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第1章 总体背景1

1.1引言1

1.2历史概述2

1.2.1起源2

1.2.2 Nord-Aviation Griffon Ⅱ涡轮冲压发动机飞机4

1.2.3冲压发动机导弹6

1.2.4 NASA高超声速冲压发动机试验和X-15火箭发动机研究飞机9

1.2.5俄罗斯缩尺模型飞行试验10

1.2.6回顾11

1.3前瞻11

1.3.1德国Sanger航天运输系统13

1.3.2美国国家空天飞机15

1.4技术概述16

1.4.1冲压发动机17

1.4.2超燃冲压发动机17

1.4.3发动机与飞行器一体化18

1.4.4高超声速吸气式推进提出的挑战19

参考文献20

第2章 技术背景22

2.1引言22

2.2单位23

2.3大气飞行24

2.4大气25

2.4.1大气静温25

2.4.2空气［动力］黏度25

2.4.3空气热传导26

2.4.4大气静压27

2.4.5动压和高超声速飞行器飞行轨迹28

2.4.6单位面积自由流的质量流量30

2.4.7自由流雷诺数31

2.4.8自由流克努森（Knudsen）数32

2.4.9大气性质的代表值33

2.4.10告诫设计者33

2.5平衡空气化学34

2.5.1完全平衡与完全气体假设34

2.5.2空气平衡行为35

2.6气动热力学控制方程39

2.6.1假设40

2.6.2一般有限元控制体分析40

2.6.3一般微分控制体分析51

2.6.4 H-K图60

2.6.5超燃冲压发动机和冲压发动机气动热力学60

2.7计算流体动力学62

2.7.1 CFD在设计和分析中的作用64

2.7.2关于CFD的告诫65

2.7.3设计可信度67

2.7.4结束语70

2.8定义高超声速流71

参考文献73

习题75

第3章 高超声速航天系统性能80

3.1引言80

3.2吸气式发动机性能度量80

3.2.1比推力80

3.2.2比燃料消耗81

3.2.3比冲81

3.2.4燃料/空气比82

3.2.5吸气式发动机总体效率82

3.2.6性能度量间的相互关系84

3.2.7吸气式发动机性能度量举例85

3.3火箭性能度量86

3.4航天系统性能度量87

3.4.1燃料质量百分数88

3.4.2空机质量百分数96

3.4.3初始质量比97

3.4.4吸气式发动机要求的总体效率99

3.4.5多级飞行器100

3.5扼要重述104

参考文献105

习题105

第4章 高超声速吸气式发动机性能分析109

4.1引言109

4.2热力学闭循环分析111

4.2.1热力学循环效率113

4.2.2最大可允许压缩温度115

4.2.3燃烧室入口马赫数的限制116

4.2.4吸气式发动机性能度量117

4.3热力学第一定律分析119

4.3.1热力学过程假设120

4.3.2热力学过程分析120

4.3.3第一定律分析结果123

4.4气流推力分析127

4.4.1吸气式发动机未装机推力127

4.4.2部件分析129

4.4.3气流推力分析结果132

4.4.4组合超燃冲压发动机案例139

4.5态势评估141

参考文献142

习题142

第5章 压缩系统或部件145

5.1引言145

5.2压缩部件145

5.3压缩部件分析概述148

5.4压缩部件性能度量149

5.4.1总压比150

5.4.2动能效率151

5.4.3无量纲熵增153

5.4.4压缩部件性能度量小结155

5.5压缩部件性能155

5.5.1压缩部件流场分析155

5.5.2绝热压缩效率158

5.5.3边界层摩擦的影响159

5.5.4试验数据162

5.5.5由总体测量确定压缩效率164

5.5.6热交换对压缩效率影响169

5.6燃烧室进口压力170

5.7压缩部件空气动力现象172

5.7.1前缘斜激波几何172

5.7.2激波-边界层分离173

5.7.3进气道起动过程178

5.7.4进气道不起动183

5.7.5进气道隔离段183

5.7.6最大收缩比187

