（航空宇航科学与技术专业论文）镁基燃料水冲压发动机理论分析与试验研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 水冲压发动机属新概念推进系统，采用高能金属燃料，利用海水作为氧化剂， 具有比冲高、结构简单和安全性好等优点，是满足未来水中兵器高航速和远航程 的最佳动力系统。本文以镁基燃料水冲压发动机为研究对象，采用理论分析、数 值模拟和试验研究相结合的方法，对发动机工作过程及性能开展系统研究，实现 了发动机稳定工作，提高了发动机性能，为发动机设计提供了理论基础。 在分析水冲压发动机工作过程基础上，建立了发动机热力循环模型，应用热 力计算方法研究了金属燃料配方、工作参数及凝相产物对发动机理论性能的影响， 分析了壅塞式和非壅塞式发动机构型性能调节能力，重点研究了非壅塞式构型性 能调节特点和规律。 建立了镁基燃料水冲压发动机一维两相多组分反应流计算模型，推导了镁水 化学反应动力学模型，进行了发动机流场一维数值模拟，通过与试验结果对比分 析，对程序有效性进行验证并修正模型，分析了稳态工作时发动机一次和两次进 水流场特性，为在设计阶段快速获得性能参数提供了研究手段。 建立了发动机内三维多相湍流仿真模型，开展了发动机内流场三维数值模拟 研究，分析了一次与两次进水后发动机内燃烧流动过程，将仿真结果与试验测量 结果比较，验证了模型正确性，为研究发动机构型及工作参数对性能影响提供了 理论基础。 通过发动机内三维数值模拟，研究了进水量、射流速度、进水孔数、雾化液 滴直径、进水位置及发动机结构等因素对发动机性能的影响，得到不同构型和进 水参数下发动机内流场分布及性能变化规律，为合理设计发动机和提高发动机性 能提供了理论依据。 设计了水冲压发动机试验系统及发动机，提出了工作参数设计及试验数据处 理方法，通过试验研究了镁基燃料一次燃烧性能，实现了发动机进水后稳定工作， 研究了四种发动机构型、一次水燃比和燃速等对发动机工作过程和燃烧效率的影 响，进行了发动机两次进水试验，显著提高了发动机性能，试验结果为水冲压发 动机研制与应用提供了重要技术支撑。 本文研究成果将促进镁基燃料水冲压发动机应用技术的发展，对未来高速水 中兵器动力系统研究具有重要理论价值和工程实践意义。 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学何论文 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博+ 学位论文 a b s t r a c t w a t e rr a m j e ta san e w c o n c e p tp r o p u l s i o ns y s t e mt a k e sh i g h e n e r g ym e t a lf u e la n d u s e sw a t e ra so x i d i z e r f o rm e r i t so fh i g hs p e c i f i ci m p u l s e ，s i m p l es t r u c t u r ea n dg o o d s a f e t y ，i ti st h eb e s tp r o p u l s i o ns y s t e mf o r t h ef u t u r es u b a q u e o u sw e a p o no fh i 曲s p e e d a n dl o n gv o y a g e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f o c u s i n go nt h em a g n e s i u m b a s e df u e lw a t e r r a m j e t , t h eo p e r a t i o np r o c e s sa n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n ea r ei n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l yu s i n g t h em e t h o do ft h e o r y a n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t t h es t a b l eo p e r a t i o no ft h ee n g i n ei sa c h i e v e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei s i m p r o v e dr e m a r k a b l y t h er e s u l t sc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no fw a t e r r a m j e t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eo p e r a t i o np r o c