本發明涉及超聲速飛行器設計，特別是一種適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機。

背景技術：

1、基于斜爆轟燃燒的斜爆轟推進系統(ode)因其放熱速率快、熱循環效率高、工作范圍寬等特點，在航空航天領域受到越來越多的關注，其可行性和優越性在早期的研究中得到了證實，是適用于比超燃沖壓發動機飛行馬赫數更高的吸氣式超聲速飛行器。

2、不同于傳統燃燒，斜爆轟燃燒是基于強激波壓縮實現自點火，能夠在毫米量級尺度下實現快速的化學能向熱能的轉變。因此，斜爆轟推進系統具有結構簡單緊湊、高速飛行性能優越等工程應用優勢，是空天動力領域的研究熱點和發展趨勢。然而斜爆轟的起爆和駐定條件極其苛刻，穩定運行工況受飛行狀態影響十分明顯，因此實現斜爆轟推進系統的靈活平穩啟動和穩定動力輸出是一項極具挑戰性的工作。

3、影響斜爆轟波駐定的因素有很多，如：來流預混可燃氣燃料當量比、來流溫度和壓力、來流馬赫數和楔面角度。對于給定的楔面角度，當燃燒室來流馬赫數在一定范圍內變化時，斜爆轟可以駐定燃燒，同時起爆時間和起爆距離也隨之變化。目前已有的斜爆轟燃燒室多采用平直楔面結構，或通過在沿著來流方向上設置凸起等結構來加速起爆，這在一定程度上增加了流動損失，此外該結構的楔面沿著燃燒室寬度方向不發生變化，這使燃燒室中斜爆轟成功起爆的角度范圍較小，因此該類型結構適用的斜爆轟駐定馬赫數范圍較小。

4、斜爆轟駐定范圍的大小反映了斜爆轟波穩定燃燒的難易程度，它與來流條件和燃燒室結構等因素直接相關，其中對于寬域飛行條件下的斜爆轟發動機，燃燒室內楔面結構的設計直接決定斜爆轟的起爆效率和駐定范圍。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明的目的在于提供一種適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機及設計方法，該斜爆轟發動機通過燃燒室的三維曲形楔面結構實現超聲速下的寬域穩定飛行。

2、為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、本發明提供的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，所述斜爆轟發動機的燃燒室下表面被設置為楔面，所述燃燒室的楔面在垂直于流動方向上采用曲面結構設計，使得楔面的角度在垂直于燃燒室入口來流方向上連續變化。

4、進一步，所述燃燒室的楔面前緣形狀為直線，楔面后緣為曲線。

5、進一步，所述曲面為變楔角曲面。

6、進一步，所述曲面在垂直于進氣方向取截面，所述截面的輪廓形狀為若干平滑曲線的組合。

7、進一步，所述變楔角曲面采用n型或/和u型曲面。

8、進一步，所述燃燒室內在垂直于來流方向上不同位置的楔角在(θ1,θ2)之間連續變化，所述θ1的取值范圍是15-30度，θ2的取值范圍是20-40度；其中，θ1為燃燒室內楔曲面與燃燒室上表面之間距離的最大位置對應的最小楔角；θ2為燃燒室內楔曲面與燃燒室上表面之間距離的最小位置對應的最大楔角。

9、進一步，所述楔面的角度變化(θ1,θ2)在駐定范圍(θdet,cj,θdet,max)內，其中，θdet,cj為chapman-jouguet斜爆轟發生時對應的楔面角度；θdet,max為斜爆轟波不脫體條件下所對應的最大楔面角度。

10、進一步，所述曲面形成的楔面角度的變化范圍為0-15度。

11、進一步，所述燃燒室產生的斜爆轟波的角度在垂直于楔面方向的角度變化為0-20度。

12、進一步，所述燃燒室的入口來流的馬赫數在3-15之間。

13、本發明的有益效果在于：

14、本發明提供的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，所述斜爆轟發動機的燃燒室下表面被設置為楔面，所述燃燒室的楔面在垂直于流動方向上采用曲面結構設計，使得楔面的角度在垂直于燃燒室入口來流方向上連續變化。本發明提供的斜爆轟發動機通過三維曲形楔面燃燒室的結構設計，使燃燒室在垂直于來流方向上的不同位置形成角度連續變化的楔面，其不同位置具有不同的起爆角度，從而實現局部爆點的快速觸發，并加速整個燃燒室內斜爆轟波的形成與發展。

15、通過n形或/和u形三維曲形楔面結構的燃燒室設計，以適應發動機不同運行工況下的多變來流狀態，提高了基于斜爆轟燃燒的超聲速推進系統在寬域飛行條件下的燃燒室穩定運行工況范圍和推進性能，在保證快速穩定點火的同時提高了燃燒室的通流面積，減少了燃燒室中流動壓力損失，最終實現超聲速下的斜爆轟發動機的快速點火和寬域高效飛行。

16、本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書來實現和獲得。

技術特征：

1.適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述斜爆轟發動機的燃燒室下表面被設置為楔面，所述燃燒室的楔面在垂直于流動方向上采用曲面結構設計，使得楔面的角度在垂直于燃燒室入口來流方向上連續變化。

2.如權利要求1所述的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述燃燒室的楔面前緣形狀為直線，楔面后緣為曲線。

3.如權利要求1所述的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述曲面為變楔角曲面。

4.如權利要求1所述的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述曲面在垂直于進氣方向取截面，所述截面的輪廓形狀為若干平滑曲線的組合。

5.如權利要求3所述的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述變楔角曲面采用n型或/和u型曲面。

6.如權利要求4或5所述的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述燃燒室內在垂直于來流方向上不同位置的楔角在(θ1,θ2)之間連續變化，所述θ1的取值范圍是15-30度，θ2的取值范圍是20-40度；其中，θ1為燃燒室內楔曲面與燃燒室上表面之間距離的最大位置對應的最小楔角；θ2為燃燒室內楔曲面與燃燒室上表面之間距離的最小位置對應的最大楔角。

7.如權利要求6所述的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述楔面的角度變化(θ1,θ2)在駐定范圍(θdet,cj,θdet,max)內，其中，θdet,cj為chapman-jouguet斜爆轟發生時對應的楔面角度；θdet,max為斜爆轟波不脫體條件下所對應的最大楔面角度。

8.如權利要求1所述的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述曲面形成的楔面角度的變化范圍為0-15度。

9.如權利要求1所述的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述燃燒室產生的斜爆轟波的角度在垂直于楔面方向的角度變化為0-20度。

10.如權利要求1所述的適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其特征在于：所述燃燒室的入口來流的馬赫數在3-15之間。

技術總結
本發明公開了一種適用于超聲速寬域運行工況下的斜爆轟發動機，其燃燒室下表面被設置為楔面，燃燒室的楔面在垂直于流動方向上采用曲面結構設計，使得楔面的角度在垂直于燃燒室入口來流方向上連續變化。本發明提供的斜爆轟發動機通過三維曲形楔面燃燒室的結構設計，使燃燒室在垂直于來流方向上的不同位置形成角度連續變化的楔面，其不同位置具有不同的起爆角度，從而實現局部爆點的快速觸發，并加速整個燃燒室內斜爆轟波的形成與發展。通過三維曲形楔面結構的燃燒室設計，提高了基于斜爆轟燃燒的超聲速推進系統在寬域飛行條件下的燃燒室穩定運行工況范圍，在保證快速穩定點火的同時提高了燃燒室的通流面積，減少了燃燒室中流動壓力損失。

技術研發人員：王朔,郭虹伯
受保護的技術使用者：北京理工大學重慶創新中心
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24