5.8压缩部件CFD算例188

5.8.1侧壁压缩进气道研究188

5.8.2出口气流的化学状态191

5.9结论194

参考文献194

习题196

第6章 燃烧系统过程和部件202

6.1引言202

6.1.1燃烧化学计量比202

6.2燃料和空气混合204

6.2.1基本概念和定义204

6.2.2燃料和空气在平行气流中混合205

6.2.3局部混合“良好度“的定量测量210

6.2.4湍流剪切层时间平均特性213

6.2.5湍流剪切/混合层混合216

6.2.6轴向混合“效率”220

6.2.7燃料法向注射混合222

6.2.8轴向旋涡混合223

6.2.9燃料和空气混合小结226

6.3燃烧化学227

6.3.1平衡的概念和定义227

6.3.2理想气体混合物热力学平衡228

6.3.3化学动力学232

6.3.4等压批反应物理和计算方法236

6.4混合与化学动力学的结合237

6.4.1轴向性质变化“一维化”239

6.4.2轴向燃烧效率240

6.5燃烧系统的气动热力学241

6.5.1双模态燃烧系统242

6.5.2双模态系统的因和果246

6.5.3隔离段控制体分析248

6.5.4燃烧室一维分析251

6.5.5隔离段-燃烧室相互作用系统分析257

6.5.6试验数据解释262

6.6燃烧室CFD算例269

6.7结束语275

参考文献277

习题280

第7章 膨胀系统或部件283

7.1引言283

7.2典型膨胀部件构型283

7.2.1理想高超声速喷管构型283

7.2.2高超声速膨胀系统构型286

7.3理想膨胀部件分析286

7.4膨胀部件性能290

7.5膨胀部件性能度量295

7.5.1总压比295

7.5.2速度系数296

7.5.3无量纲熵增297

7.5.4膨胀部件性能度量总结298

7.5.5试验资料300

7.5.6出口平面气流发散系数301

7.5.7毛推力系数301

7.5.8净推力系数302

7.5.9非平衡化学考虑303

7.6膨胀部件CFD算例306

7.7结论309

参考文献309

习题310

第8章 吸气式推进系统313

8.1引言313

8.2实际超燃冲压发动机性能313

8.2.1气流推力分析修改313

8.2.2气流推力分析结果314

8.3由动能效率估算性能316

8.4吸气式发动机装机推力319

8.4.1分体式或茧式吸气式发动机320

8.4.2一体化吸气式发动机322

8.4.3附加阻力和外部阻力323

8.5推力增量324

8.5.1引射冲压发动机325

8.5.2外部燃烧329

8.5.3燃料和氧化剂增富331

8.6组合循环吸气式发动机332

8.6.1涡轮冲压发动机333

8.6.2液化空气循环发动机338

8.6.3逆循环发动机342

8.7小结343

参考文献344

习题344

第9章 几个高超声速吸气式推进专题349

9.1引言349

9.2发动机结构349

9.3热应力362

9.3.1材料性质364

9.3.2热应变367

9.3.3壁温差367

9.4系统冷却要求367

9.4.1燃料性质369

9.4.2吸热燃料370

9.5环境影响372

9.5.1低空飞行372

9.5.2高空运行372

9.6发动机子系统377

9.7飞行器稳定性和控制379

9.8高超声速吸气式推进试验383

9.8.1连续流地面试验384

9.8.2暂冲式地面试验387

9.8.3脉冲流地面试验装置389

9.8.4磁流体动力加速器391

9.8.5飞行试验391

9.8.6仪器测量392

9.8.7 CFD算例：自由活塞激波风洞394

9.8.8何去何从395

9.9斜爆震波推进396

9.9.1斜爆震波发动机（ODWE）理论396

9.9.2冲压加速器399

9.10课程结束400

参考文献401

习题403

专门名词408

附录A417

A.1基本定义和常数417

A.2单位转换因子418

附录B美国标准大气（1976）419

B.1英制单位（BE）419

B.2国际单位（SI）422

彩图425