e s so fw a t e rr a m j e t ，t h em o d e lo f t h e r m a lc y c l i n gi se s t a b l i s h e d t h ei n f l u e n c e so fm e t a lf u e l c o m p o s i t i o n ，w o r k p a r a m e t e r s a n dc o n d e n s a t i o np h a s ep r o d u c to nt h et h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c ea r e r e s e a r c h e db yt h e r m a lc a l c u l a t i o n t h ea b i l i t yo fp e r f o r m a n c ea d j u s t m e n to ft h ec h o k e d a n du n c h o k e dw a t e rr a m j e ti sa n a l y z e d ，a n dt h eu n c h o k e dw a t e rr a m j e ti ss t u d i e di n d e t a i l t h el - d ，t w op h a s e s ，m u l t is p e c i e sa n dr e a c t i n gf l o wm o d e lo fm a g n e s i u m b a s e d f u e lw a t e rr a m j e ti se s t a b l i s h e d ，a n dt h ec h e m i c a ld y n a m i c sm o d e lo fm a g n e s i u m - w a t e r i sd e r i v a t e d t h ef l o wf i e l do ft h ee n g i n ei sc a l c u l a t e db a s e do nt h e1 一ds i m u l a t i o n m o d e l t h r o u g hc o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s 、) l ，i t h t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h e v a l i d i t yo fp r o g r a mi sv a l i d a t e da n dt h em o d e li sm o d i f i e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e f l o wf i e l di sa n a l y z e dw h e nt h ee n g i n eo p e r a t e ss t a b l ya f t e ro n c ea n dt w i c ew a t e r i n j e c t i o n t h ep r o g r a mc a np r o v i d er e s e a r c hm e a n s f o ro b t a i n i n gp e r f o r m a n c e p a r a m e t e rq u i c k l y a tt h ed e s i g ns t a g e t h e3 一dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm a g n e s i u m b a s e dw a t e rr a m j e ti sd e v e l o p e d b a s e do nt h e3 - d ，m u l t i - p h a s et u r b u l e n ts i m u l a t i o nm o d e l t h ep r o c e s so fc o m b u s t i o n a n df l o wa f t e ro n c ea n dt w i c ew a t e ri n j e c t i o ni nt h ee n g i n ei sa n a l y z e d t h em o d e li s v a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，a n di ti st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o ri n v e s t i g a t i n gt h e i n f l u e n c e so fs t r u c t u r ea n dw o r kp a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo fw a t e rr a m