一種具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機，屬于航天設備【技術領域】。發動機外殼通過固定導向柱與整流頭相對固定，固定導向柱中設有氧化劑入口和燃料入口，外殼的前端為空氣入口。整流頭前體伸出發動機外殼的前端，其后體呈臺階式，插入外殼中，外殼的后端為喇叭形超聲速噴口。內殼通過固定環固定在整流頭的中部，其中設有燃料氧化劑混合噴注口，內殼與整流頭之間形成環型燃燒室，外殼與整流頭之間形成混合燃燒室。本發明的火箭沖壓組合發動機，減小了發動機燃燒室的尺寸，減輕組合發動機的重量，提高了動力系統的經濟性能。其中的環型燃燒室促使燃氣沿周向均勻噴出，有利于噴出的燃氣與空氣進行二次混合，提高了燃燒效率。
【專利說明】一種具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機，屬于航天設備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]火箭沖壓組合發動機的關鍵技術之一就是采用有效的引射火箭結構形式，更好的保證發動機在低速啟動狀態下，盡快實現燃料和空氣的充分混合，在盡可能短的燃燒室空間內實現燃燒，使得組合發動機在低速條件下能夠產生足夠大的推力，從而保證組合發動機低速階段的起飛動力。這對于實現組合發動機結構一體化、減輕結構重量具有重要的意義。近些年來，臨近空間作為衛星和航空器之間的空域，越來越多的被相關國家所重視。主要因為在此空間內大氣及其稀薄，且已經無法滿足吸氣式發動機的工作要求。然而為了能更好的利用這一空間，組合發動機的概念漸漸的浮現在人們面前。因為在這一空間，只有組合發動機能完全滿足高超聲速臨近空間飛行器技術需求。其中以火箭沖壓組合發動機和渦輪沖壓組合發動機尤為突出。然而在實際使用過程中，渦輪沖壓組合發動機的組成部件十分復雜，同時對渦輪發動機技術要求也過于苛刻；而火箭沖壓組合發動機的結構則相對簡單，同時引射火箭技術也更加成熟。火箭組合推進系統主要由流動通道和嵌于通道內的火箭發動機構成，火箭發動機可以置于流動中心或者側壁。流動通道根據各自發揮的功用可以分為進氣道、隔離段、燃燒室和尾噴管。組合發動機在大氣中利用空氣中的氧氣實現自主起飛和著陸，而自身攜帶的推進劑使其可在大氣外飛行。對于典型的火箭沖壓組合發動機來說，其主要經歷四個工作模態:引射模態、沖壓模態、超燃沖壓模態和純火箭模態。引射模態主要工作在0-3馬赫數，火箭以最大工作狀態工作，通過高溫燃氣引射二次空氣，提高發動機比沖和推力。在低速條件下，引射作用占主導作用，在較高馬赫數下則利用來流的沖壓作用。亞燃沖壓模態的工作速度范圍為3-6馬赫數。此時火箭發動機關閉或者以值班的方式低工況工作，主要利用來流沖壓組織亞聲速燃燒。進一步，在超燃沖壓模態，工作馬赫數在6-8范圍內，在流道內實現超聲速燃燒。其中引射工作模態決定著組合發動機能從靜止啟動到加速飛行。所以引射工作模態對組合發動機來說起著具足輕重的作用。然而引射火箭的工作特性直接關系到組合發動機引射工作模態的性能指標，如果要更好的發揮火箭沖壓發動機引射工作模態的性能，那么就需要對引射火箭結構以及噴口結構進行更好地設計。而這也是這些研究領域內的關鍵問題之一。
[0003]從目前的研究情況來看，比較常用的引射火箭結構主要是普通的圓管火箭發動機，主要置于流動中心或者側壁。其中單一的圓管火箭發動機基本都設置在組合發動機流動中心，而多管火箭發動機主要圍繞著流動中心均勻環繞分布，同時每個火箭發動機都是獨立工作的。此外，可以通過確定組合發動機的推力特性來確定火箭發動機的數目。但作為技術上可以實現或有益的探索性嘗試，以及技術實現難度方面的限制等原因，這些方案都存在一定的缺陷。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提出一種具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機，對已有的火箭沖壓組合發動機的結構進行改進，以實現較高的空間利用率及較短的燃燒室尺寸，同時提高引射火箭的引射效率，進一步提升組合發動機的整體性能。
[0005]本發明提出的具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機，包括發動機外殼、內殼、整流頭、固定導向柱和固定環；所述的發動機外殼通過固定導向柱與整流頭相對固定，固定導向柱中設有氧化劑入口和燃料入口，發動機外殼的前端為空氣入口 ；所述的整流頭前體伸出發動機外殼的前端，整流頭后體呈臺階式，臺階式整流頭后體插入發動機外殼中，發動機外殼的后端為喇機形超聲速噴口 ；所述的內殼通過固定環固定在整流頭的中部，固定環中設有燃料氧化劑混合噴注口，所述的空氣入口和氧化劑入口分別與燃料氧化劑混合噴注口相連通；所述的內殼與整流頭之間形成環型燃燒室，所述的發動機外殼與整流頭之間形成混合燃燒室。
