多模態RBCC主火箭混合比對引射流動燃燒影響

林彬彬，潘宏亮，葉進穎，鄒祥瑞，王超月

(西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072)

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多模態RBCC主火箭混合比對引射流動燃燒影響

林彬彬，潘宏亮，葉進穎，鄒祥瑞，王超月

(西北工業大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，西安 710072)

針對寬范圍飛行的二元中心支板式構型，采用發動機與飛行器前后體集成的全流道數值模擬計算方法，研究了主火箭混合比對RBCC引射模態超聲速飛行階段燃燒室流動燃燒及發動機性能的影響。結果表明，主火箭混合比為2.4無二次燃料噴注時，燃燒室出口氣流平均總溫最高，恰當比和貧燃主火箭可通過二次燃燒組織獲得高于主火箭富燃工作情況下的總溫，主火箭混合比影響主火箭射流溫度，并通過與引射空氣的摻混燃燒，與二次燃燒共同決定著燃燒室內的釋熱區間和壓強分布情況，進而影響引射比及發動機性能；引射比隨混合比的增大而增大，Ma=1.5、2時，引射比最大相差比例可達77.3%和109.0%，二次燃燒組織使得燃燒室下游壓強迅速升高并前傳，導致引射比迅速降低，主火箭混合比仍對引射比產生重要影響；在以亞燃和超燃模態為設計重點的受限流道內，主火箭恰當比工作可兼顧主火箭推力及燃燒室推力，進而獲得更高的發動機性能，Ma=1.5、2時，推力增益分別達到22.0%和36.6%，發動機比沖分別為3 696 N·s/kg和4 136 N·s/kg，主火箭混合比對提升引射模態超聲速段引射比及發動機性能具有重要影響。

火箭沖壓組合動力循環(RBCC)；引射模態；主火箭；混合比；引射比

0 引言

火箭基組合動力循環(Rocket Basked Combined Cycle, RBCC)發動機具有潛在的低成本、高可靠性、可重復使用等優勢，成為未來天地往返可重復使用運輸系統優選動力系統之一。根據不同的來流條件，RBCC發動機可根據需要分別工作在引射模態、亞燃模態、超燃模態和純火箭模態。從地面零速起飛時，RBCC依靠主火箭射流的引射抽吸作用，將前方來流空氣吸入燃燒室，通過二次燃燒組織，獲得推力增益，隨著飛行馬赫數的增大，來流的沖壓效應對引射比的影響逐漸增大；引射模態將飛行器加速到進氣道起動工作之后，進入燃燒室的空氣流量由來流條件及進氣道共同影響，引射效應消失，發動機轉換到亞燃模態工作；隨著飛行馬赫數的提高，發動機進入超燃模態，在燃燒室內組織超聲速燃燒；隨著飛行馬赫數及高度的進一步提升，進氣道關閉，發動機工作在純火箭模態，脫離大氣層將飛行器送至預定軌道。雖然引射模態經歷時間較短，僅為爬升彈道的一個階段，但引射模態可消耗爬升段約55%的推進劑，引射模態發動機性能對RBCC爬升段推進劑質量消耗具有重要影響[1]，引射模態性能是推進系統綜合性能的關鍵影響因素[2]，引射的機理問題是RBCC發動機用于實際的一項關鍵技術[3]。與常規氣體引射器及超聲速氣體引射器相比，RBCC發動機的引射流動受到以亞燃和超燃模態為設計重點的內流道構型制約，飛行馬赫數和高度不斷增大，且高溫的超聲速主火箭燃氣射流與引射空氣存在強梯度動量與熱量的交換、以及富燃燃氣與空氣的燃燒反應，再加上燃燒室內的二次燃燒燃燒釋熱過程，主火箭射流、二次空氣及二次釋熱效應交織的RBCC流動燃燒過程是極其復雜的，相比其他引射器而言，單點工況優化分析難以兼顧飛行參數變化范圍內的性能，主火箭與流動匹配設計思想和研究方法相應改變。熱力學分析結果表明，發動機構型、主火箭混合比以及二次燃燒組織對引射模態引射比及增壓比具有較大影響，進而影響發動機性能[4]。針對以亞燃和超燃模態為設計重點的雙模態燃燒室構型，有必要研究燃燒組織方式對引射流動燃燒及發動機性能的影響，保證主火箭混合比與來流條件及發動機構型相匹配，實現多模態穩定高效工作的目標。