j e t 第i i i 页 同防科学技术大学研究生院博士学位论文 t h ev a r i e t yl a wo ft h ep e r f o r m a n c ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l o wf i e l df o rt h e w a t e rr a m j e ta l eo b t a i n e dt h r o u g h3 一dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n tw o r k p a r a m e t e r ss u c ha sw a t e ri n j e c t i o nm a s s ，v e l o c i t y ，p o s i t i o n ，n u m b e ro ft h eo r i f i c e ，t h e d i a m e t e ro ft h ea t o m i z a t i o nd r o p l e ta n dt h es t r u c t u r eo ft h ew a t e rr a m j e t t h er e s u l t sc a n p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g n i n gt h ee n g i n er e a s o n a b l ya n di m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c e t h ee n g i n ea n dt h es y s t e mf o rw a t e rr a m j e te x p e r i m e n ta l ed e s i g n e d ，a n dt h e m e t h o do ft h eo p e r a t i o np a r a m e t e rd e s i g na n de x p e r i m e n td a t ah a n d l i n ga r ea l s o p r e s e n t e d t h eo n c ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c eo fm a g n e s i u m b a s e df u e l i ss u r v e y e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a f t e rr e a l i z i n gt h es t a b l ew o r ko ft h ee x p e r i m e n te n g i n e ，t h e i n f l u e n c et h a tf o u rs t r u c t u r e so ft h ee n g i n e ，o n c ew a t e r f u e lr a t i o ，a n dt h eb u mr a t eo f t h ef u e lm a k eo no p e r a t i o np r o c e s sa n dt h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo ft h ee n g i n ea le r e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n to ft w i c ew a t e ri n j e c t i o ni sd e v e l o p e d ，a n da sar e s u l tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ee x p e r i m e n tw a t e rr a m j e ti si m p r o v e dr e m a r k a b l y t h ee x p e r i m e n t r e s u l t sc a np r o v i d ei m p o r t a n tt e c h n i c a ls u p p o r tf o rm a n u f a c t u r i n ga n da p p l y i n gt h e w a t e rr a m j e t t h ec o n c l u s i o n sa c h i e v e di nt h ed i s s e r t a t i o nw i l ls u r e l yp r o m o t et h ea p p l i c a t i o no f t h em a g n e s i u m - b a s e dw a t e rr a m j e t t h e r e f o r et h er e s e a r c hw i l lb eo fg r e a tt h e o r e t i c a l v