等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的方法

1.本发明属于航空航天技术领域，特别涉及一种等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的方法。

背景技术：

2.超燃冲压发动机在高飞行马赫数下具有较高的性能，成为高速飞行器推进系统的首选。超燃冲压发动机一般由进气道、隔离段、燃烧室和喷管等部件组成。不同的飞行速度，超燃冲压发动机的工作模态不同。飞行速度相对较低时，隔离段内形成较强激波串，发动机处于亚燃工作模态。飞行速度相对较高时，隔离段内形成弱激波串，发动机处于超燃工作模态。超燃冲压发动机工作模态不同，燃烧室燃烧效率、发动机内部阻力以及发动机推力性能不同，因此需要发展超然冲压发动机工作模态的调控方法，实现发动机性能的可控。
3.现有的超燃冲压发动机工作模态的主动调控方法主要包括改变燃料当量比、改变喷注位置等。研究表明，通过增加燃料流量，使得超燃冲压发动机从弱燃烧的超燃模态进入亚燃模态；通过在低马赫数飞行条件下把喷注位置设置在燃烧室前端，在高马赫数飞行条件下把喷注后移，实现超燃冲压发动机工作模态的转换。
4.通过改变燃料当量比的方式，实现超燃冲压发动机燃烧模态的转换，在实际飞行过程中容易导致发动机燃烧效率低，影响发动机的推力性能。通过改变燃料喷注位置的方式，实现超燃冲压发动机燃烧模态的转换，因为可以改变的喷注位置数量有限，不能实现发动机工作模态的连续调节，易造成燃烧室效率低。

技术实现要素：

5.针对超燃冲压发动机工作模态不同，导致发动机性能不同这一问题，本发明提供一种等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，以下简称为“等离子体辅助射流调控发动机模态装置”，该装置包括隔离段1、燃烧室2、喷管3、等离子体辅助射流器12、喷注13、凹腔14；整个装置的空腔宽度不变；其中
6.隔离段1采用等截面构型，由隔离段左侧壁面4-1、隔离段右侧壁面5-1、隔离段上壁面6和隔离段下壁面7组成；隔离段入口高度与入口宽度的比例小于1，隔离段出口尺寸与入口尺寸相同，并且隔离段上壁面6和隔离段下壁面7均与水平面平行；
7.燃烧室2由燃烧室左壁面4-2、燃烧室右壁面5-2、燃烧室上壁面8和燃烧室下壁面9组成，为单边扩张构型，具有一定的扩张角度；燃烧室左壁面4-2与隔离段左侧壁面4-1一体化且共面，燃烧室右壁面5-2与隔离段右侧壁面5-1一体化且共面，燃烧室上壁面8与隔离段上壁面6一体化且共面，燃烧室下壁面9与隔离段下壁面7一体化，但燃烧室下壁面9向下扩张一定角度；燃烧室2入口尺寸与隔离段1出口尺寸相同；燃烧室内具有等离子体辅助射流器12、燃料喷注13、凹腔14，具体如下；
8.凹腔14大致位于燃烧室2中部，由前壁面、后壁面和底壁面组成；凹腔前壁面与燃烧室下壁面9垂直，凹腔底壁面与燃烧室下壁面9平行；凹腔后壁面为收敛构型，其与燃烧室
下壁面9所在平面呈一定角度；凹腔前壁面高度为与凹腔底壁面长度的比值小于10，凹腔宽度与燃烧室下壁面9的宽度相同；
9.凹腔底壁面上设置燃料喷注13，燃料喷注13为自下向上穿透等离子体辅助射流调控发动机模态装置下方机体的通孔，该通孔出口处于燃烧室左壁面4-2和燃烧室右壁面5-2之间的中心位置；
10.在凹腔14上游安装等离子体辅助射流器12，其包括自下向上穿透等离子体辅助射流调控发动机模态装置下方机体的通孔和固定安装在该通孔中的等离子体辅助射流器，通孔的形状设计成适应等离子体辅助射流器的外形；等离子体辅助射流器12距离凹腔前壁面有一定距离；