Han S[5]研究結果表明，隨著來流馬赫數的增大及二次燃燒的增強，發動機性能隨之提高。飛行馬赫數小于1.3時，引射火箭對引射量占主導作用，而飛行馬赫數大于1.5時，來流的沖壓作用占主導[6]。熱試驗研究表明，主火箭工作狀態是RBCC發動機關鍵設計參數，引射抽吸能力隨主火箭混合比的提升而增強[7]。主火箭富燃工作所需要的燃燒室長度較短，但發動機性能較低；主火箭恰當比或貧燃工作性能較高，但所需要的燃燒室長度較長[8]。主火箭射流摩爾質量及混合比對引射比及發動機比沖具有較大影響。一維分析結果表明，氫/氧主火箭混合比在2～16范圍內，發動機比沖最大相差約37%[9]。數值模擬和實驗研究表明，偏高和偏低的混合比不利于發動機性能的提高，針對特定的燃燒室構型，氣氧/酒精主火箭混合比應為0.7左右[10]。本文前期工作[11]研究了貧燃氣氧/酒精主火箭對引射比的影響，貧燃主火箭有利于提高引射比，在研究混合比變化范圍內，引射比可提高44.6%；通過提高主火箭室壓及主火箭噴管膨脹比的方式，來提高引射比及主火箭推力，可實現發動機性能的提升，但提高主火箭室壓，必然帶來結構質量及系統復雜程度的增加。相對而言，通過優化主火箭混合比的方法獲得發動機性能的提升更為有利。綜合以上研究結論，主火箭混合比影響著燃燒室內的釋熱區間，影響燃燒室內的壓強分布，進一步影響引射比的大小，從而對引射流動燃燒及發動機性能產生重要影響。

本文采用包含前后體的全流道數值模擬方法，針對進氣道起動工作前的引射模態超聲速飛行階段，飛行馬赫數為1.5和2兩個典型點，研究了主火箭混合比對RBCC發動機引射流動燃燒及發動機性能的影響規律。

1 物理模型

二元中心支板式RBCC發動機可采用多模塊并聯的方式實現水平起飛，單模塊發動機構型及數值模擬計算域如圖1所示。前方來流空氣經過飛行器前體預壓縮后，經進氣道進一步壓縮進入燃燒室與主火箭射流進行摻混燃燒，在燃燒室內與二次燃料組織二次燃燒，隨后在單邊膨脹尾噴管內進一步膨脹做功。

圖1 RBCC發動機構型及計算域示意圖Fig.1 Configuration of RBCC engine and calculation zone

RBCC發動機結構簡圖如圖2所示，燃燒室入口寬高比為2.5，主支板占空比為0.3。氣氧/煤油主火箭的2個矩形噴管安裝在主支板內，2個噴管面積擴張比均為6。第一段燃燒室擴張角2°，第二段燃燒室擴張角1.5°，第一段燃燒室布置有以實現亞燃和超燃模態的燃料噴注和火焰穩定為目的的燃料支板和凹腔，燃料支板及凹腔分別位于距燃燒室入口約4H和7H位置處，H為燃燒室入口高度。為了減小亞燃/超燃模態燃燒室內阻，一方面去掉了第二段燃燒室內具有火焰穩定和摻混增強作用的凹腔；另一方面，縮短了燃燒室長度。

圖2 RBCC發動機結構簡圖Fig.2 Schematic of RBCC engine

2 數值模擬模型

利用有限體積法求解三維氣相控制方程，建立多組分化學反應流動的控制方程組，在歐拉坐標系描述氣相方程，液態煤油采用壓力旋流霧化模型噴射進入燃燒室內，通過噴嘴物理尺寸參數計算初始顆粒尺寸、速度和位置，采用拉格朗日方程描述顆粒相運動，采用TAB模型描述液滴霧化過程。

