    本文提要:在国家自然科学基金重大研究计划“近空间飞行器的关键基础科学问题”(2007-2016)和国防科技大学创新工程项目等支持下,国防科技大学王振国院士带领的科研团队,通过大量基础研究,深入揭示超声速气流中的流动、混合及燃烧机理,提出多凹腔超声速燃烧组织理论与方法,有效解决了超燃冲压发动机宽范围火焰稳定和燃烧组织难题,为宽速域超燃冲压发动机设计提供了重要支撑,成果应用于继美国和澳大利亚联合研制的HiFIRE后第二个低成本临近空间高超声速通用试飞平台(代号“凌云一号”)的超燃冲压发动机设计,经飞行试验验证,被美国《航空周刊》称为“里程碑成就”。成果同时应用于国家重大专项,有力支撑了超燃冲压发动机研发。

      超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机(冲压是指飞行器迎面空气流不经过压气机直接进入发动机后减速增压的过程),它是马赫数5以上高超声速飞行器的最佳动力装置,是吸气式高超声速飞行器的首要关键技术。超燃冲压发动机与传统发动机相比,具有结构简单、重量轻、成本低、速度快、单位推力高(单位质量流量推进剂产生的推力)和有效载荷更大的优点,适合作为高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力,具有重要的航空航天和军事应用前景。

      超燃冲压发动机技术难度极大,国际上经60余年研究尚未正式定型,但近年来进展很快,已处于从关键技术攻关向工程研制转换阶段。由于没有现成经验可供借鉴,需要在大量理论研究、试验探索和改进设计的基础上,攻克燃料喷注与混合增强、火焰稳定、低阻力流道型面设计、宽范围高效燃烧组织等关键技术,提出超燃冲压发动机燃烧室设计方法,上述过程耗费大、周期长、风险高,成为制约发动机技术发展的技术瓶颈。

      一、围绕宽范围超声速燃烧世界性难题,开展创新性基础研究

      超燃冲压发动机内气流速度高达1000m/s,远超火焰传播速度理论极限,要在这种条件下实现火焰稳定与高效燃烧,难度如同“十二级台风之中划亮火柴”。凹腔作为典型的回流区稳焰器,是有效的一体化燃料喷注/火焰稳定解决方案,但是如何进一步实现宽范围的高效低阻燃烧,如何实现燃烧释热的增强与适应宽范围飞行的匹配,仍是亟待解决的瓶颈问题,也是发动机由理论研究走向工程实用的关键所在。

      王振国院士团队运用创新思维,提出与宽范围匹配的串并联结合的多凹腔方案,包括轴对称燃烧室构型的三串联、双串联凹腔,以及矩形构型的串并联四凹腔、七凹腔方案等,通过揭示多凹腔超声速燃烧室内多回流区联合作用下的燃烧流动机理,形成了基于多凹腔回流区实现释热分布匹配的方法,提出了抑制燃烧振荡的鲁棒(稳定可靠)燃烧方案,形成了多凹腔超声速燃烧组织理论,在超声速燃烧火焰稳定、超声速鲁棒燃烧、高效超声速燃烧组织等方面取得突破,为宽范围超燃冲压发动机设计提供了重要支撑。

      在超声速燃烧火焰稳定方面,由于超燃冲压发动机内气流速度远超火焰传播速度理论极限,火焰稳定十分困难。超燃冲压发动机燃烧室内的气流驻留时间在1ms量级,在这样的条件下为确保超声速燃烧火焰稳定,科研团队系统开展了串联、并联多凹腔火焰稳定特性研究,揭示串联多凹腔通过延长气流驻留时间并提高燃料/空气湍流掺混来促进部分预混火焰稳定的机制,建立了理论分析模型,发现其通过上下游调节能够更好地适应宽范围来流条件的变化;揭示出并联多凹腔通过增加有效稳焰容积、回流区释热耦合改变激波和回流区结构来强化部分预混火焰稳定的机制,发现在局部具有燃烧明显增强的效果;提出了多凹腔火焰稳定设计方法,显著拓宽了稳焰范围,为宽范围超燃冲压发动机的稳焰设计提供了理论依据。

      在超声速鲁棒燃烧方面,由于超燃冲压发动机内的空气流动、燃料混合及化学反应过程之间强烈耦合,火焰稳定对燃烧设计参数非常敏感,凹腔本身具有高频自激振荡特性,几种因素结合,可能引起强烈的燃烧不稳定性。为确保能实现超声速鲁棒燃烧,科研团队系统分析了多凹腔超声速燃烧室中的自激振荡特性,揭示了凹腔自激振荡诱导高频不稳定燃烧机制和途径,提出采用凹腔后缘突扩消振设计抑制火焰高频振荡的方法,通过破坏凹腔自激振荡反馈循环,从不稳定性的源头上有效抑制和削减了高频燃烧不稳定的情况。该设计方法已成功应用于发动机设计,很好地解决了超声速燃烧高频不稳定问题。