11.喷管3由喷管上壁面10、喷管下壁面11、喷管左壁面4-3和喷管右壁面5-3组成，采用双边扩张构型，扩张角度为θ2；喷管入口尺寸与燃烧室出口尺寸相同；喷管左壁面4-3与燃烧室左壁面4-2一体化且共面，喷管右壁面5-3与燃烧室右壁面5-2一体化且共面，喷管上壁面10与燃烧室上壁面8一体化，但喷管上壁面10自燃烧室上壁面8向上扩张一定角度，喷管下壁面11与燃烧室下壁面9一体化，但喷管下壁面11自燃烧室下壁面9向下扩张一定角度。
12.在本发明的一个具体实施例中，隔离段1的隔离段入口高度与入口宽度的比例为1∶2；燃烧室扩张角度为2度。
13.在本发明的另一个具体实施例中，凹腔后壁面与燃烧室下壁面9所在平面的夹角为60度。
14.在本发明的又一个具体实施例中，凹腔前壁面高度为17毫米，凹腔底壁面长度85毫米。
15.在本发明的一个实施例中，燃料喷注13的通孔出口靠近凹腔14前壁面；燃料喷注孔为圆柱形孔，孔径0.1-0.8毫米。
16.在本发明的另一个实施例中，等离子体辅助射流器由预混室15和射流生成室16组成，射流生成室16壁面为导电金属制成；预混室15在下且直径较大，为一圆柱形空腔，具有下端面17和上端面18-1；射流生成室16在预混室上面，由圆柱形空腔及位于空腔中心的中心电极组成，具有下端面18-2和上端面19；其中预混室上端面18-1和射流生成室下端面18-2复合为一个共用端面18；预混室空腔与射流生成室空腔通过二者之间的共用端面18上设置的圆形小孔连通；预混室15下端面17上设置空气进口和燃料进口；在射流生成室16上端面19上设置射流喷口，用于向燃烧室喷射高温燃气；
17.等离子体辅助射流器12中心电极连接电源高压端，射流生成室16的壁面连接电源低压端。
18.在本发明的又一个实施例中，预混室空腔与射流生成室空腔之间共用端面18上设置的圆形小孔，其大小和数量根据离子体辅助射流器的流量设定。
19.在本发明的再一个具体实施例中，燃料进口为圆形截面，设置在混合室下端面17的中心位置；空气进口为圆形截面，设置在混合室下端面17圆心与边缘之间；射流喷口为圆形截面。
20.在本发明的还一个具体实施例中，预混室外径为22毫米，射流生成室外径为10毫米；燃料进口直径为2毫米；空气进口直径为5毫米。
21.此外，还提供一种等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的方法，该方法基于上述等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，具体包括下列步骤：
22.步骤1：将等离子体辅助射流调控发动机模态装置安装在超燃冲压发动机直连式试验台上，根据高速飞行器的飞行状态，选用合适马赫数的喷管，将喷管与等离子体辅助射流调控发动机模态装置相连接；
23.步骤2：启动超燃冲压发动机直连式试验台，超声速气流进入等离子体辅助射流调控发动机模态装置，气流先后经隔离段1、燃烧室2和喷管3后排向大气；
24.步骤3：凹腔内的喷注13开启，向燃烧室2内喷注燃油；等离子体辅助射流器12开启，中心电极和射流生成室16壁面之间的空气被放电击穿，形成等离子体；空气和燃料分别自下而上经预混室的空气进口和燃料进口进入预混室15，在预混室15内形成混合气，混合气经圆形小孔进入射流生成室16，在射流生成室16中经等离子体离解和点燃后，经射流喷口排向燃烧室，形成等离子体辅助射流；等离子体辅助射流向下游流动的过程中，引燃凹腔14喷注喷出的燃油，燃烧室2正常工作。
25.步骤4：燃烧室2燃烧引起的高反压通过边界层向上游流场传播，在隔离段1内形成激波串，超声速气流经激波串后减速、增压、增温；增压增温后的空气在燃烧室2内与燃料混合燃烧后，通过喷管3排向大气；
26.步骤5：当来流马赫数较低时，降低等离子体辅助射流器12的燃气流量和当量比，增加凹腔14喷注的燃油流量，将超燃冲压发动机的工作模态调整为亚燃模态；
27.步骤6：来流马赫数较高时，提高等离子体辅助射流器12的燃气流量和当量比，减小凹腔14喷注的燃油流量，将超燃冲压发动机的工作模态调整为超燃模态。