2.1 湍流模型

引射模態內流道的流動燃燒情況與來流條件強耦合，全流道數值模擬需要較大的計算域，受到計算資源的限制，舍棄耗費計算資源較高的直接模擬方法和大渦模擬方法，雷諾時均湍流模型通過對平均脈動的描述，可利用較少的計算資源獲得較高的計算精度，依然受到廣泛的應用[12-13]。k-ωSST剪切應力輸運模型在近壁面處采用Wilcoxk-ω模式，在邊界層邊緣和自由剪切層采用k-ω模式，其間通過一個混合函數來過渡，對自由剪切湍流、附著邊界層湍流和適度分離湍流都具有較高的計算精度。

2.2 化學動力學模型

主火箭超聲速射流與亞聲速空氣氣流進行混合燃燒，混合流又與液態煤油進行摻混，流動燃燒過程復雜。采用適用于寬Da數反應流的有限速率/渦耗散模型，該模型同時計算有限速率和渦耗散反應速率，凈反應速率取兩者較小值，適合既存在湍流混合控制、又存在動力學控制燃燒過程的模擬。采用煤油兩步及氫氣一步總包反應模型[14-15]，詳細參數見表1。表1中，A、B和E分別為指前因子、溫度指數和活化能。

表1 化學動力學模型Table 1 Kinetic model

2.3 網格劃分

發動機構型具有對稱性，以發動機中心面為對稱面，取1/2為計算區域。采用分區網格劃分技術獲得結構化網格，對參數變化劇烈部分進行局部網格加密，對近壁面網格加密，全流道網格總數約為180萬。

2.4 邊界條件

為了準確模擬引射模態全流道流動燃燒情況，采用壓力遠場模擬遠方來流，依據真實環境條件模擬來流條件。主火箭入口采用質量入口邊界條件，尾噴管出口邊界采用壓力出口邊界條件。發動機中心面采用對稱邊界條件，發動機壁面絕熱無滑移。

2.5 數值模擬校驗

文獻[16]利用紋影手段獲得了經典超聲速進氣道內部流場結構，選取飛行馬赫數2.5的實驗結果進行校驗，數值模擬獲得的流場馬赫數分布情況如圖3所示。與實驗結果對比可知，本文采用的數值模擬模型獲得的結果與實驗結果吻合較好，可較好預示進氣道內的流動情況。

(a)實驗紋影結果

(b)數值模擬結果

采用RBCC發動機地面直連實驗結果，對本文采用的數值模擬方法進行校驗?？諝鈦砹? kg/s，總溫900 K。主火箭總溫1 757 K，燃氣摩爾組分為CO：0.35；H2：0.2；CO2：0.35；H2O：0.4。二次燃料為煤油，噴注位置位于隔離段主支板，燃料噴注當量比0.62。

分別針對冷流狀態和主火箭工作狀態燃燒室壓強分布情況進行了對比，如圖4所示。圖4表明，數值模擬與實驗獲得的燃燒室壓強分布情況整體吻合較好，高背壓導致的流動分離，使得隔離段內波系結構復雜，數值模擬獲得的隔離段內的壓強分布與實驗存在一定偏差，但對燃燒室整體性能影響不大。表明本文采用的數值模擬方法，可較準確預示RBCC發動機全流道引射流動燃燒過程及發動機性能。

圖4 數值模擬與實驗燃燒室壁面壓強分布情況對比Fig.4 Wall pressure profiles of experiment and CFD

3 計算結果與討論

基于中心支板式RBCC發動機構型，針對飛行馬赫數1.5和2進行了全流道數值模擬研究。O/F比值為主火箭混合比，理論混合比為3.4，Ma=1.5時主火箭流量為Ma=2的1.5倍，二次燃料流量 由僅有主火箭工作時獲得的引射比計算獲得，按照燃燒室當量比0.8確定二次燃料流量，二次燃料噴注位置距燃燒室入口14H，采用上、下壁面結合的噴注方式。

