● 摘要
作为高超声速飞行器的动力方案，涡轮/冲压组合发动机具有可常规起降、重复使用、用途广泛、耐久性高、安全性好、可使用普通燃料、经济性好、环境污染小等特点，因此在航空发达国家得到了广泛的重视和研究。本文针对飞行马赫数范围为0～5，飞行高度范围为0～33公里的高超声速涡轮/冲压组合动力装置串联方案展开了研究。主要的研究内容包括：1. 组合发动机总体仿真模型的建模研究在VC++6.0仿真环境下首次集成设计了适于高超声速涡轮/冲压组合动力装置方案研究的总体数值仿真模型,并以HYPR实验数据对0维变循环组合发动机性能模型进行了校核。利用该模型，可完成飞机、组合发动机性能仿真，进气道、喷管1维气动结构设计及优化、组合发动机1维流路设计，组合发动机重量估算，进气道/组合发动机/喷管性能匹配多变量多目标规划等研究工作。2. 涡轮/冲压组合发动机串联方案设计针对串联布局的结构特点，提出了串联方案的初步设计原则以及设计步骤；利用拉丁正交实验设计和Newton-Raphson多变量多目标规划算法对涡扇/冲压模式转换过程的多变量控制进行数值模拟研究及涡扇/冲压模式平稳转换的过渡态仿真；通过对三套不同方案进行的多角度综合评估结果表明：组合发动机在涡扇模式设计点采用加力方案，有利于紧凑结构、减轻重量、缩小可调几何的调节范围以及消耗更少的燃油。3. 高超声速混压进气道/组合发动机/收扩喷管性能匹配研究为保证宽广工作范围内进气道/组合发动机性能匹配良好，通过二元高超声速混压进气道0维/1维的变维度缩放设计，得出了进气道可调几何调节的位置和数目；通过进气道/组合发动机/喷管多变量组合调节规律的一体化优化设计，沿飞行轨迹各工作点的安装推力得到了不同程度的改善；对二元收扩喷管进行了1维工程设计，并研究了喷管主要几何尺寸的调节对组合发动机推力系数的影响。4. 高超声速混压进气道/组合发动机/收扩喷管一体化设计方案研究通过综合上述研究成果，最后给出了进气道/组合发动机/喷管一体化设计方案，内容包括：进气道/组合发动机/喷管一体化设计方案的设计原则；进气道/组合发动机/喷管的主要设计参数和性能；经过进气道/组合发动机/喷管一体化优化设计的沿飞行轨迹各航段的多变量控制规律以及可调几何的调节范围；沿飞行轨迹组合发动机的安装性能、涡扇/冲压模式完成平稳模式转换过程的过渡态仿真结果；一体化设计方案的三维结构造型图、五个典型工作状态的二维气流通道示意图以及多个可调几何协同工作的二维结构示意图。