梁俊龍，吳寶元

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

0 引言

工作馬赫數(shù)在1.5～5.0的亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、推重比高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其中液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)比沖更高、經(jīng)濟(jì)性好，射程相對(duì)較遠(yuǎn)，更適合遠(yuǎn)程超聲速巡航導(dǎo)彈，因此，在美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)等國(guó)家得到了大力發(fā)展，其中又以整體式液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究為重點(diǎn)[1]。美國(guó)于1996年就開展了“FastHawk”超聲速巡航導(dǎo)彈的研制，其動(dòng)力裝置為整體式液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)4.0，飛行高度24.36 km，射程可達(dá)800 km～1600 km[2]。俄羅斯的“寶石”超聲速反艦巡航導(dǎo)彈、法國(guó)的ASMP空射巡航導(dǎo)彈都采用了整體式液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

隨著巡航導(dǎo)彈要求的作戰(zhàn)空域和飛行速度的不斷擴(kuò)大，對(duì)液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)已不能完全適應(yīng)這種要求，亟待對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行分析研究，找出沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)關(guān)鍵組合件性能對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力、比沖性能的影響程度的大小，以抓住影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要因素，確定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響最直接的關(guān)鍵組件。

1 各組合件性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主要由進(jìn)氣道、燃燒室、尾噴管以及燃油供應(yīng)系統(tǒng)等組成。高速氣流通過(guò)進(jìn)氣道增壓后進(jìn)入燃燒室，一小部分壓縮空氣用于驅(qū)動(dòng)空氣渦輪，而大部分壓縮空氣進(jìn)入燃燒室參與燃燒；驅(qū)動(dòng)空氣渦輪的壓縮空氣經(jīng)過(guò)設(shè)置在進(jìn)氣道上的進(jìn)氣口進(jìn)入渦輪，驅(qū)動(dòng)燃油泵，對(duì)渦輪做功后的空氣排出彈體；燃油泵將燃料從低壓貯箱中抽出并增壓輸送，經(jīng)過(guò)供應(yīng)控制系統(tǒng)中的燃油調(diào)節(jié)器和控制閥門分路供入燃燒室，與進(jìn)入燃燒室的空氣進(jìn)行摻混、燃燒，生成高溫燃?xì)饨?jīng)尾噴管排出產(chǎn)生推力[3]。

在液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算中，對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，綜合考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室燃燒過(guò)程、尾噴管喉部的變化以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)和控制等各種因素，這些因素相互影響，相互耦合。針對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)各組合件相互耦合的工作過(guò)程，確定了合理的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算方法，并編制成沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算軟件，利用該軟件計(jì)算分析了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能[4-7]，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)組合件的性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行分析。

在上述液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作的過(guò)程中，進(jìn)氣道、燃燒室、尾噴管以及燃油供應(yīng)系統(tǒng)的性能都將對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和比沖性能產(chǎn)生影響，下面分別進(jìn)行分析。

1.1 進(jìn)氣道

1.1.1 總壓恢復(fù)系數(shù)

總壓恢復(fù)系數(shù)是進(jìn)氣道的主要性能參數(shù)之一，對(duì)于確定的結(jié)構(gòu)形式和氣體壓縮方式，并且在一定的起動(dòng)和設(shè)計(jì)馬赫數(shù)下設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道，總壓恢復(fù)系數(shù)的高低反映了進(jìn)氣道性能的高低，甚至是進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的好壞。

圖1 進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.1 Effect of total-pressure recovery coefficient of intake on ramjet performance

進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)通過(guò)影響沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)通道壓力變化而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能[8]。總壓恢復(fù)系數(shù)越高，表明來(lái)流氣體經(jīng)過(guò)壓縮后總壓損失愈小，燃燒室壓力越大，如果在進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)升高的同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管也能夠進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)（減?。?，使尾噴管的出口速度增大，則發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力變大，比沖和推力系數(shù)增大。由于總壓恢復(fù)系數(shù)增大的同時(shí)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣和燃油流量并未改變，因此，比沖和推力系數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的。從圖1可以看出，總壓恢復(fù)系數(shù)增大1%，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)增大約0.4%，并且從圖中可以看出，總壓恢復(fù)系數(shù)對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)巡航點(diǎn)性能的影響大于接力點(diǎn)。

1.1.2 流量系數(shù)

進(jìn)氣道流量系數(shù)是反映進(jìn)氣道尤其是在設(shè)計(jì)馬赫數(shù)以下工作的進(jìn)氣道的一個(gè)氣體通流特性參數(shù)。進(jìn)氣道流量系數(shù)通過(guò)影響進(jìn)入沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的沖壓空氣流量而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常在進(jìn)氣道設(shè)計(jì)馬赫數(shù)以下進(jìn)行轉(zhuǎn)級(jí)接力，流量系數(shù)小于1.0。在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的接力工況點(diǎn)，當(dāng)燃燒室的余氣系數(shù)一定時(shí)，如果進(jìn)氣道的流量系數(shù)增大，進(jìn)入沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量增大，發(fā)動(dòng)機(jī)性能（比沖和推力系數(shù)）增加。從圖2可以看出，對(duì)于在接力工況點(diǎn)工作的固定喉部的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，流量系數(shù)增大1%，比沖增大約0.3%，推力系數(shù)最大約1.3%。