3.1 引射流動燃燒特征

飛行馬赫數1.5和2情況下，來流條件及主火箭工作狀態相差較小，燃燒室流場分布情況具有相似性。限于篇幅，僅就Ma=1.5飛行條件下燃燒室參數分布情況進行分析。圖5和圖6是Ma=1.5時主火箭混合比分別為1.4和2.4的燃燒室CO和O2的分布情況。主火箭混合比為1.4時，主火箭富燃燃氣射流與引射空氣依靠剪切作用進行較緩慢的摻混燃燒反應，在燃燒室出口位置燃氣的主火箭射流中央，仍有較多的可燃組分沒有參與燃燒，而且燃燒室出口截面基本沒有O2。一方面，說明主火箭富燃程度過大；另一方面，說明主次流摻混效率不足?；旌媳忍岣咧?.4時，CO含量明顯減少，CO包裹在主火箭射流中央，O2則分布在燃燒室的兩側，仍有必要采取摻混增強手段?；旌媳雀哂?.4時，主火箭貧燃工作，燃燒室內不存在CO。

本文在混合比1.4～8.4的范圍內，對比了有無二次噴油燃燒室溫度分布變化規律。圖7為Ma=1.5條件下，燃燒室各截面氣流總溫的質量加權平均值，從圖7可見，無二次燃燒時，主火箭混合比為1.4時，射流溫度最低，氣流平均總溫也為最低，隨著主火箭與空氣之間摻混燃燒的持續進行，沿流道燃氣總溫逐漸上升。當主火箭混合比為2.4時，主火箭噴管出口燃氣溫度升高，由于引射比的提升，使得燃燒室內的放熱量增大，在燃料支板位置，該工況的總溫開始高于其他工況。主火箭恰當比工作時，在燃燒室入口位置總溫最高，但由于缺乏后續放熱，使得燃料支板下游氣流總溫基本保持不變。主火箭貧燃工作時，燃燒室內不存在燃燒放熱。因此，總溫升高趨勢非常平緩，且貧燃程度越高，主火箭射流溫度越低，燃燒室內混合氣流總溫也就越低。在14H位置進行了二次燃料噴注，二次燃燒放熱使得混合氣體總溫迅速上升，雖然貧燃程度的增大使得二次燃料噴注上游的混合氣體總溫降低，但由于貧燃程度越大，燃燒放熱靠后，使得引射比增大，同時相應的二次燃料噴注量也增大，使得燃燒室出口氣流總溫基本一致。

(a)O/F比=1.4

(b)O/F比=2.4

(a)O/F比=1.4

(b)O/F比=2.4

3.2 發動機性能變化規律

圖8給出了發動機內流道壁面壓強分布情況，p0為前方來流靜壓，p為內流道側壁面靜壓。表2給出了發動機性能參數，引射比(β)為二次空氣質量流量與主火箭質量流量比值，引射比提高比例(γ)以主火箭混合比1.4為基準；主火箭推力為主火箭射流膨脹至主火箭噴管出口截面所產生的推力；δ為各工況與相同馬赫數下主火箭推力與主火箭混合比為1.4主火箭推力之比；發動機內推力為包括進氣道、主火箭、燃燒室及內噴管在內的發動機內流道產生的推力，ε為各工況與相同馬赫數下主火箭混合比為1.4發動機內推力之比；RD-191液氧/煤油火箭發動機地面比沖約為3 028 N·s/kg，以相同推進劑流量(主火箭流量與二次燃料流量之和)的液體火箭發動機產生的推力為基準，定義RBCC發動機推力增益(Φi)=(RBCC內推力-火箭推力)/火箭推力。

圖7 Ma=1.5燃燒室總溫分布圖Fig.7 Total temperature profiles in combustor for Ma=1.5

(a)Ma=1.5

(b)Ma=2

Ma=1.5主火箭單獨工作情況下，燃燒室壓強在主火箭噴管出口至凹腔前壓強最高，經過凹腔后，富燃主火箭射流仍有一定的熱釋放，在凹腔下游，其壓強高于主火箭恰當比及貧燃工作工況。隨著主火箭混合比的增大，進氣道內的靜壓呈降低趨勢，發動機引射比逐漸增大。僅主火箭工作無二次燃料噴注時，混合比為1.4時，燃燒室壓強最高，但此時主火箭推力較低，與恰當比工作火箭相比，主火箭推力下降10.9%；恰當比工作時，雖然主火箭自身推力最高，但由于燃燒室內缺少熱釋放，燃燒室壓強較低，燃燒室積分推力較??；混合比為2.4時，主火箭推力與燃燒室壓強分布均不是最高，但其發動機性能最優。說明Ma=1.5時，兼顧主火箭推力和燃燒室推力，選擇合適的主火箭混合比，對提升發動機整體性能具有重要意義。