a l u ea sw e l la se n g i n e e r i n gp r a c t i c em e a n i n gf o rt h ep r o p u l s i o no ft h ef u t u r eh i g h s p e e ds u b a q u e o u sw e a p o nr e s e a r c h k e yw o r d s - w a t e rr a m j e t ，m a g n e s i u m - b a s e df u e l ，o p e r a t i o np r o c e s s ，m u l t i - p h a s e t u r b u l e n tc o m b u s t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d i r e c t c o n n e c tt e s t 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图目录 图1 1 超高速雷示意1 图1 2 超高速雷结构示意3 图1 3 超高速雷航行示意。3 图1 4 漩涡燃烧器示意。4 图1 5 漩涡燃烧器试验图4 图1 6 美国超高速雷模型4 图1 7 美国超高速雷剖面图。4 图1 8 论文组织结构图1 2 图2 1 镁基燃料水冲压发动机结构示意15 图2 2 发动机一次进水理想循环1 6 图2 3 发动机二次进水理想循环1 6 图2 4 燃烧温度及比冲随镁含量变化1 9 图2 5 气相燃烧产物及单质镁质量分数随镁含量变化1 9 图2 6 燃烧温度及水燃比随镁含量变化1 9 图2 7 最佳比冲及对应水燃比随镁含量变化1 9 图2 8 比冲随水燃比变化2 0 图2 9 燃烧室温度随水燃比变化2 0 图2 1 0 发动机比冲随水燃比变化2 2 图2 1 1 凝相质量分数随水燃比变化2 2 图2 1 2 壅塞式发动机构型示意2 3 图2 1 3 非壅塞式发动机构型示意。2 3 图2 1 4 水燃比随巡航深度变化。2 5 图2 1 5 水燃比随巡航速度变化2 5 图2 1 6 燃烧温度随巡航深度变化：。2 5 图2 1 7 燃烧温度随巡航速度变化。2 5 图2 18 燃烧室压强随巡航深度变化：2 5 图2 1 9 燃烧室压强随巡航速度变化2 5 图2 2 0 发动机比冲随巡航深度变化。2 6 图2 2 1 发动机比冲随巡航速度变化2 6 图3 1 一维有限控制体示意。2 9 图3 2 模型发动机结构示意j 3 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 3 气相质量流率及液滴质量变化沿轴向分布3 8 图3 4 组分摩尔数沿轴向分布3 8 图3 5 燃烧室温度沿轴向分布3 8 图3 6 发动机压强及马赫数沿轴向分布3 8 图3 7 气相质量流率及燃烧室温度沿轴向分布3 9 图3 8 组分摩尔数沿轴向分布3 9 图3 9 两次喷水的液滴质量变化沿轴向分布3 9 图3 1 0 不同水燃比下比冲变化规律3 9 图4 1 试验发动机计算网格划分4 6 图4 2 理想状态下发动机内燃气温度分布( k ) 一4 7 图4 3 发动机截面温度沿轴向变化4 7 图4 4 组分质量分数沿轴向变化4 7 图4 5 试验发动机内燃气温度分布( k ) 4 9 图4 6 试验发动机液滴直径沿轴向变化规律( 聊) 5 0 图4 7 试验发动机中心对称面流线图5 0 图4 8 试验发动机h 2 0 组分质量分数分布51 图4 9 试验发动机m g 组分质量分数分布5 l 图4 1o 试验发动机h 2 组分质量分数分布51 图4 1 1 两次进水发动机计算网格划分5 2 图4 1 2 一次进水液滴直径沿轴向变化规律一5 2 图4 13 二次进水液滴直径沿轴向变化规律5 3 图4 1 4 两次进水发动机内燃气温度分布( k ) 5 3 图4 1 5 两次进水发动机h 2 0 组分质量分数分布5 3 图4 1 6 两次进水发动机m g 组分质量分数分布5 3 图4 17 两次进水发动机h 2 组分质量分数分布5 4 图4 18 两次进水发动机截面温度沿轴向变化一5 4 图4 19 两次进水发动机截面组分质量分数沿轴向变化一5 4 图4 2 0 两次进水发动机截面化学反应速率沿轴向变化5 4 图4 2 1 两次进水发动机截面液滴蒸发速率沿轴向变化5 4 图5 1 不同一次水燃比下液滴蒸发效率沿轴线变化5 8 图5 2 不同一次水燃比下镁燃烧效率沿轴线变化5 8 图5 3 不同一次水燃比下发动机内燃气温度分布( k ) 5 9 图5 4 不同一次进水射流速度下液滴蒸发效率沿轴向变化6 0 图5 5 不同一次进水射流速度下镁燃烧效率沿轴向变化6 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 6 不同一次进水射流速度下发动机内燃气温度分布( k ) 6 0 图5 7 液滴直径6 叽聊时发动机内h 2 0 组分质量分数分布6 l 图5 8 不同一次进水雾化液滴直径下镁燃烧效率沿轴向变化6 2 图5 9 不同一次进水雾化液滴直径下液滴蒸发效率沿轴向变化6 2 图5 1 0 不同一次进水孔数下发动机内h 2 0 组分质量分数分布6 3 图5 1 1 不同一次进水孔数下镁燃烧效率沿轴向变化。