      在高效超声速燃烧组织方面,超燃冲压发动机工作在宽范围条件时,单凹腔方案难以满足多状态点内接近完全燃烧程度的要求,为实现高效超声速燃烧,科研团队系统开展了凹腔串联、并联及其组合多区燃烧组织方法研究,揭示了宽范围工作条件下燃料喷注方案、稳焰回流区布置方案与燃烧室几何流道构型的相互作用规律,形成了高效低阻多凹腔燃烧组织理论,建立了串/并联多凹腔燃烧组织方法。基于串联多凹腔实现燃烧分区、并联多凹腔实现局部燃烧增强的思想,提出了分区燃烧、释热分布匹配的燃烧室设计方法和高性能燃烧组织设计准则,研发了高效低阻燃烧组织设计软件,从而为攻克超燃冲压发动机在宽范围内高效工作的难题奠定了基础。

      研究成果发表于《美国航空航天期刊》《推进与动力期刊》《航空航天科学进展》等国际顶级期刊。研究形成的超声速燃烧火焰稳定理论成为国际燃烧学界主要观点被国外领域专家广泛引用,如:美国等多国学者相继在《航空航天科学进展》(76:24–41, 2015)以及《能源与燃烧科学进展》(66:42-82, 2018)上发表综述论文大篇幅引述该理论,而将其他研究团队的成果作为补充。

      二、促进基础研究成果技术转化,实现近空间高超声速飞行试验演示验证的原创性突破

      超燃冲压发动机是近年来世界各国竞相发展的热点领域之一。美国空军研究试验室领导的X-51A“驭波者”高超声速发动机采用单凹腔设计,真实飞行试验表现出推力不足、加速慢的特点,宽范围燃烧性能未能验证。为加速推动高超声速基础科学问题研究,美国空军研究试验室同时与澳大利亚合作开展高超声速国际飞行研究试验(HIFiRE)计划,联合研制低成本高超声速飞行试验平台,针对多种构型燃烧室(包括矩形、轴对称构型,含无凹腔、单凹腔、双凹腔)开展系列飞行测试,但由于飞行试验状态单一,宽范围燃烧未有定论。

      王振国院士团队在超声速燃烧火焰稳定理论的支撑下,有效实现了宽范围超燃冲压发动机火焰稳定及燃烧组织的设计,成功研制以超燃冲压发动机为动力的“凌云一号”临近空间高超声速低成本通用试飞平台,该平台由固体助推火箭和发动机验证机两部分组成,这是继美国和澳大利亚联合研制的HiFIRE后第二个低成本临近空间高超声速通用试飞平台。 “凌云一号”飞行试验于2015年12月在酒泉卫星发射中心圆满完成,验证机采用串联双凹腔设计,在真实飞行马赫数5-6范围内验证了科研团队提出的多凹腔超声速燃烧组织理论与方法。美国航空航天权威杂志《航空周刊》2017年4月评价“这是中国首次正式公布的超燃冲压发动机飞行试验,是里程碑式的成就”。“凌云一号”作为代表性成果参加了2018年全国科技活动周展览。科研团队于2017年启动了“凌云二号”计划,在自然科学基金委组织下召集国内优势单位于2017年3月和2018年3年召开了两次专题研讨会,对搭载平台的科学问题进行规划和方案论证,目前正在组织力量开展飞行验证机的研制。

      王振国院士团队还围绕我国超燃冲压发动机技术的重大需求,将基础研究相关成果推广应用于国家某飞行器重大科技工程专项,解决了超声速燃烧室设计的系列关键难题,有力支撑了我国超燃冲压发动机的工程设计。

      三、研究工作启示及对未来领域发展的设想

      多凹腔超燃冲压发动机从理论研究到工程设计,再到试飞试验,取得重大突破,总结科研团队的基础科学研究和成果转化经验,有以下启示。

      一是基础研究是科学进步和技术突破的基石和战略引擎。基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的总开关。我国之所以在超声速燃烧领域取得重要进展,是因为科研团队通过大量基础研究,深刻理解了超声速气流中的流动、混合及燃烧机理,探索出了超燃冲压发动机进气的温度、压力和动量等参数发生大幅度变化时实现火焰稳定和高效燃烧的科学规律,提出了多凹腔超声速燃烧组织理论和方法。因此,要瞄准科技前沿,进一步强化基础研究,实现引领性原创成果重大突破。

      二是注重前瞻性布局是抢占科技制高点的重要法宝。国家自然科学基金重大研究计划“近空间飞行器的关键基础科学问题”是科技计划聚焦前沿、独辟蹊径的一次生动实践,该重大研究计划经过长期研讨论证酝酿,早在2007年就立项启动,于2016年结题验收。这充分说明了只有在关键领域超前部署,攻破关键核心技术,才能掌握话语权,打破重大关键核心技术受制于人的局面,在重要领域方向跻身世界先进行列,实现科技创新由跟跑、并跑向领跑转变。

      三是注重融通发展是推进基础研究成果转化的重要途径。国家重大科技工程专项为基础研究和应用基础研究提供了成果转化应用平台,研究团队将多凹腔超声速燃烧理论运用到燃烧室的流道型面设计实践中,应用于国家重大专项实施中,走出了一条从基础原始创新到关键技术研发、试验应用的实现路径。下一步,王振国院士团队将凝练高超声速基础性、前沿性科学问题,结合更先进的地面试验测量方法和数值模拟手段开展精细研究,促进建立更完善的超声速燃烧理论体系,设计更科学的方法;同时,充分发挥低成本高超声速通用试飞平台作为空中试验室的作用,开展更先进的天地一致性验证,牵引国内相关部门在流动、燃烧、传热、气动力/热、结构及材料等前沿性问题上的协同创新,推动国家新的重大专项和重大战略的部署和实施。




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