Ma=2僅主火箭工作時，隨著主火箭混合比的提高，引射比最大提高109.0%，主火箭流量較小，主火箭推力占總推力比重降低。主火箭混合比為1.4時，燃燒室下游室壓最高，發動機推力及比沖最高；混合比為2.4時，主火箭推力提升幅度不大，燃燒室壓強降低，使得其性能降低；混合比進一步提高至3.4時，主火箭推力降低量與燃燒室推力提高量基本一致，發動機整體性能基本不變。

Ma=1.5含二次燃燒時，燃燒室下游壓強迅速升高，并向燃燒室上游傳播，引射比下降明顯，結合總溫分布情況，燃燒室下游的放熱量逐漸增大，燃燒室推力隨燃燒室靜壓的提高而增大，但由于貧燃主火箭推力的下降，當混合比大于恰當比時，發動機推力及比沖均降低。再次說明兼顧主火箭推力及燃燒室推力對提升發動機整體性能的重要性，主火箭恰當比工作時，發動機性能最優，推力增益為22.0%，比沖為3 696 N·s/kg。

Ma=2含二次燃燒時，燃燒室壓強升高明顯，與僅主火箭工作相比，發動機推力及比沖均提高，貧燃程度越高發動機性能提升比例越大。進行二次燃燒組織時，隨著二次燃料流量的增大，燃燒室壓強提高幅度較小，說明在沒有凹腔增強摻混的情況下，引射模態可實現穩定燃燒，但仍需要摻混增強措施，以進一步提高燃燒室壓強，獲得發動機性能的提升。主火箭恰當比工作時，發動機性能最優，推力增益為36.6%，發動機比沖為4 136 N·s/kg。

在所研究主火箭混合比范圍內，僅主火箭工作時，飛行馬赫數1.5和2最優混合比分別為2.4和1.4。一方面，由于Ma=2時來流的沖壓作用更強，使得進入燃燒室的空氣流量增大；另一方面，由于Ma=2時主火箭的流量減小了1/3，小流量但富燃程度更高的主火箭射流與燃燒室內的空氣進一步燃燒，獲得更高的推力增益。在引射模態進氣道起動前的超聲速飛行階段，主火箭恰當比工作并匹配二次燃料噴注時，一方面主火箭推力最高；另一方面，二次燃燒組織使得燃燒室壓強獲得較大幅度提升，以此獲得了較高的推力增益，綜合作用使得主火箭恰當比工作并匹配二次燃燒時，發動機性能最優。

表2 RBCC發動機性能參數Table 2 RBCC engine performance

4 結論

(1)主火箭混合比為2.4無二次燃料噴注時，燃燒室出口氣流平均總溫最高，恰當比和貧燃主火箭可通過二次燃燒組織獲得高于富燃狀態的總溫，主火箭混合比影響主火箭射流溫度，并通過與引射空氣的摻混燃燒，與二次燃燒共同決定著燃燒室內的釋熱區間及壓強分布情況，進而影響引射比及發動機性能。

(2)無二次燃料噴注時，引射比隨混合比增大而增大，Ma=1.5、2時，引射比提升比例可達77.3%和109.0%，二次燃燒組織使得燃燒室下游壓強迅速升高并前傳，導致引射比迅速降低。雖然來流馬赫數大于1.5時，來流沖壓作用對引射量占主導作用，但主火箭混合比仍對引射比產生重要影響，主火箭混合比和二次噴油規律存在優化匹配的必要。

