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《火箭推進》2017年第1期

摘要：為提高火箭基沖壓組合循環（RBCC）發動機火箭沖壓模態下火箭推力增益，基于模擬飛行Ma=4來流條件的數值計算結果，分析了火箭射流與沖壓主流超/超剪切流動的特性，探討了火箭推力增益的組成，并給出了提高火箭推力增益的措施：1）沖壓流道、火箭工作參數的選取必須確保兩股超聲速剪切流之間的流動匹配，在有限空間內快速、低損的實現高能火箭射流與低能沖壓主流間的動量及質量輸運，最大限度地提高發動機噴管排氣速度及壓力；2）采用高室壓火箭，通過增加推力室室壓，提高火箭燃氣膨脹程度，減小火箭推力增益損失。

關鍵詞：RBCC；火箭沖壓模態；推力增益

0引言

火箭布置于RBCC發動機流道當中，先后參與火箭引射模態、火箭沖壓模態及純火箭模態工作，因此，通過優化火箭工作參數、改進沖壓流道結構來實現火箭射流與沖壓主流之匹配，對于提升RBCC發動機性能意義重大。20世紀60年代，美國開展了“可重復使用航天運輸系統研究計劃”，MartinMarietta公司、Marquardt公司試驗驗證了利用火箭引射產生推力增強的可行性。隨后，經過一段沉寂，在20世紀90年代，受美國“先進可重復使用空間運輸技術計劃”驅動，RBCC發動機研究工作受到廣泛重視。這一時期，Daines等開展了火箭引射模態火箭布局方式對發動機推力的影響計算研究，結果表明，與單火箭中心引射相比，模擬飛行來流Ma=0.8條件下，環形火箭布局獲得了近1倍的推力增強。Lehman等采用Raman譜分析技術對DAB及SMC兩種二次燃燒模式進行了試驗對比研究，發現在相同二次流量及當量比條件下，DAB模式產生了更大的推力。國內西北工業大學對采用支板火箭布局方式的RBCC發動機引射模態推力增益開展了較為系統的研究。黃生洪通過對引射構型的優化，在零速引射條件下計算獲得了25%的推力增強。李宇飛對火箭引射模態進行了計算及實驗研究，認為引射火箭推力增強的途徑為對超聲速主流進行加熱，且引射火箭二次加熱量的注入應遵循先加熱超聲速主流、后加熱亞聲速二次流的原則。劉佩進等研究了火箭引射模態二次燃燒模式對發動機推力的影響。

計算及試驗結果表明，二次燃燒采用SMC模式能夠獲得較大的推力增強。徐朝啟等在總壓0.6MPa和總溫620K空氣來流條件下，采用一次火箭作為引導火焰，試驗研究了凹腔對發動機推力的影響，結果表明，不采用凹腔的構型獲得了更高的推力增益。此外，國防科大黃國慶不考慮二次補燃，對軸對稱結構環形火箭布局燃燒室開展了零速引射條件下的試驗研究，對比了火箭混合比、火箭流量及引射結構對推力的影響。從國內外公開發表文獻來看，對于RBCC發動機火箭推力增益的研究主要集中于火箭引射模態，且大多為超聲速一次流引射亞聲速二次流。而對于高飛行馬赫數下，超聲速火箭射流與超聲速沖壓主流剪切流動條件下的火箭推力增益研究則鮮見報道。本文借助數值計算結果，分析了火箭沖壓模態下，RBCC發動機中火箭推力增益的產生原因，并給出提高火箭推力增益的可行措施，為RBCC發動機流道設計及火箭推力室工作參數選取提供參考。

1數值方法

1.1計算模型及來流條件RBCC發動機為二元定幾何結構，由兩楔進氣道、氫/氧火箭推力室、單側擴張燃燒室及單斜面膨脹噴管組成，采用支板火箭布局方式，火箭推力室居中布置于燃燒室流道，圖1給出了RBCC發動機計算模型示意圖。發動機自由來流Ma0=4，靜溫215.7K，靜壓8849.7Pa，進氣道捕獲流量6.8kg/s，火箭推力室室壓4MPa，混合比4，流量1.1kg/s，火箭噴管擴張比3.33，火箭燃氣由質量分數10%H2及90%H2O組成。

1.2邊界條件及網格劃分

發動機入口設定為壓力遠場，給定來流馬赫數、靜壓、靜溫；發動機壁面設定為無滑移絕熱壁；發動機出口設定為壓力出口，背壓設為0Pa；火箭推力室入口設定為壓力入口，給定總壓、靜壓、總溫及燃氣組分。計算采用二維結構網格，在壁面及支板處進行加密，整個計算域內網格伸縮比≯1.1，網格單元數22萬。

1.3計算方法及計算工況

采用有限體積法隱式求解二維雷諾時均Naver-Stokes方程及組分輸運方程；無粘通量計算采用二階AUSM格式；粘性通量計算采用二階中心格式；湍流模型選取Realizablek-ε模型，壁面采用壁面函數處理；化學反應采用有限速率方法，動力學模型選取氫氣單步總包模型。共完成3個工況發動機流場計算：1）冷流流場，RBCC發動機通流，火箭不工作，僅求解Naver-Stokes方程；2）火箭工作無化學反應流場（簡稱混合流場），火箭工作，求解Naver-Stokes方程及組份輸運方程，不計算化學反應源項；3）火箭工作化學反應流場（簡稱反應流場），考慮富燃火箭射流補燃過程，求解Naver-Stokes方程、組份輸運方程及化學反應源項。本文所有計算工況中沖壓燃燒室均無燃料供應。

