哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘要 ............................................................................................................................... I Abstract........................................................................................................................... III 第1章绪论.. (1)
1.1课题研究的背景和意义 (1)
1.1.1课题的背景 (1)
1.1.2课题研究的意义 (2)
1.2国内外研究现状 (4)
1.2.1预冷发动机的研究现状 (4)
1.2.2预冷发动机热力循环的研究现状 (11)
1.2.3预冷发动机调节规律的研究现状 (12)
1.2.4研究现状小结 (13)
1.3本文的主要研究内容 (13)
第2章预冷发动机的理想热力循环分析 (16)
2.1引言 (16)
2.2多种预冷发动机的特点对比及本文研究对象的选取 (17)
2.3预冷发动机的理想热力循环构型及分析 (19)
2.3.1理想循环构型及模型 (19)
2.3.2理想循环性能分析 (21)
2.4预冷发动机理想热力循环的特殊性 (25)
2.5本章小结 (25)
第3章预冷发动机的实际热力循环性能分析 (27)
3.1引言 (27)
3.2预冷发动机的实际循环模型 (27)
3.3预冷发动机的实际循环性能分析 (31)
3.3.1设计点和飞行轨迹 (31)
3.3.2安全边界分析 (32)
3.3.3预冷过程对发动机性能的影响 (33)
3.3.4预冷深度的定义 (38)
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3.3.5基于预冷深度的安全边界描述 (39)
3.3.6燃料种类对预冷深度的影响 (42)
3.4预冷发动机和非预冷发动机的性能对比分析 (42)
3.5一种改进的预冷循环发动机性能分析 (44)
3.6本章小结 (46)
第4章预冷发动机的部件级数学模型 (48)
4.1引言 (48)
4.2换算参数表示的发动机部件级模型 (49)
4.2.1稳态模型 (49)
4.2.2动态模型 (56)
4.2.3发动机部件间关系 (61)
4.2.4离散化处理及传递函数 (61)
4.3发动机模型的非线性方程组及求解方法 (64)
4.3.1发动机模型的非线性方程组 (65)
4.3.2牛顿拉夫逊法 (65)
4.4面向对象的发动机程序设计及实现思路 (66)
4.5本章小结 (67)
第5章预冷发动机的调节规律研究 (69)
5.1引言 (69)
5.2预冷发动机的控制问题 (69)
5.2.1发动机的动态特性及主导时间常数 (70)
5.2.2控制问题分析 (74)
5.3发动机的共同工作方程 (75)
5.4组合调节规律 (77)
5.4.1被调节量与阶段分界点 (78)
5.4.2稳态调节规律 (78)
5.5本章小结 (80)
结论 (81)
参考文献 (84)
附录 (88)
攻读硕士学位期间发表的学术论文 (92)
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论文原创性声明和使用权限 (93)
致谢 (94)
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第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
1.1.1课题的背景
预冷循环发动机的研究始于上个世纪50年代的美国[1]，从提高现有发动机性能或拓展现有发动机的工作包线等角度出发，人们提出了各种形式的预冷循环发动机概念。预冷循环发动机是高超声速飞机最有效的推进系统之一，也可用作单级入轨航天飞机[2]或两级入轨航天飞机助推级的推进系统[3]。
预冷发动机指一类通过换热器或冷质预注等方式对来流空气进行预冷却的发动机，这一类发动机的优越性在高超声速飞行中得以明显体现。由发动机原理的知识可知，发动机的单位推力随压气机压比的提高而增大，较高的单位推力易于实现更高的飞行速度。而高速条件下提高压气机压比会导致压气机排气速度超出材料许可范围，这成为限制发动机速度提高的瓶颈。解决该问题的办法之一就是通过预冷却过程，通过将传热过程加入到发动机的热力循环中，来改善了发动机的热力循环模式，从而扩宽了发动机的飞行包线，提升发动机的性能[4]。
从对来流的预冷方式方面，预冷发动机可以分为换热器预冷（HEXPCC）和工质注入预冷（MIPCC）两种方式[5]。
最早的基于换热器预冷的发动机由美国的马夸特公司（Marquardt）的John Ahern于20世纪50年代末提出，称之为液化空气循环发动机[5]（LACE，Liquid Air Cycle Engine，见图1-1[5]）。该发动机的提出是为了迎合低成本单级入轨的需求，但结果却不尽如人意。此后又依次出现了在LACE基础上发展而来的空气收集循环发动机[1]（ACES，Air Collection and Enrichment System，由美国的Archibald Gay于20世纪60年代提出，见图1-2[5]）、从循环层面对LACE改进的RB545发动机[1]（由英国的罗罗公司于20世纪80年代提出，见图1-4[5]）、RB545发动机的改良版SABRE发动机[6]（Synergistic Air Breathing Rocket Engine，由Reaction Engines公司于2008年完成关键技术及硬件的验证工作，见图1-5[7]）、从循环层面对LACE进行另一种改良的预冷ATREX发动机[8]（Precooled Air Turbo-rocket/ ramjet expander cycle，日本于1980年提出，见图1-6[8]）、从预冷ATREX的基础上发展而来的PCTJ发动机[9]（Precooled Turbojet，日本从2001年提出该方案，见