28.一种可用于超燃冲压发动机工作模态控制的等离子体辅助射流方法，用于主动调控超燃冲压发动机在不同飞行马赫数下的工作模态，提高发动机性能。
29.本发明优点如下：
30.(1)本发明用于调控超燃冲压发动机工作模态的等离子体辅助射流器，向发动机通道内喷注的等离子体辅助射流是一种预燃燃气，能够提高发动机的燃烧效率。
31.(2)本发明用于调控超燃冲压发动机工作模态的等离子体辅助射流器，在超燃冲压发动机安装位置固定，可实现发动工作模态连续可调，同时减小模态调节机构的复杂性。
附图说明
32.图1为本发明的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置示意图。
33.图2为本发明的等离子体辅助射流器示意图。
具体实施方式
34.本发明提供一种等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置(简称“等离子体辅助射流调控发动机模态装置”)。
35.如图1(b)所示，等离子体辅助射流调控发动机模态装置沿气流方向，内部为空腔(以下内容均针对内部空腔及相关功能结构进行介绍，与该装置外形无关)。该装置由隔离段1、燃烧室2、喷管3、等离子体辅助射流器12、喷注13、凹腔14等组成。整个装置的空腔宽度不变。
36.如图1(a)所示，隔离段1采用等截面构型，由左侧壁面4-1、右侧壁面5-1、上壁面6和下壁面7(均为内壁面)组成。隔离段入口高度(隔离段1左侧的上壁面6、下壁面7之间的距离)与入口宽度(隔离段1左壁面4、右壁面5之间的距离)的比例小于1，在本发明的一个具体实施例中，比例为1∶2，隔离段出口尺寸与入口尺寸相同，并且隔离段上壁面6和下壁面7均与水平面平行。
37.燃烧室2由左壁面4-2、右壁面5-2、上壁面8和下壁面9组成，为单边扩张构型，在本发明的一个具体实施例中，扩张角度(上壁面8和下壁面9的夹角)为2度。燃烧室左壁面4-2与隔离段左侧壁面4-1一体化且共面，燃烧室右壁面5-2与隔离段右侧壁面5-1一体化且共面，燃烧室上壁面8与隔离段上壁面6一体化且共面，燃烧室下壁面9与隔离段下壁面7一体化，但燃烧室下壁面9向下扩张一定角度，如上所述。燃烧室2入口尺寸与隔离段1出口尺寸相同。燃烧室内包括等离子体辅助射流器12、燃料喷注13、凹腔14，具体如下。
38.凹腔14大致位于燃烧室2中部，由前壁面、后壁面和底壁面组成。凹腔前壁面与燃烧室下壁面9垂直，凹腔底壁面与燃烧室下壁面9平行。凹腔后壁面为收敛构型，其与燃烧室下壁面9所在平面的夹角为60度，该凹腔为本领域惯用技术手段，其形状为惯用形状。凹腔前壁面高度为与凹腔底壁面长度的比值小于10，在本发明的一个具体实施例中，凹腔前壁面高度为17毫米，凹腔底壁面长度85毫米。凹腔宽度与下壁面9的宽度相同。
39.凹腔底壁面上设置燃料喷注13，燃料喷注13为自下向上穿透等离子体辅助射流调控发动机模态装置下方机体的通孔，该通孔出口处于左壁面4-2和右壁面5-2之间的中心位置。在如图1所示的本发明的一个具体实施例中，该通孔出口略靠近凹腔14前壁面。燃料喷注孔通常为圆柱形孔，孔径优选0.1-0.8毫米，优选0.4毫米。
40.在凹腔14上游安装一个等离子体辅助射流器12，其包括自下向上穿透等离子体辅助射流调控发动机模态装置下方机体的通孔和固定安装在该通孔中的等离子体辅助射流器，通孔的形状设计成适应等离子体辅助射流器的外形，等离子体辅助射流器12距离凹腔前壁面有一定距离。等离子体辅助射流器由预混室15和射流生成室16组成，射流生成室16壁面为导电金属制成。预混室15在下且直径较大，为一圆柱形空腔，具有下端面17和上端面18-1。射流生成室16在预混室上面，由圆柱形空腔及位于空腔中心的中心电极组成，具有下端面18-2和上端面19。