圖2 進(jìn)氣道流量系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.2 Effect of mass flow coefficient of intake on ramjet performance

1.1.3 攻角

喉部理想可調(diào)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隨著導(dǎo)彈飛行攻角的增大，進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)下降，從而使尾噴管喉部變大，尾噴管出口速度降低，引起沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能（推力系數(shù)、比沖）降低。同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣道的流量系數(shù)降低，引起導(dǎo)彈總進(jìn)氣量的減少，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，而攻角的增大引起的導(dǎo)彈入口軸向沖量的減小，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能增加。

喉部理想可調(diào)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隨飛行攻角增大推力系數(shù)的增大與否，主要是看總進(jìn)氣量減小和喉部變大引起推力系數(shù)性能下降與入口軸向沖量減小引起的推力系數(shù)增大程度。沖壓發(fā)動(dòng)比沖增大與否，還與燃油流量有關(guān)，攻角增大，總進(jìn)氣量減小，在余氣系數(shù)不變時(shí)，需要的燃油流量是減小的，比沖增大。因此，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隨攻角增大比沖的增大與否，主要取決于總進(jìn)氣量減小和喉部變大引起的比沖下降與入口軸向沖量減小和燃油流量減小引起的比沖增大的程度。從圖3可看出，喉部理想可調(diào)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著飛行攻角的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)性能降低。在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)接力點(diǎn)，總進(jìn)氣量和總壓較巡航點(diǎn)大，流量系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)同樣程度的下降，會(huì)引起沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在接力點(diǎn)比沖和推力系數(shù)性能下降的程度大于巡航點(diǎn)下降的程度，如飛行攻角為8°時(shí)，對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)巡航點(diǎn)的比沖基本沒有影響，接力點(diǎn)比沖下降約2.5%；巡航點(diǎn)推力系數(shù)下降約3.2%，接力點(diǎn)推力系數(shù)下降約5.4%。

圖3 攻角對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.3 Effect of attack angle on ramjet performance

1.2 燃燒室

1.2.1 燃燒效率

燃燒效率是表征燃料在燃燒室內(nèi)能量釋放完全程度的一個(gè)重要性能指標(biāo)，燃燒效率的高低反映了燃燒室性能的高低。在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)特定工作工況點(diǎn)（如接力點(diǎn)、巡航點(diǎn)等），當(dāng)燃燒室余氣系數(shù)不變時(shí)，燃燒效率通過(guò)影響燃燒室內(nèi)氣流總溫、總壓變化而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能[9,10]。在特定飛行工況條件下（高度、馬赫數(shù)、余氣系數(shù)和攻角不變），當(dāng)燃燒效率增大時(shí)，燃燒后的氣流總溫、總壓升高，加熱比增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)性能增加。從圖4可以看出，燃燒效率增大1%，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)性能也增大約1%，并且燃燒效率對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)巡航點(diǎn)的性能影響程度比接力點(diǎn)要大，因此，提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒效率，尤其是巡航狀態(tài)點(diǎn)的燃燒效率對(duì)于提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能尤為重要。

圖4 燃燒效率對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.4 Effect of combustion efficiency on ramjet performance

1.2.2 總壓恢復(fù)系數(shù)

燃燒室中的壓力損失主要是由供油裝置、穩(wěn)定器等產(chǎn)生的流動(dòng)損失及由于燃燒產(chǎn)生的熱損失組成。燃燒室內(nèi)阻力太大，會(huì)造成來(lái)流總壓損失過(guò)大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，造成推力下降，因此，燃燒室的總壓恢復(fù)系數(shù)大小直接反映了燃燒室設(shè)計(jì)的好壞，是燃燒室設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)之一。

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)也通過(guò)影響沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)通道的壓力變化而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，其影響程度與進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)影響程度相同。燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)增大1%，發(fā)動(dòng)機(jī)比沖或推力系數(shù)性能增大約0.4%。

1.3 尾噴管

1.3.1 沖量效率

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的性能主要考慮由于氣體的粘性、尾噴管出口氣流不平行于軸線以及超聲速段激波、附面層的相互作用引起的損失，用尾噴管實(shí)際產(chǎn)生的沖量與理論沖量的比值，即尾噴管的沖量效率表示，它是影響沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)比沖和推力系數(shù)性能最直接的因素，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響很大。從圖5可以看出，尾噴管的沖量效率增大1%，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)性能增大3~ 4%，并且巡航點(diǎn)的性能增加程度大于接力點(diǎn)。

