高总焓来流条件下高速旋转固体燃料冲压发动机自点火与稳焰机理研究

The high-speed ramjet kinetic energy projectile using solid fuel ramjet as power plant is a new short-range and small caliber projectile, but both the reliability of self ignition and flame stability are a major bottleneck restricting the development of the new kinetic energy projectile. As a starting point, the mechanism of the self ignition and flame stabilization of the solid fuel in high-speed ramjet kinetic energy projectile under the condition of high-speed rotation and high total enthalpy inflow are studied in this project. The mathematical methods and physical models of self ignition process of solid fuel in the launch process are established, and the mechanism of self ignition of solid fuel under the condition of high-speed rotation and high total enthalpy inflow is revealed. The mathematical methods and physical models of the combustion retiring process of solid fuel are established, and the mechanism of flame stabilization of solid fuel under the condition of high-speed rotation and high total enthalpy inflow is revealed. The ramjet direct experiment with the high-speed rotation and high total enthalpy inflow are build and to verify the mechanism of self ignition and flame stabilization of solid fuel. The research project is to provide the theory and technical support for improving the self ignition consistency and flame stabilization of solid fuel, which has important academic significance and engineering value.

高速冲压推进动能弹是一种采用固体燃料冲压发动机作为动力装置的新型近程小口径防空动能弹，然而自点火可靠性、火焰稳定性是制约该类新型防空动能弹发展的主要瓶颈。本项目以此为出发点，深入开展高速冲压推进动能弹中固体燃料在高速旋转、高总焓来流条件下的自点火和火焰稳定机理研究。建立发射过程中固体燃料自点火过程的数学方法和物理模型，揭示在高速旋转、高总焓来流条件下固体燃料的自点火机理；建立固体燃料燃烧退移过程的数学方法与物理模型，揭示在高速旋转、高总焓来流条件下固体燃料的火焰稳定机理；建立可进行高速旋转的高总焓来流冲压发动机直联式实验台，验证高速旋转条件下固体燃料的自点火、火焰稳定机理。本项目的研究成果为提高高速冲压推进动能弹中固体燃料的自点火一致性、火焰稳定性提供理论与技术支撑，具有重要的学术意义和工程应用价值。

高速冲压推进动能弹是一种采用固体燃料冲压发动机作为动力装置的新型近程小口径防空动能弹。在给定射程下，使用固体燃料冲压发动机作为动力能使高速冲压推进动能弹飞行时间缩短，弹道平直，更容易瞄准目标，同时也大幅度增加了终点动能，增加打击力度。本项目针对高速冲压推进动能弹应用基础中亟待解决的科学问题开展研究工作。采用了理论研究、数值模拟和实验研究相结合的方法，建立了固体燃料冲压发动机工作过程的数学模型和物理模型，以及相应的高总焓条件固体燃料冲压发动机直连式试验台，揭示了揭示了固体燃料自点火建压的过程与机理以及固体燃料火焰稳定的机理，主要的研究结果如下：（1）采用静止网格法模拟了自点火过程，发现自点火最先发生在突扩台阶和再附着点直接的区间，点火延迟时间低于1ms；堵盖打开前，燃烧室内出现了剧烈的气流振荡。（2）采用动网格法模拟自点火过程，分析了不同发射初速下自点火规律，出炮口速度越高，自点火越容易发生，并且燃烧室压力振荡减弱；不同时间打开堵盖对燃烧室内流场稳定影响不大；（3）突扩台阶高度变化对燃烧室内的压力、稳定、马赫数都会有影响，随着来流马赫数的增大，燃烧室压力逐渐增大，总压回复系数急剧降低。（4）通过试验研究表明，燃烧室压力会直接影响固体燃料冲压发动机的自点火过程，低压情况自点火可靠性不高，压力太低时发动机无法实现自点火，但燃烧室压力的大小对固体燃料燃速基本没有影响；根据进气流量大小的不同，发动机工作存在稳定燃烧、振荡燃烧、自点火临界三种状态。随着进气流量的增大，固体燃料的平均燃速随着增加；补燃室对固体燃料的燃速影响并不大，燃速随进气流量和来流总温的增大而增大。本项目的研究成果为提高高速冲压推进动能弹中固体燃料的自点火一致性、火焰稳定性提供理论与技术支撑，具有重要的学术意义和工程应用价值。