其中预混室上端面18-1和射流生成室下端面18-2复合为一个共用端面18。预混室空腔与射流生成室空腔通过二者之间的共用端面18上设置的圆形小孔连通(小孔的大小和数量根据离子体辅助射流器的流量设定)。预混室15下端面17上设置空气进口和燃料进口(均为通孔)。燃料进口通常为圆形截面，常见设置在混合室下端面17的中心位置，例如直径为2毫米。空气进口通常亦为圆形截面，常见设置在混合室端面17圆心与边缘之间，例如直径为5毫米。在射流生成室16上端面19上设置射流喷口(为通孔)，射流喷口常见为圆形截面，用于向燃烧室喷射高温燃气。
41.等离子体辅助射流器12中心电极连接电源高压端，射流生成室16的壁面连接电源低压端。电源开启时，中心电极和射流生成室16壁面之间的空气被放电击穿，形成等离子体。空气和燃料分别自下而上经预混室的空气进口和燃料进口进入预混室15，在预混室15内形成混合气，混合气经圆形小孔进入射流生成室16，在射流生成室中经等离子体离解和点燃后，经射流喷口17排向燃烧室，形成等离子体辅助射流。
42.喷管3由上壁面10、下壁面11、左壁面4-3和右壁面5-3组成，采用双边扩张构型，扩
张角度(喷管上壁面10与隔离段上壁面6的夹角，同时也是喷管下壁面11与隔离段下壁面7的夹角)为θ2。喷管入口尺寸与燃烧室出口尺寸相同。喷管左壁面4-3与燃烧室左壁面4-2一体化且共面，喷管右壁面5-3与燃烧室右壁面5-2一体化且共面，喷管上壁面10与燃烧室上壁面8一体化，但喷管上壁面10自燃烧室上壁面8向上扩张一定角度，喷管下壁面11与燃烧室下壁面9一体化，但喷管下壁面11自燃烧室下壁面9向下扩张一定角度。
43.本发明还提供一种等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的方法，具体包括下列步骤：
44.步骤1：将等离子体辅助射流调控发动机模态装置安装在超燃冲压发动机直连式试验台(贾敏，超燃冲压发动机滑动弧等离子体射流点火技术研究，2021年)上，根据高速飞行器的飞行状态，选用合适马赫数的喷管，将喷管与等离子体辅助射流调控发动机模态装置相连接。
45.步骤2：启动超燃冲压发动机直连式试验台，超声速气流进入等离子体辅助射流调控发动机模态装置，气流先后经隔离段1、燃烧室2和喷管3后排向大气。
46.步骤3：凹腔内的喷注13开启，向燃烧室2内喷注燃油；等离子体辅助射流器12开启，中心电极和射流生成室16壁面之间的空气被放电击穿，形成等离子体；空气和燃料分别自下而上经预混室的空气进口和燃料进口进入预混室15，在预混室15内形成混合气，混合气经圆形小孔进入射流生成室16，在射流生成室16中经等离子体离解和点燃后，经射流喷口17排向燃烧室，形成等离子体辅助射流；等离子体辅助射流向下游流动的过程中，引燃凹腔14喷注喷出的燃油，燃烧室2正常工作。
47.步骤4：燃烧室2燃烧引起的高反压通过边界层向上游流场传播，在隔离段1内形成激波串，超声速气流经激波串后减速、增压、增温。增压增温后的空气在燃烧室2内与燃料混合燃烧后，通过喷管3排向大气。
48.步骤5：当来流马赫数较低时，降低等离子体辅助射流器12的燃气流量和当量比，增加凹腔14喷注的燃油流量，将超燃冲压发动机的工作模态调整为亚燃模态。
49.步骤6：来流马赫数较高时，提高等离子体辅助射流器12的燃气流量和当量比，减小凹腔14喷注的燃油流量，将超燃冲压发动机的工作模态调整为超燃模态。

技术特征：