2計算結果及火箭推力增益分析

2.1計算結果

分別完成RBCC發動機冷流流場、混合流場及反應流場數值仿真。給出了支板后軸向速度及靜溫分布云圖，與冷流流場相比，火箭開啟后，高溫高速火箭射流一經從支板噴出，逐步與沖壓主流摻混，氣流速度及溫度得以提高；受富燃火箭射流釋熱影響，反應流場火箭射流與沖壓主流摻混的更為充分。給出了支板后不同軸向截面軸向速度及靜溫沿燃燒室高度分布，圖中縱坐標為無量綱化數值。火箭射流從支板噴出后，首先與沖壓主流保持相對獨立，由于火箭高速射流與沖壓主流的剪切作用，兩股超聲速氣流得以摻混，并且隨著流動向下游的發展，火箭射流與沖壓主流間的速度及溫度梯度逐漸減小。并且，受富燃火箭射流釋熱能量添加的影響，反應流場軸向速度及靜溫沿燃燒室高度的分布較混合流場更為飽滿。給出了3種計算工況發動機噴管出口氣流參數沿高度分布。與冷流相比，高溫高速火箭射流顯著提高了發動機內氣流速度、靜溫及壓力；與混合流場相比，富燃火箭射流補燃釋熱進一步提高了發動機內氣流靜溫及靜壓，噴管出口速度峰值雖未提高，但速度沿高度分布曲線更為飽滿，即反應流場噴管出口平均速度高于混合流場。

2.2火箭推力增益分析

本文定義火箭推力增益發動機內推力F與火箭設計點推力Frd之差值。為便于表述，本文所采用符號及其名稱、定通過速度剪切，高能火箭射流與低能沖壓主流之間完成動量及質量輸運，使得發動機出口氣流速度及靜壓得以大幅提高，火箭引射推力增益ej即由這一部分速度及靜壓增益產生。本文計算ej=977N，其產生的推力占火箭推力增益的104.6%。可考慮通過優化沖壓流道型面、匹配火箭射流及沖壓主流氣動參數、降低超聲速射流摻混損失等手段，來增加發動機出口氣流速度，進一步提高。

2）火箭補燃推力增益可知，富燃火箭射流從支板噴出后，邊區首先與沖壓主流相接觸，進行補燃。隨著流動向下游的發展，火箭射流與沖壓主流進一步摻混，富燃火箭射流補燃區域及釋熱量均得以增強；在發動機擴張通道內，富燃火箭射流補燃釋放的熱量轉變為動能，發動機出口氣流平均速度及靜壓均得到提高，從而使發動機推力得以增加，這部分增加的推力即為火箭補燃推力增益rea。本文計算rea=851N，其產生的推力占火箭推力增益的91.1%。可考慮通過降低火箭推力室混合比，提高火箭射流富燃程度來增加rea。但是，推力室混合比偏低會損失火箭性能，并且這一部分燃料也可通過沖壓燃燒室注入參入燃燒，那樣燃燒組織更為靈活。因此，雖然rea在火箭推力增益貢獻中占很大比例，但是受火箭混合比限制，其進一步提升的潛力有限。

3）火箭推力損失火箭推力損失為火箭設計點推力Frd與火箭真實推力Fr之差值，當火箭推力室工作參數及火箭噴管擴張比選定后，為定值。本文計算=894N，其造成的推力損失占火箭推力增益的95.7%。可考慮增加火箭噴管擴張比，提高火箭燃氣膨脹程度來減小。但是，為確保火箭噴管始終正常工作（滿流狀態），RBCC發動機整個工作包線內沖壓流道背壓最大值為火箭噴管出口靜壓下限，限制了火箭噴管擴張比的選取范圍。因此，雖然理論上可以通過增加火箭噴管擴張比來降低，但是實際可行性不高。

那么，能否通過增加火箭推力室壓力來提高火箭燃氣膨脹程度，降低，增大火箭推力增益。保持火箭流量1.1kg/s、混合比4、大氣壓力8849.7Pa不變，假設火箭噴管出口壓力均為0.5MPa，計算不同推力室室壓時的，計算結果。以看出，隨著推力室室壓的增加而減小，當推力室室壓從4MPa升高至10MPa時，由1964N減小至1391N，減小幅度達41.2%。綜上所述，增大火箭引射推力增益ej及火箭補燃推力增益rea、減小火箭推力損失均是提高火箭推力增益的有效措施。其中，通過改善火箭射流與沖壓主流摻混過程提高ej及提高火箭推力室室壓減小為提高最具潛力的途徑。

3結論

基于對RBCC發動機中火箭推力增益組成的分析，本文探討了火箭沖壓模態RBCC發動機中火箭推力增益的產生原因及提高措施，認為：1）沖壓燃燒室型面、火箭工作參數的選取，必須考慮兩股超聲速剪切流之間的摻混過程，要能夠在有限空間內快速、低損的實現高能火箭射流與低能沖壓主流間的動量及質量輸運，使發動機獲得盡可能高的排氣速度，提高火箭推力增益；2）采用高室壓火箭，通過增加推力室室壓，提高火箭燃氣膨脹程度，減小火箭推力增益損失，即提高火箭推力增益。

參考文獻：

[1]黃生洪.火箭基組合動力循環引射模態燃燒流動研究[D].西安:西北工業大學,2002.

作者：劉昊；王君 單位：西安航天動力研究所