组合循环(RBCC)推进技术.docx

组合循环(RBCC)推动技术

[英文名称]Rocket-BasedCombined-CycleTechnology[定义]

RBCC推动技术根本概念

RBCC推动系统是火箭发动机与吸气式发动机的集成,是这两类发动机组合成的一体化推动系统。典型的RBCC发动机,如支架喷射(Strutjet)RBCC发动机随着从起飞助推、大气层内、冲出大气层和大气层外不同阶段飞行速度的提高,在同一流通通道内,相继承受5种模态工作。

(1)引射火箭或火箭/冲压发动机亚声速燃烧模态(Ma＝0～2.5);(2)冲压发动机亚声速燃烧模态(Ma＝2.5～5);

冲压发动机超声速燃烧模态(Ma＝5～8);

上升大气层中超声速燃烧冲压/火箭模态(Ma＝8～12);(5)大气层外单纯火箭模态(Ma＝12～25)。

RBCC发动机的分类

RBCC的根本动身点是结合火箭的高推重比和吸气式发动机的高比冲和高效率,提高航天推动系统的性能。航天推动系统在大气层中工作时承受吸气式推动技术,与全火箭推动系统相比,将削减自带氧化剂的数量。假设RBCC推动系统通过削减自带氧化剂所降低的质量超过该系统构造转变所增加的质量,就可以降低推动系统起飞时的总质量,从而进一步提高推动系统的推重比。

航天推动系统的发动机起飞总质量比WR与发动机空质量OWE(起飞总质量减去推动剂质量)、所需燃料质量Wf以及自带氧化剂与燃料质量之比(O/F)三种参数之间存在如下关系:

WR＝1＋Wf/OWF×(1＋O/F)

依据推动系统需要自带氧化剂的多少和发动机总质量比的凹凸,目前国外已经提出的RBCC技术方案大致可以分为管道火箭和火箭冲压发动机、液化空气循环火箭和深冷空气火箭发动机、火箭/双模态冲压组合发动机、液化或深冷空气火箭/超燃冲压组合发动机、液化或深冷空气火箭/双模态冲压组合发动机等几种类型。

管道火箭和火箭冲压发动机

管道火箭利用火箭的高压排气引射空气,但空气与排气掺合后,空气中的氧未被利用进行补燃就排动身动机,这样排气质量虽有增加,但出口速度降低了。火箭冲压和管道火箭的区分在于火箭冲压还进一步利用被引射空气中的氧进展补燃。过去始终认为,这类发动机在起飞助推阶段(Ma＝0～1)的推力增益小于1;但超声速飞行时,推力增益则显著增加。近年来国外的争论得出起飞助推阶段这类发动机的推力增益同样可以大于1的结论，试验结果说明其推力增益能够到达1.13。管道火箭和火箭冲压发动机适于在Ma＜5～6时工作,能够节约燃料、提高比冲，但不能明显削减自带氧化剂质量.因而还不能显著降低推动系统的起飞总质量。

液化空气循环发动机和深冷火箭发动机

液化空气循环发动机(LACE)和深冷火箭发动机都用氢燃料冷却空气,利用空气中的氧替代火箭发动机中的氧化剂。这类发动机充分利用燃料的热沉、作功力量和化学能,在热力循环上是一体化的,但在空气冷却的程度上两者有区分:LACE需要液化空气,因而冷却所需的

液氢流量通常是最大的;深冷空气火箭发动机只需冷却到液化前的气体状态,可以节约很大的液化热沉。分析认为,当飞行速度为Ma＜6时,因进气滞止后的温度上升不多这类发动机能够制备较多的液化或深冷空气,推动系统自带氧化剂数量较少,O/F≈1～2;假设在整个放射飞行过程中都承受这类发动机,则推动系统自带的氧化剂较多,O/F≈2.5～3.5。

火箭/亚、超燃双模态冲压组合发动机

火箭/双模态冲压组合发动机是国外目前争论最广泛的型超群声速推动技术,该发动机随着飞行速度的提高,在几何调整的同一流通通道内,可以先后承受前述的5种工作模态工作。

目前,美国、俄罗斯的火箭/双模态冲压发动机已经进入飞行演示验证研制阶段。这类发动机能够到达O/F≈3，平均燃料比冲Isp≈500s,构造质量比PFR≈0.2,总质量比可降低到WR≈6～2.5,既能够用于大气层内的加速和加速/巡航飞行任务,如超群声速;也能够用于将有效载荷送入地球轨道的航天运输任务。

液化或深冷空气火箭/超燃冲压组合发动机

这类发动机可以使O/F≤2,并能更好地实现火箭发动机的大推力与吸气式冲压发动机高比冲的结合,更适合于空天飞机的推动任务。

液化或深冷空气火箭/双模态冲压组合发动机

液化或深冷空气火箭/双模态冲压组合发动机承受液化空气分别和提纯系统,在低Ma数飞行时通过液化和提纯将含有90%氧的液化空气储存起来,供火箭冲出大气层时使用。而富含氮气的空气作为旁路随即向后排放,供给额外推力。这类发动机在RBCC方案中是利用空气中的氧最抱负的方案,可使O/F,WR≈2.5;但也是研制难度最大的RBCC方案。

上述5种RBCC方案中,第一类管道火箭和火箭冲压发动机只是在化学能利用方面实现了组合,