6 4 图5 1 2 不同一次进水孔数下液滴蒸发效率沿轴向变化6 4 图5 13 不同二次水燃比下镁燃烧效率沿轴向变化。6 5 图5 1 4 不同二次水燃比下液滴蒸发效率沿轴向变化6 5 图5 1 5 不同二次水燃比下液滴蒸发速率沿轴向变化6 5 图5 1 6 不同二次水燃比下发动机内温度沿轴向变化6 5 图5 1 7 不同二次进水雾化液滴直径下蒸发效率沿轴向变化6 7 图5 1 8 不同二次进水雾化液滴直径下发动机内温度沿轴向变化6 7 图5 1 9 不同两次进水距离下镁燃烧效率沿轴向变化6 8 图5 2 0 不同两次进水距离下液滴蒸发效率沿轴向变化6 8 图5 2 l 不同蒸发室长度下液滴蒸发速率沿轴向变化6 9 图5 2 2 不同蒸发室长度下液滴蒸发效率沿轴向变化。6 9 图5 2 3 构型一( c a s ea ) 发动机计算网格划分7 0 图5 2 4 构型二( c a s eb ) 发动机计算网格划分7 0 图5 2 5 不同构型发动机镁燃烧效率沿轴向变化7 0 图5 2 6 不同构型发动机截面温度沿轴向变化7 0 图5 2 7 不同构型发动机内燃气温度分布。7 1 图5 2 8 不同构型发动机内对称面燃气轴向速度分布7 1 图6 1 管路供应系统示意7 4 图6 2 试车台架结构简图及发动机安装示意7 5 图6 3 控制指令发布台7 5 图6 4 不同直径颗粒燃烧长度随水燃比变化7 8 图6 5 不同压强下颗粒燃烧长度随水燃比变化7 8 图6 6 试验发动机设计图7 9 图6 71 m p a 下燃烧波结构8 2 图6 82 m p a 下燃烧波结构8 2 图6 92 m p a 下一次燃烧火焰8 2 图6 103 m p a 下一次燃烧火焰8 2 图6 1 l 金属燃料一次燃烧熄火燃面残渣s e m 。8 3 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学何论文 图6 1 20 1 号试验压强时间曲线8 5 图6 1 30 1 号试验喷水前尾焰录像8 5 图6 1 40 1 号试验喷水瞬间尾焰录像。8 5 图6 1 50 1 号试验喷水后尾焰录像8 5 图6 1 60 2 号试验压强与流量曲线8 6 图6 1 70 2 号试验推力时间曲线8 6 图6 180 2 号试验发动机8 6 图6 190 2 号试验录像截图。8 6 图6 2 00 2 号试验后燃烧室照片8 7 图6 2 10 2 号试验后喉部照片- 8 7 图6 2 2 试验发动机构型一：8 8 图6 2 3 试验发动机构型二8 8 图6 2 4 试验发动机构型三8 8 图6 2 5 试验发动机构型四。8 8 图6 2 6 构型一试验后喉部照片。8 9 图6 2 7 构型一试验后燃烧室照片8 9 图6 2 8 构型一试验压强与流量曲线8 9 图6 2 9 构型一试验推力时间曲线8 9 图6 3 00 4 号构型二压强与流量曲线9 0 图6 310 5 号构型二压强与流量曲线9 0 图6 3 20 4 号试验录像截图( 仁7 s ) 9 0 图6 3 30 4 号试验录像截图( f 8 s ) 9 0 图6 3 4 构型三试验压强与流量曲线。9 1 图6 3 5 构型三试验推力一时间曲线- 9 1 图6 3 6 构型三试验后一次收敛段照片一9 1 图6 3 7 构型三试验后燃烧室照片一9 1 图6 3 8 构型四试验压强与流量曲线。9 2 图6 3 9 构型四试验补燃室温度曲线一9 2 图6 4 0 构型四试验后燃烧室照片：9 2 图6 4 1 构型四试验后注水室照片。9 2 图6 4 21 3 号低燃速燃料试验压强与流量曲线9 5 图6 4 31 3 号低燃速燃料试验后燃烧室照片9 5 图6 4 41 7 号试验压强与进水流量曲线。9 7 图6 4 51 7 号试验推力时间曲线9 7 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 4 61 7 号试验发动机照片9 7 图6 4 71 7 号试验后蒸发室照片9 7 图6 4 817 号发动机试验录像a 截图9 8 图6 4 917 号发动机试验录像b 截图9 8 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表3 1l 堙金属燃料理论计算一次燃烧产物组分及摩尔数一3 5 表3 2l 堙金属燃料理论计算一次燃烧产物简化后组分及质量分数3 6 表3 3 计算结果与试验结果对比3 6 表3 4 修正模型计算结果与试验结果对比3 7 表4 1 1 堙一次燃烧气相产物简化后主要组分及质量分数。4 6 表4 2 数值模拟与热力计算结果对比4 8 表4 3 数值模拟与试验结果对比4 9 表5 1 不同一次水燃比的计算算例5 8 表5 2 不同一次进水射流速度的计算算例5 9 表5 3 不同一次进水雾化液滴直径的计算算例6 l 表5 4 不同一次进水孔数的计算算例6 2 表5 5 不同二次水燃比计算结果对比6 4 表5 6 不同二次进水雾化液滴直径计算结果对比6 6 表5 7 不同两次进水距离计算结果对比6 7 表5 8 不同蒸发室长度计算结果对比6 9 表6 1 金属燃料一次熄火燃面残渣仪器分析8 3 表6 2 发动机及氧弹试验一次燃烧残渣化学分析。