(3)在以亞燃和超燃模態為設計重點的受限流道內，主火箭恰當比工作可兼顧主火箭推力及燃燒室推力，從而獲得更高的發動機性能，Ma=1.5、2時，推力增益分別達到22.0%和36.6%，發動機比沖分別為3 696 N·s/kg和4 136 N·s/kg，在兼顧多模態的內流道中，主火箭混合比對提升引射模態超聲速段引射比及發動機性能具有重要影響。

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(編輯：崔賢彬)

《固體火箭技術》編委會主任侯曉當選中國工程院院士

侯曉，1963年11月生，中共黨員，我國固體火箭發動機專家，研究員，中國工程院院士，《固體火箭技術》第五、六屆編委會主任。畢業于西北工業大學，1990年獲得西北工業大學固體火箭發動機專業博士學位，畢業后分配到航天科技集團公司第四研究院工作，曾歷任航天四院41所研究室副主任、主任、副所長，四院科技委常委等職；現任航天四院副院長、四院科技委主任，西北工業大學兼職教授、博士生導師。

侯曉院士是我國自己培養的第一位固體發動機專業的工學博士，是中國固體推進技術的新一代領軍人物，國家某重點型號的副總設計師和發動機總設計師；他先后組織負責研發了國家多個重點型號的固體火箭發動機，成功攻克了多項關鍵技術難關；主持國家新型原材料的研發與應用研究，實現了我國戰略關鍵材料技術的國產自主化，一舉打破了國外在這方面的技術封鎖與壟斷！

侯曉院士理論基礎扎實、善于系統思維、工程實踐豐富、學風嚴謹務實，勇于開拓創新。多年艱辛的付出收獲了累累碩果和榮譽！他先后獲得國家科技進步特等獎1項，國家科技進步一等獎1項，國家科技進步二等獎1項，國防科技進步特等獎1項，國防和軍隊技術進步一等獎3項，在國內外期刊發表學術論文70余篇，授權發明專利7項；被評為航天科技集團公司有突出貢獻專家、陜西省優秀科技工作者、國防科技工業有突出貢獻的中青年專家、新世紀百千萬人才工程國家級人選；享受國家級政府特殊津貼，是中國航天基金獎獲得者。

(榮元昭 郭金海 供稿)

Effect of primary rocket mixture ratio on ejection and combustion in RBCC configuration for multiple modes

LIN Bin-bin,PAN Hong-liang,YE Jin-ying,ZOU Xiang-rui,WANG Chao-yue

(Science and Technology on Combustion,Internal Flow and Thermal-Structure Laboratory,Northwestern Polytechnical Univ.,Xi'an 710072,China)

CFD method was used to examine effects of primary rocket mixture ratio on the ejection and combustion in the whole flow field in a center-strut Rocket Based Combined Cycle (RBCC) engine at supersonic flight conditions.The simulations show that temperature of mixing flow at combustor outlet is the highest when primary rocket mixture ratio is 2.4 without the second fuel injection.Equivalence and fuel-lean primary rocket with secondary combustion could obtain higher total temperature than fuel-rich primary rocket.Mixture ratio is responsible for the heat release in combustor through affecting the primary rocket temperature,mixing and combustion with the ejector air flow.Inject ratio increases with the primary rocket mixture ratio without secondary combustion.The percentage between minimum and maximum inject ratio is 77.3% and 109.0% forMa=1.5 and 2,respectively.The secondary combustion increases combustor pressure of not only the downstream but also the upstream,as a result, injet ratio the decreases rapidly.Finally,in the confining combustor which is designed for ramjet and scramjet mode,the greatest engine performance is obtained with equivalence primary rocket,thrust argumentation is 22.0% and 36.5%,meanwhile specific impulse is 3 696 N·s/kg and 4 136 N·s/kg forMa=1.5 and 2,respectively.It could be concluded that primary rocket mixture ratio plays an important role to improve inject ratio and engine performance at supersonic flights for a RBCC configured in multiple modes.

rocket based combined cycle (RBCC);ejector mode;primary rocket;mixture ratio;bypass ratio

2015-03-31；

：2015-06-08。

林彬彬(1985—)，男，博士生，研究領域為航空宇航推進理論與工程。E-mail：linbb33@163.com

V438

A

1006-2793(2015)06-0804-07

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.010