吸气式空气涡轮冲压(Air Turbo Ramjet,简称ATR)发动机是一种吸气式涡轮基组合推进系统。国外从上世纪八十年代开始对ATR发动机开展了全面的理论和试验研究,国内相关研究才刚刚起步。ATR发动机是一个复杂的系统,它的总体方案设计包含热力、气动和机械等多种学科的复杂耦合关系,是一个典型的多学科问题。有鉴于此,本文针对ATR发动机的数学模型和多学科设计方法开展了理论研究。论文建立了ATR发动机性能计算模型、燃气热力性质计算模型以及旋转部件径向尺寸计算模型;以此为基础,对ATR发动机稳态、过渡态性能进行仿真,对带预冷、带回热的ATR发动机全包线性能进行仿真,对旋转部件尺寸进行了估算;最后,建立了综合气-固-热的ATR发动机多学科总体设计方法,并对不同推进剂的ATR发动机总体方案进行了分析研究。本文主要工作及研究结论有以下几个方面:1、ATR发动机数学模型研究本文根据ATR发动机的结构特点,采用部件级建模方法建立了ATR发动机稳态和过渡态总体性能计算模型,并以Aerojet公司公布的试验数据对模型进行了验证。验证结果表明本文开发的性能模型具有较高的精度,可以很好地模拟ATR发动机稳态和过渡态性能。为了拓展推进剂选取范围,本文根据吉布斯自由能法建立了ATR发动机燃烧产物热力性质计算模型,用于计算不同液体双组元推进剂在燃气发生器中一次燃烧和后燃室中二次燃烧产物的热力性质。本文结合表征旋转部件效率与气动负荷关系的Smith图建立了ATR发动机旋转部件径向尺寸估算模型。旋转部件径向尺寸模型以ATR发动机性能仿真模型计算结果以及部件效率确定的气动负荷作为边界条件,计算得到合理的旋转部件尺寸以保证设计部件效率的实现。2、ATR发动机性能仿真研究在上述模型基础上,本文开发了ATR发动机性能仿真软件,并使用该软件对液氧-液氢ATR发动机稳态设计点、全包线稳态非设计点以及过渡态性能进行了模拟。稳态计算结果表明液氧-液氢ATR发动机在全包线内具有很高的燃气比冲性能以及较高的空气比冲性能。但为了保证ATR发动机在全包线内稳定工作,需要通过调节喷管喉部面积来保证足够的压气机喘振裕度。对液氢预冷ATR发动机性能进行仿真,仿真结果显示加入液氢预冷器可以极大的拓展ATR发动机工作范围,但存在燃油浪费的问题。对带回热ATR发动机进行重新设计和仿真,仿真结果显示加入回热器后ATR发动机燃气比冲得到了极大的提升。过渡态计算结果表明ATR发动机具有良好的加速性,同时由于其自身结构特点具有良好的加速稳定性。尺寸估算结果表明,由于一次燃烧产物的做功能力很强,液氧-液氢ATR发动机的涡轮的进出口面积变化较小。3、ATR发动机多学科设计研究本文基于性能模型、燃气热力性质计算模型和旋转部件尺寸计算模型建立了综合热力、气动以及机械强度的ATR发动机多学科总体设计方法。使用该方法对液氧-液氢、液氧-甲烷、液氧-煤油以及过氧化氢-煤油四种推进剂ATR发动机进行了方案设计。设计结果表明:液氧-液氢ATR发动机拥有最高的燃气比冲性能、较低的涡轮末级动叶叶根应力,但相同压气机压比下涡轮级数是其它推进剂ATR发动机的两倍,同时拥有最大的涡轮一动外径,因此更适用于大型飞行器。其它几种推进剂则更适用于小型飞行器。