8 4 表6 3 工作时间内辨识结果与试验结果对比分析8 7 表6 4 发动机构型试验结果对比8 8 表6 5 不同一次水燃比下发动机试验结果对比9 3 表6 6 不同燃速下发动机试验结果对比9 4 表6 7 不同总水燃比下发动机试验结果对比9 6 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：璧基燃越丕独厘筮动扭堡论坌逝墨这验硒究 学位论文作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：送基缝料丞泣匡筮麴扭堡诠筮抚生达验硒究 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期： 日期： 年月 日 年月日 望竺：! 兰些查查兰些垒尘墼坚圭兰篁尘兰 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 纵观我国海洋周边环境，我国正面临着国家统一、海洋主权及安全等方面的 多元威胁，打赢现代技术条件下的高技术局部战争是我困海军现在及将来必须面 对的艰巨任务。为提高我困海洋军事实力，构建水r 作战优势与能力，迫切需要 研制高速突防、高效毁伤和小受干扰的水下攻卅性武器。美国在 2 0 0 0 2 0 3 5 年美 目海军拙术中指出，“先进技术的发展和新武器的出现将会影响海军末来的作 战方式和政变海军组成。建立在先进巡航动力推进技术上的超高速鱼雷将会影响 鱼雷作战模式和效果”。巡航动力推进系统是超高速雷的“心脏”，其研究对超 高速雷战技指标实现具有决定性作用，是超高速雷发展的迫切需求。超高速霄示 意如图1 1 所示。 助推发动机增速发动机巡航动力推进系统进水口 图1 1 超高速雷示意 水冲压发动机采用高含量金属燃料并利用雷外海水作为氧化荆，比冲可望达 到固体火箭发动机的2 倍左右，具有体积小、重最轻、结构简单和安全性能好等 优点，能够满足超高速雷巡航动力推进系统要求。水冲压发动机技术的突破必将 带来水中兵器领域的技术变革，势必形成海军新的末来进攻和防御作战样式。 水冲压发动机是一种全新概念发动机，其工作过程极为复杂，涉及到冲压进 水、水流量稳定与分配、水喷射雾化、液滴蒸发、多相湍流掺混、水与金属反应 等物珲化学过程， 述复杂过程相互耦合，给发动机内部工作机理研究带来很大 困难。掌握水冲压发动机工作原理和数值仿真方法，分析工作参数对发动机性能 的影响，实现发动机稳定工作，提高发动机比冲及燃烧效率，是发动机设计中必 须突破的关键技术。 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 本文根据水冲压发动机应用需求，围绕发动机基础问题和试验技术展开研究， 研究成果将为水冲压发动机研究提供必要的理论指导和技术储备，促进发动机应 用技术发展，拓展喷气推进系统应用范围，加速水冲压发动机研制。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 水冲压发动机是超高速雷的关键技术之一，发达国家较早开始相关研究，我 国目前仍处于起步阶段。由于技术保密，国外关于金属燃料水冲压发动机研究的 相关文献较少，但相关研究领域的成果如冲压发动机性能分析、多相湍流数值模 拟和试验研究为本文研究提供了有益借鉴。 1 2 1 水冲压发动机及其应用 为满足超高速雷高航速、远航程和空泡稳定需求，其巡航动力推进系统应具 有能量密度高、比冲高、工作时间长等特点。7 0 砌是采用螺旋桨推进方式鱼雷不 可逾越的速度极刚1 1 ，超高速雷巡航动力系统因而必须采用喷气推进方式，固体火 箭发动机虽满足鱼雷推力要求，但由于自身携带氧化剂与燃烧剂，推进剂能量受 到限制，难于满足航程要求。对多种动力装置( 包括柴油机、电动机、原子动力 装置、高速柴油机及燃气轮机等) 比较后，俄罗斯专家得出结论：“只有燃烧金 属燃料、并利用海水作为氧化剂及用燃烧生成物作冷却剂的高效燃气轮机或喷气 推进系统才是推进超空泡航行器实现最高速度的最佳途径”【2 j 。 前苏联( 俄罗斯和乌克兰) 最早开展水冲压发动机及其金属燃料应用研究， 率先突破关键技术。1 9 9 5 年在阿布扎比国际防务展览会上俄罗斯展出了s h k v a le ( “暴风雪 ) 超高速雷，其结构组成及航行示意图如图1 2 和图1 3 所示。该雷 直径5 3 3 m m ，航速2 0 0 k n ，航程1 0 o n ，采用固体火箭发动机作为启动发动机将鱼 雷导引至攻击深度，然后镁基金属燃料药柱水冲压发动机点火，鱼雷以超高速直 航弹道攻击目标。最新消息称新型“暴风雪”鱼雷已实现高速制导和机动，目前 仍在继续开展提高发动机工作效率和空泡减阻效果的研究。 美国2 0 世纪4 0 年代提出了采用铝水反应作为鱼雷推进系统的概念，6 0 年代 开始了进一步研究【3 】【4 】，但由于铝与水点火困难，到目前为止仍未见将发动机应用 于具体鱼雷型号的报道，其发动机研究工作主要由宾州大学应用研究实验室 ( a r l ) 承担【5 】。