高超声速火箭发动机的秘密

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

高超声速飞行器是指飞行马赫数大于 5 的飞行器。按采用的动力装置不同可分为火箭推进高超声速飞行器和吸气式高超声速飞行器两类。火箭推进高超声速飞行器由于需要携带全部的燃烧剂和氧化剂，因而性能不佳；而吸气式高超声速飞行器由于比冲高、经济性好，逐渐成为未来航空航天领域的主要研究发展方向之一。超燃冲压发动机(scramjet)作为吸气式高超声速推进的最佳备选动力装置，已成为世界各航空航天大国关注和研究的热点。

超燃冲压发动机（Scramjet） 燃烧过程概述

超燃冲压发动机是在普通冲压发动机(ramjet)基础上发展起来的，结构上包括进气道(或前体)、隔离段、燃烧室和尾喷管(或后体)，其中燃烧室是其核心部件。

超声速燃烧与普通燃烧过程相比有鲜明的特点：①来流速度快、燃料驻留时间短；②燃烧与流动强耦合；③燃烧过程熵增较大。

由于来流速度快，燃料在燃烧室内的滞留时间只有毫秒量级，要在如此短的时间内完成燃料与来流的混合、点火、形成火焰并传播至整个燃烧室，实现推进剂稳定、高效燃烧，难度很大。尤其是使用液体碳氢燃料时，还需考虑雾化和蒸发过程，更增加了燃烧流动过程的复杂性和燃烧组织的难度。因此，如何提高燃料的喷注和混合效率、缩短点火延迟时间、提高初始火焰的传播和扩散能力，如何在激波、燃烧波和剪切层同时存在的复杂，是研制超燃冲压发动机的关键问题。

为了实现燃料在超燃冲压发动机内稳定高效燃烧，需要突破以下几个关键技术：燃料的喷注雾化技术、混合增强技术、点火技术和火焰稳定技术。

(1)燃料的喷注雾化技术。应用于超燃冲压发动机的燃料喷注系统必须满足阻力与总压损失足够小，同时，喷注器必须实现燃料与氧化剂宏观尺度的快速混合，并允许燃料有足够的驻留时间以实现燃料自身的加热。另外，喷注器还要能控制由热释放形成的压力增长。超声速气流中的液体雾化过程明显不同于低速条件下的雾化过程，由于气液相对速度大，液滴二次破碎是决定雾化细度的主要因素，燃料喷雾的平均直径一般只有几微米，这也是超燃冲压发动机能够在极短的时间内完成燃烧的基础。

(2)混合增强技术。大部分混合增强技术的原理都是采用不同的方式产生旋涡，将空气卷入燃料流核心，增大燃料与空气的接触面积，使得分子扩散能更充分地进行。斜坡、凹腔和支板等都属于被动混合增强技术。主动式的混合增强措施主要是采用主动控制的外部扰动来激发剪切层中的不稳定波产生旋涡，促进剪切层混合。主动的流场控制、声波激励和引入压力扰动源等均属于主动混合增强技术。Bushnell 指出，混合增强必须权衡燃烧效率和损失间的平衡关系，选择适合于发动机特点的混合增强技术，充分利用压力梯度、回流、放热、湍流、激波与膨胀波等达到增强混合的目的。

(3)点火技术。在超声速燃烧室中实现碳氢燃料点火是非常困难的。当来流总焓较高(飞行马赫数大于 7)时，燃料通常可以发生自点火，此时采用激波即可实现诱导点火；而当来流总焓较低时就需要外加点火源。外加点火源包括引导火焰、等离子体火炬、火花塞、节流点火装置、火药点火器等它们通过为可燃混合物提供一个高静温、低流速或者富含活化分子的环境而实现燃料点火。

(4)火焰稳定技术。超燃冲压发动机燃烧室内气流是超声速的(达到 1000m/s 量级)，这对火焰稳定器的稳焰范围和工作稳定性提出了很高的要求。一般火焰稳定可通过提高火焰传播速度和降低来流速度两前者可以由引入激光、电弧、高温物质/壁面和催化物质/壁面等途径来实现，但这些途径大都需要巨大的外部能量而实际应用价值不高。目前利用主动或被动的方式在局部流场中形成环流和低速流区仍然是超声速气流中普遍应用的火焰稳定措施。如何设计高燃烧效率、宽稳焰边界、低阻、低损失的火焰稳定器成为超声速燃烧室设计研究的重要内容之一。

来源：推进系统动力学

原标题：《高超声速火箭发动机的秘密！》

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