[发明专利]高温空气生成系统、预冷组合发动机地面试验装置及方法

说明书

本发明提供一种高温空气生成系统、预冷组合发动机地面试验装置及方法，解决燃烧加热器产生高温气体中含有水蒸汽污染组分，易导致发动机内冷凝甚至结霜的问题。该装置包括高温空气生成系统、真空试验舱和真空排气系统；高温空气生成系统包括高压常温空气供应单元、一氧化碳供应单元、液氧供应单元、换热器、燃气发生单元、一氧化碳燃烧加热器、掺混器和喷管；换热器空气进口Ⅰ与高压常温空气供应单元连通，燃气发生单元对换热器内空气进行换热，换热器出口Ⅰ与一氧化碳燃烧加热器空气进口Ⅱ连通；一氧化碳燃烧加热器液氧进口与液氧供应单元连通，其一氧化碳进口与一氧化碳供应单元连通，出口Ⅱ通过掺混器与喷管连通；喷管出口与真空试验舱连通。

技术领域

本发明涉及预冷组合发动机试验技术，具体涉及一种高温空气生成系统、预冷组合发动机地面试验装置及方法。

背景技术

吸气式高超声速飞行器采用吸气式发动机及其组合发动机为动力实现高超声速远程飞行。吸气式组合发动机包括基于火箭发动机的组合循环发动机、基于涡轮发动机的组合循环发动机(TBCC)、空气涡轮冲压组合发动机(ATR)以及预冷组合发动机(SABRE、Scimitar等)。近年来，空气涡轮冲压组合发动机(ATR)和预冷组合发动机(SABRE、Scimitar等)相继公布了基于SABRE的两级入轨空天飞行器概念和高超声速快速响应飞行器概念，美国REI宣布将进行SABRE预冷器样机的高温气流试验和技术验证机研制等工作，使得这类动力的前景更为明朗，成为相关机构的研究热点，而其关键技术及性能也成为人们关注的焦点。

为追求较高的工作效率，预冷组合发动机采用低温介质将来流高温空气预冷至尽可能低的温度。从现有公开发表文献上看，大多数预冷组合发动机采用液氦等低温介质与高温来流空气换热，将空气预冷至冰点温度以下。

目前，吸气式发动机地面试验设施采用燃烧加热器生成高温试验气体。按使用燃料种类，常采用氢气、甲烷、酒精、煤油以及异丁烷等燃料的燃烧加热器。燃烧加热方式有试验成本低、试验设施尺度大、试验时间长、对基础配套设施要求低等特点，使其成为主流的试验气体加热方式。但是该种燃烧方式产生的高温试验气体(空气)中的化学组分、热力学状态与真实大气存在一定程度差异，相应的试验气体被成为“非标准试验介质”或“污染空气”，进而导致地面试验污染效应问题。

对于预冷组合发动机，采用上述燃烧加热器对来流空气进行加热产生来流高温空气，由于该来流高温空气中含有水蒸汽污染组分，会在预冷组合发动机中的预冷器内冷凝甚至结霜，进而严重干扰发动机工作特性。因此，迫切需要设计一种高温空气生成系统，能在预冷组合发动机地面试验中，尽量减少或者消除水蒸汽污染组分。

发明内容

为了解决现有燃烧加热器产生高温气体中含有水蒸汽污染组分，易导致预冷组合发动机内冷凝甚至结霜，进而严重干扰发动机工作特性的技术问题，本发明提供了一种高温空气生成系统、预冷组合发动机地面试验装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种高温空气生成系统，其特殊之处在于，包括高压常温空气供应单元、一氧化碳供应单元、液氧供应单元、换热器、燃气发生单元、一氧化碳燃烧加热器、掺混器和喷管；

所述换热器的空气进口Ⅰ与高压常温空气供应单元连通，燃气发生单元与换热器相连，燃气发生单元产生高温燃气，高温燃气进入换热器，在换热器内对进入的高压常温空气进行换热，换热器的出口Ⅰ产生高温纯净空气并与一氧化碳燃烧加热器的空气进口Ⅱ连通；

所述一氧化碳燃烧加热器的液氧进口与液氧供应单元连通，一氧化碳燃烧加热器的一氧化碳进口与一氧化碳供应单元连通，一氧化碳燃烧加热器的出口Ⅱ通过掺混器与喷管连通，且掺混器的空气进口Ⅲ与所述高压常温空气供应单元连通；

所述喷管用于对一氧化碳燃烧加热器生成的不含水高温气体加速至超音速状态，以模拟发动机来流速度参数。

进一步地，所述燃气发生单元包括燃气发生器和酒精供应单元；