氨燃料吸气式变循环发动机性能分析

针对飞行马赫数0～10的宽域飞行器对吸气式动力的需求,提出了一种以氨为燃料和冷却剂的宽域吸气式变循环发动机,其工作模态可有3种:涡轮模态、预冷模态和冲压模态.首先通过对该发动机各模态热力循环过程进行建模,计算得到发动机比推力、比冲和总效率等性能参数,初步验证其在马赫数0～10范围内工作的可行性;然后,选取甲烷和正癸烷为低温低密度和煤油类碳氢燃料的典型代表,对比各模态下氨与碳氢燃料发动机的性能差异.结果表明,由于氨突出的当量总热沉和当量热值,飞行马赫数3～5的预冷模态发动机性能各指标均优于碳氢燃料.在涡轮模态和冲压模态下,氨燃料发动机比冲较低,但比推力和总效率优于碳氢燃料;最后,对比分析各类燃料马赫数0～10宽域工作特性,发现氨预冷可以显著提升发动机比推力,特别在高马赫数范围,再生冷却通道内氨可发生裂解反应大量吸热并分解为氢气和氮气,会进一步提升发动机比推力和比冲,且不会堵塞冷却通道,因此可胜任飞行马赫数0～10的宽范围飞行需求.而煤油类碳氢燃料受限于比推力低和裂解结焦问题,最高工作马赫数难以超过8.本文提出的氨燃料吸气式变循环发动机,当量冷却能力强且比推力高,适合用于二级入轨飞行器的一级动力、高马赫数宽域吸气式飞行以及未来高超声速民航等场景.