1.一种等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，以下简称为“等离子体辅助射流调控发动机模态装置”，其特征在于，该装置包括隔离段(1)、燃烧室(2)、喷管(3)、等离子体辅助射流器(12)、喷注(13)、凹腔(14)；整个装置的空腔宽度不变；其中隔离段(1)采用等截面构型，由隔离段左侧壁面(4-1)、隔离段右侧壁面(5-1)、隔离段上壁面(6)和隔离段下壁面(7)组成；隔离段入口高度与入口宽度的比例小于1，隔离段出口尺寸与入口尺寸相同，并且隔离段上壁面(6)和隔离段下壁面(7)均与水平面平行；燃烧室(2)由燃烧室左壁面(4-2)、燃烧室右壁面(5-2)、燃烧室上壁面(8)和燃烧室下壁面(9)组成，为单边扩张构型，具有一定的扩张角度；燃烧室左壁面(4-2)与隔离段左侧壁面(4-1)一体化且共面，燃烧室右壁面(5-2)与隔离段右侧壁面(5-1)一体化且共面，燃烧室上壁面(8)与隔离段上壁面(6)一体化且共面，燃烧室下壁面(9)与隔离段下壁面(7)一体化，但燃烧室下壁面(9)向下扩张一定角度；燃烧室(2)入口尺寸与隔离段(1)出口尺寸相同；燃烧室内具有等离子体辅助射流器(12)、燃料喷注(13)、凹腔(14)，具体如下；凹腔(14)大致位于燃烧室(2)中部，由前壁面、后壁面和底壁面组成；凹腔前壁面与燃烧室下壁面(9)垂直，凹腔底壁面与燃烧室下壁面(9)平行；凹腔后壁面为收敛构型，其与燃烧室下壁面(9)所在平面呈一定角度；凹腔前壁面高度为与凹腔底壁面长度的比值小于10，凹腔宽度与燃烧室下壁面(9)的宽度相同；凹腔底壁面上设置燃料喷注(13)，燃料喷注(13)为自下向上穿透等离子体辅助射流调控发动机模态装置下方机体的通孔，该通孔出口处于燃烧室左壁面(4-2)和燃烧室右壁面(5-2)之间的中心位置；在凹腔(14)上游安装等离子体辅助射流器(12)，其包括自下向上穿透等离子体辅助射流调控发动机模态装置下方机体的通孔和固定安装在该通孔中的等离子体辅助射流器，通孔的形状设计成适应等离子体辅助射流器的外形；等离子体辅助射流器(12)距离凹腔前壁面有一定距离；喷管(3)由喷管上壁面(10)、喷管下壁面(11)、喷管左壁面(4-3)和喷管右壁面(5-3)组成，采用双边扩张构型，扩张角度为θ2；喷管入口尺寸与燃烧室出口尺寸相同；喷管左壁面(4-3)与燃烧室左壁面(4-2)一体化且共面，喷管右壁面(5-3)与燃烧室右壁面(5-2)一体化且共面，喷管上壁面(10)与燃烧室上壁面(8)一体化，但喷管上壁面(10)自燃烧室上壁面(8)向上扩张一定角度，喷管下壁面(11)与燃烧室下壁面(9)一体化，但喷管下壁面(11)自燃烧室下壁面(9)向下扩张一定角度。2.如权利要求1所述的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，其特征在于，隔离段(1)的隔离段入口高度与入口宽度的比例为1∶2；燃烧室扩张角度为2度。3.如权利要求1所述的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，其特征在于，凹腔后壁面与燃烧室下壁面(9)所在平面的夹角为60度。4.如权利要求1所述的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，其特征在于，凹腔前壁面高度为17毫米，凹腔底壁面长度85毫米。5.如权利要求1所述的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，其特征在于，燃料喷注(13)的通孔出口靠近凹腔(14)前壁面；燃料喷注孔为圆柱形孔，孔径0.1-0.8毫米。6.如权利要求1所述的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，其特