圖5 噴管沖量效率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.5 Effectofimpulseefficiencyofnozzleonramjetperformance

1.3.2 流量系數(shù)

尾噴管的流量系數(shù)是通過(guò)影響噴管喉部實(shí)際流通面積的大小而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的。

圖6 噴管流量系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.6 Effect of flow coefficient of nozzle on ramjet performance

對(duì)于尾噴管理想可調(diào)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，喉部直徑大小是根據(jù)進(jìn)氣道、燃燒室總壓恢復(fù)性能以及燃燒室放熱性能而實(shí)時(shí)調(diào)整的，流量系數(shù)對(duì)其沒有影響；對(duì)于固定尾噴管的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，如果噴管的沖量系數(shù)或總壓恢復(fù)系數(shù)性能不變，噴管流量系數(shù)減小，噴管喉部的實(shí)際流通面積減小，尾噴管的出口氣流速度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力性能增加。從圖6可以看出，噴管流量系數(shù)減小1%，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)性能增加約0.4%。

1.4 燃油供應(yīng)系統(tǒng)

1.4.1 渦輪取氣量

液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)在進(jìn)氣道出口取氣，驅(qū)動(dòng)渦輪，渦輪帶動(dòng)燃油泵進(jìn)行燃油增壓輸送，做功之后的空氣通過(guò)排氣系統(tǒng)排出彈體外。如果驅(qū)動(dòng)渦輪的沖壓空氣量增大，則沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管出口的沖量損失也增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)性能下降。從圖7可以看出，渦輪取氣量為進(jìn)氣道總進(jìn)氣量的1%時(shí)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)接力點(diǎn)的比沖、推力系數(shù)分別降低1.5%和2.5%；巡航點(diǎn)的比沖、推力系數(shù)分別降低近3%和4%。

圖7 渦輪取氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響Fig.7 Effect of turbine gas-pickup on ramjet performance

1.4.2 渦輪與泵的效率

從上節(jié)可以看到，渦輪取氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響很大，為了盡可能地降低渦輪的取氣量，必須提高渦輪與泵工作的效率。

從渦輪的功率計(jì)算可以知道，當(dāng)渦輪功率和渦輪絕熱速度不變時(shí)，渦輪的效率與渦輪取氣量成反比；如果渦輪的工作效率提高1%，渦輪的取氣量相對(duì)原取氣量小約1%，發(fā)動(dòng)機(jī)總進(jìn)氣的減小量較小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響較小。

從渦輪與泵的功率平衡關(guān)系可以知道，當(dāng)泵的揚(yáng)程、流量以及渦輪的效率、絕熱速度不變時(shí)，泵的效率與渦輪的取氣量同樣成反比，泵的工作效率提高1%對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響程度與渦輪效率提高1%的影響程度相同。

2 結(jié)論

通過(guò)液體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室、尾噴管以及燃油供應(yīng)系統(tǒng)等各個(gè)組合件的性能對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)比沖和推力系數(shù)性能的影響程度分析可以得到以下結(jié)論。

1） 對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響最直接的因素是尾噴管的沖量效率，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖和推力系數(shù)的性能影響也是最大的，沖量效率增大1%，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)性能增大3%~4%。對(duì)于在大空域、寬?cǎi)R赫數(shù)范圍內(nèi)工作的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，往往采用可調(diào)噴管來(lái)提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)比沖和推力系數(shù)性能；然而，由于可調(diào)噴管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，噴管氣動(dòng)型面并不完全理想，會(huì)導(dǎo)致噴管的沖量效率降低。因此，如何提高可調(diào)噴管的沖量效率是提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要有效途徑之一。

2） 驅(qū)動(dòng)渦輪的進(jìn)氣道出口的沖壓空氣做功后排出導(dǎo)彈外，會(huì)導(dǎo)致沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)比沖和推力系數(shù)的降低。渦輪取氣量為進(jìn)氣道總進(jìn)氣量的1%時(shí)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)接力點(diǎn)的比沖、推力系數(shù)分別降低1.5%和2.5%；巡航點(diǎn)的比沖、推力系數(shù)分別降低近3%和4%。因此，如何有效地提高渦輪與泵的效率，盡可能地降低渦輪的取氣量也是提高沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究的重要內(nèi)容之一。

3）沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒效率增大1%，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)性能也增大約1%；進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)增大1%，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力系數(shù)增大約0.4%。因此，如何把燃燒室內(nèi)噴入的燃油與沖壓空氣高效、穩(wěn)定的燃燒組織好，如何在寬?cǎi)R赫數(shù)范圍內(nèi)盡可能地提高進(jìn)氣道的性能都是增大沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)比沖和推力系數(shù)的方法。

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