[发明专利]一种用于爆震燃烧研究的超声速地面实验风洞

说明书

技术领域

本发明涉及应用于航空、航天的吸气式超声速爆震发动机研究的地面试验系统，可生成模拟实际高空条件下最高总温2000K、总压2MPa以上且当量比大范围变化的超声速预混气流。

背景技术

爆震燃烧具有能量释放速率快、热力循环效率高等优点，在推进领域中一直都备受关注，目前采用爆震燃烧的超声速脉冲爆震发动机、斜爆震发动机等，已迅速成为高超声速飞行器推进系统的研究热点。连续式高焓预混超声速气流加热器是超声速脉冲爆震发动机、斜爆震发动机等地面模拟试验系统的关键设备，它连续产生模拟超声速爆震发动机入口条件的超声速高焓预混气。预混超声速气流加热器与超声速爆震试验段和真空舱共同组成超声速爆震发动机地面实验风洞。超声速预混实验风洞技术是吸气式超声速爆震发动机地面试验的核心技术，也是研究采用爆震燃烧形式的超声速冲压发动机技术的必备。

在超声速预混气流中进行爆震起爆和发展机理研究要求实验风洞预热燃烧室满足：总压高于1MPa，总温范围宽(1000～2800K)、空气流量大于1Kg、预混气当量比调节范围大、风洞出口流场品质高，可靠点火、稳定燃烧，对于燃烧室内表面局部过热有可靠的热防护。

目前国内外进行超声速爆震实验通常采用实验件高速运动、斜激波管设备等几种方式。目前公开报道的有：论文《Studies in connection with stabilized gaseous detonations waves》中介绍的冲压加速弹。该实验需通过发射器把加速弹或实验件加速到特定的速度并进入预混实验气体中。一个固有的缺陷是由于实验件一般质量较轻，运动中受到的阻力很大，特别当实验件前端产生爆震燃烧时将导致运动速度迅速下降。论文《Onset of oblique detonation waves：comparison between experimental and numerical results for hydrogen-air mixtures》和《Three-dimensional structure of stabilization of oblique detonation wave in hypersonic flow》中介绍的斜激波管设备，如图1，该设备先产生可爆驱动气体A与预混可燃实验气体B，初始压力相同并用一层约10μm的薄膜隔开，混合物A的CJ爆震速度要比混合物B的大。实验时先在驱动混合物A中产生速度为D_cj的自持CJ爆震波，由于爆震波后压力上升，导致薄膜向混合物B中偏转形成气动斜劈，并在实验气体B中产生以D_cj速度传播的斜激波或斜爆震波。可通过调节驱动气体A的成分来产生不同的气动斜劈角度与传播速度。这种实验设备的一个固有缺点是采用了气动斜劈，一旦在混合物B中产生爆震，由于波后压力上升将导致薄膜再次发生偏转，出现斜爆震状态难以控制等问题。目前主要用来研究来流马赫数与混合物的活性对斜激波向斜爆震转变的影响。上述两种实验设 备的共同问题是：产生的斜爆震相对实验观测是高速运动的，所以有效实验时间很短，难以进行起爆和发展动态过程研究；由于静止预混气体是预先均匀混合的，为防止出现自燃爆炸等安全问题，预混气体的静温通常为常温。