发动机燃料供应方式与俄罗斯不同，采用固态金属颗粒与水在漩 第2 页 国防科 技术人学研究生院博十学位论文 涡燃烧器中反应产生推力。漩涡燃烧器是一圆形带喷嘴的容器，金属颗j = 立与水沿 燃烧器外圆剀向喷入，在燃烧器中形成一个离心流化床，在剧烈扰动区域，固体 颗粒碰撞使- - d , 部分铝表面暴露出来，与水发生剧烈放热反应，放出热量加热并 熔化余属颗粒，旋流的剪切力持续减小熔化的铝液滴直径，使未反应的金属颗粒 表面进一步暴露并与水反应。图14 为漩涡燃烧器示意图，图l5 为宾州大学的漩 涡燃烧器试验截图。美国】f 着力研究将水冲压发动机应用于超高速雷，2 0 0 2 年6 月在意大利托斯佩奇亚城召jr 的围防水下防御技术展示会上展出了其超高速雷模 型( 见图16 ) ，剖视图如图1 7 所示。 图1 2 超高速雷结构示意 图1 3 超高速雷航行示意 由于技术保密和车事上的敏感性，还未见其他国家关于水冲压发动机研究的 公，f 文献。我崮从上世纪9 0 年代开始，从多方向收集水冲压发动机、金属燃料及 其应用等方面的资料，中船7 0 5 所、7 18 所、航天科技集团p q 院、两北r 业大学、 航天科工集团三院和国防科技大学等单位对发动机工作原理、发动机工作过程、 金属燃料等开展了前期探索性研究。 第3 顶 垦坠坠兰些奎奎兰；竺堑尘堑里圭茎篁兰兰 蹦i 媚 融曼渤 图1 4 漩涡燃烧器示意图15 漩涡燃烧器试验图 图1 6 美国超高速雷模型图1 7 美国超高速雷剖面图 郝邯勇 6 1 介绍了铝水推进系统工作原理，总结了国内外研究现状，分析了挂术 发展趋势，提出了以金属燃料研究为重点的铝水推进系统研究思路。 张运刚等| 7 1 总结了围外金属燃料与水燃烧反应的研究方法和成果，对国内金属 燃料及发动机研究现状进行了介绍，展望了金属燃料与水反应的应用前景。 半是良等m 1 简述了水冲压发动机基本原理，阐述了金属燃料组成和特点，提出 了燃料组织形式、点火和燃烧性能调节等关键技术，总结了国内外金属燃料和水 冲压发动机研究进展，指出国内相关领域研究的不足和发展方向。 张文刚等”蚧绍了国内外金属基燃料研究情况，分析了金属燃料与水反应的多 种启动方法和工程应用前景。 王建儒等i 。o l 概进了水冲压发动机工作原理，针对铝水反应机理、金属燃料配 方和热力学分析等丌展了原理性研究。 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 2 2 水冲压发动机理论研究 近年来随着国内外对水冲压发动机研究的重视程度不断提高，逐渐出现了关 于发动机性能计算和内流场数值模拟等方面的文献。 t f m i l l e r 和j d h e 一1 1 】计算了铝基和镁基金属燃料与水反应理论性能，分 析了两相流损失对发动机性能的影响。 j a l i n n e l l 等【1 2 】对镁基金属燃料- - 氧化碳发动机进行了初步设计，计算了镁 基金属燃料理论性能，给出了镁颗粒燃烧时间计算经验公式，研制了含量高达8 1 的镁基金属燃料。 田维平等【1 3 】简述了水冲压发动机化学平衡和化学非平衡热力计算方法，计算 得到铝镁金属燃料发动机比冲和补燃室温度随水燃比变化规律，并与试验结果进 行了比较。 赵卫兵等 1 4 1 介绍了金属燃料体系，对镁基和铝基金属燃料与水反应能量特性 进行了计算，指出金属燃料实际应用中需要解决的问题。 罗凯、党建军等【1 5 】分析了单次和二次进水铝基金属燃料水冲压发动机系统， 得出燃烧室温度、有效推力等发动机性能指标，指出了二次进水方案的优越性。 李芳等【1 7 】运用热力计算方法对金属燃料能量特性进行了分析，与典型火箭 推进剂进行了比较，提出了双反应区模型，重点分析了铝基金属燃料自身燃烧特 性和加水后的反应特性，得到燃料配方对性能的影响程度及温度、特征速度和理 论比冲等性能参数随水燃比变化规律。 缪万波等【1 8 l 【1 9 介绍了水冲压发动机组织形式，采用最小自由能法对铝基金属 燃料理论性能进行了计算，得到发动机比冲与水燃比、工作压强等之间的关系。 陈思远等【2 0 】建立了水冲压发动机工作环境模型，利用化学动力学软件 c h e m k i n 对发动机中化学反应进行了计算，得到铝与海水和镁与海水反应平衡组 分、绝热燃烧温度等。 何洪庆等【2 1 】对水冲压发动机室压和含硼推进剂性能进行了估算。蒋雪辉等【冽 利用最小熵增法得到温度和热力学参数。李智欣等【2 3 】计算和分析了水参加反应和 不参加反应两种极限情况下的发动机性能。 田维平等1 2 4 1 采用三维两相n s 方程及湍流燃烧p d f 模型对铝镁复合燃料水冲 压发动机补燃室内流场进行了数值模拟，探讨了进水流量对发动机内流场的影响， 第5 页 国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 并将温度、压强等计算结果与试验结果进行了对比分析。 缪万波等2 5 】【2 6 1 针对燃气发生器式水冲压发动机构型，建立了补燃室内流场两 相反应计算模型，针对铝基金属燃料，研究了不同喷射雾化角、铝颗粒燃烧模型、 铝颗粒直径、一次喷注位置和喷注孔数对铝颗粒燃烧效率和性能的影响规律，得 到反