征在于，等离子体辅助射流器由预混室(15)和射流生成室(16)组成，射流生成室(16)壁面为导电金属制成；预混室(15)在下且直径较大，为一圆柱形空腔，具有下端面(17)和上端面(18-1)；射流生成室(16)在预混室上面，由圆柱形空腔及位于空腔中心的中心电极组成，具有下端面(18-2)和上端面(19)；其中预混室上端面(18-1)和射流生成室下端面(18-2)复合为一个共用端面(18)；预混室空腔与射流生成室空腔通过二者之间的共用端面(18)上设置的圆形小孔连通；预混室(15)下端面(17)上设置空气进口和燃料进口；在射流生成室(16)上端面(19)上设置射流喷口，用于向燃烧室喷射高温燃气；等离子体辅助射流器(12)中心电极连接电源高压端，射流生成室(16)的壁面连接电源低压端。7.如权利要求6所述的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，其特征在于，预混室空腔与射流生成室空腔之间共用端面(18)上设置的圆形小孔，其大小和数量根据离子体辅助射流器的流量设定。8.如权利要求6所述的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，其特征在于，燃料进口为圆形截面，设置在混合室下端面(17)的中心位置；空气进口为圆形截面，设置在混合室下端面(17)圆心与边缘之间；射流喷口为圆形截面。9.如权利要求8所述的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，其特征在于，预混室外径为22毫米，射流生成室外径为10毫米；燃料进口直径为2毫米；空气进口直径为5毫米。10.一种等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的方法，其基于如权利要求1至9任一项所述的等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，其特征在于，具体包括下列步骤：步骤1：将等离子体辅助射流调控发动机模态装置安装在超燃冲压发动机直连式试验台上，根据高速飞行器的飞行状态，选用合适马赫数的喷管，将喷管与等离子体辅助射流调控发动机模态装置相连接；步骤2：启动超燃冲压发动机直连式试验台，超声速气流进入等离子体辅助射流调控发动机模态装置，气流先后经隔离段(1)、燃烧室(2)和喷管(3)后排向大气；步骤3：凹腔内的喷注(13)开启，向燃烧室(2)内喷注燃油；等离子体辅助射流器(12)开启，中心电极和射流生成室(16)壁面之间的空气被放电击穿，形成等离子体；空气和燃料分别自下而上经预混室的空气进口和燃料进口进入预混室(15)，在预混室(15)内形成混合气，混合气经圆形小孔进入射流生成室(16)，在射流生成室(16)中经等离子体离解和点燃后，经射流喷口排向燃烧室，形成等离子体辅助射流；等离子体辅助射流向下游流动的过程中，引燃凹腔(14)喷注喷出的燃油，燃烧室(2)正常工作。步骤4：燃烧室(2)燃烧引起的高反压通过边界层向上游流场传播，在隔离段(1)内形成激波串，超声速气流经激波串后减速、增压、增温；增压增温后的空气在燃烧室(2)内与燃料混合燃烧后，通过喷管(3)排向大气；步骤5：当来流马赫数较低时，降低等离子体辅助射流器(12)的燃气流量和当量比，增加凹腔(14)喷注的燃油流量，将超燃冲压发动机的工作模态调整为亚燃模态；步骤6：来流马赫数较高时，提高等离子体辅助射流器(12)的燃气流量和当量比，减小凹腔(14)喷注的燃油流量，将超燃冲压发动机的工作模态调整为超燃模态。

技术总结

提供一种等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的装置，包括隔离段(1)、燃烧室(2)、喷管(3)、等离子体辅助射流器(12)、喷注(13)、凹腔(14)。还提供一种等离子体辅助射流调控超燃冲压发动机工作模态的方法。本发明通过向发动机通道内喷注的等离子体辅助射流，能够提高发动机的燃烧效率，可实现发动工作模态连续可调，同时减小模态调节机构的复杂性。同时减小模态调节机构的复杂性。同时减小模态调节机构的复杂性。