[0006]本發明提出的具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機，其優點是，本發明的火箭沖壓組合發動機，很大程度上提高了引射火箭燃燒室的空間利用率，因此可以減小發動機燃燒室的尺寸，減輕組合發動機的重量，同時減小相關的零部件的尺寸，增加最終動力系統產品的機動性能，提高其動力系統的經濟性能。同時組合發動機中的環型燃燒室可以促使燃氣沿周向均勻噴出，有利于噴出的燃氣在混合混燃室中與空氣進行二次混合，以提高組合發動機經環形混合室進行二次補燃后的燃燒效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是本發明提出的具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機的結構示意圖。
[0008]圖2是圖1所示的發動機的A-A向剖視圖。
[0009]圖3是圖1所示的發動機中氧化劑入口和燃料入口處的局部放大圖。
圖4是圖1所示的發動機中，固定導向柱的截面圖。
[0010]圖1-圖3中，1是整流頭前體，2是空氣入口，3是氧化劑入口，4是燃料入口，5是固定導向柱，6是固定環，7是燃料氧化劑混合噴注口，8是環型燃燒室，9是發動機外殼，10是整流頭后體，11是混合燃燒室，12是超聲速噴口，13是內殼。
【具體實施方式】
[0011]本發明提出的具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機，其結構如圖1所示，包括發動機外殼9、內殼13、整流頭、固定導向柱5和固定環6。發動機外殼9通過固定導向柱5與整流頭相對固定，固定導向柱5中設有氧化劑入口 3和燃料入口 4，發動機外殼的前端為空氣入口 2，如圖2中所示。整流頭的前體1伸出發動機外殼9的前端，整流頭的后體10呈臺階式，臺階式整流頭后體10插入發動機外殼9中，發動機外殼9的后端為喇叭形超聲速噴口 12。內殼13通過固定環6固定在整流頭的中部，固定環6中設有燃料氧化劑混合噴注口 7，如圖3中所示。空氣入口 2和氧化劑入口 3分別與燃料氧化劑混合噴注口 7相連通。內殼13與整流頭之間形成環型燃燒室8，發動機外殼9與整流頭之間形成混合燃燒室11。
[0012]本發明的組合發動機中，固定導向柱5的截面為梭形，如圖4所示，梭形的長軸與發動機外殼的軸向相互平行。
[0013]本發明提出的具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機，將常用的兩種引射火箭結構有效的結合到火箭沖壓組合發動機的結構中，其中使用環形燃燒室的弓I射火箭結構，在一定程度上，提高了燃燒室空間利用率，減少了總壓損失。同時可以很大程度上縮短燃燒室的長度，從而減少組合發動機的長度。將環形燃燒室用于引射火箭，使得混合燃燒室的性能得到很大的提高。同時，在燃燒室的結構尺寸方面而言，也能夠大大降低燃燒室的結構尺寸，為設計性能更高的組合發動機提供技術儲備，最終能夠改善使用這些動力系統的飛行器的機動性能和整體性能。
[0014]本發明提出的具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機，其中的臺階式整流頭后體10降低進入臺階后的氣流速度，從而形成一個局部低速流動區域，該區域不但保證了穩定的點火源，同時還有效的提高燃料和空氣的有效混合。因此，與已有的使用單一火箭結構設計方案相比，本發明所提出的具有環型引射火箭結構的火箭沖壓組合發動機，提高了燃燒室空間利用率；使得燃氣沿周向均勻噴出，促使混合燃燒室的燃料和空氣充分混合；燃料噴射、混合、燃燒帶來的總壓損失較小；塞式臺階結構保證為混合燃燒室提供穩定的火源；燃燒室及組合發動機的結構尺寸大為減小；對使用該動力系統的高超音速飛行器帶來較高的性能和潛力。
[0015]以下結合附圖，介紹本發明提出的火箭沖壓組合發動機的工作原理和工作過程:
[0016]本發明火箭沖壓組合發動機的工作原理:將本發明的火箭發動機與吸氣式發動機組合在一起，組成一體化的推進系統。其中火箭沖壓組合發動機在飛行過程中一共具備四個工作模態:引射模態、亞燃沖壓模態、超燃沖壓模態和純火箭模態。其中引射工作模態關系到組合發動機地面低速下能否正常啟動。在引射工作模態下，通過引射火箭排放的高溫燃氣來對外界的空氣進行引射抽吸。而被吸入的空氣又與引射火箭所排出的高溫燃氣進行摻混，且混合氣中未燃燃料與空氣中的氧氣進行再次補充燃燒。由于在整個引射工作模態中，引射火箭和組合發動機擴壓段均產生了推力，所以從整體上提高組合發動機的推力。
[0017]本發明火箭沖壓組合發動機的工作過程:燃料和氧化劑通過管道注入環形燃燒室的混合噴注腔內，并通過燃料氧化劑混合噴注口 7高速噴入環形燃燒室8進行燃燒。環形燃燒室8內通過燃燒產生的高溫高壓燃氣加速排出，產生推力。同時所排出的高溫高壓燃氣產生引射抽吸作用，不斷的從組合發動機外通過空氣入口 2吸入空氣，所吸入的空氣與環形燃燒室8排出的高溫燃氣在混合燃燒室11內再次進行摻混燃燒，產生的高溫燃氣通過組合發動機外殼后部的超聲速噴口向外排出，產生推力。
【權利要求】
1.一種具有環型引射結構的火箭沖壓組合發動機，其特征在于該組合發電機包括發動機外殼、內殼、整流頭、固定導向柱和固定環；所述的發動機外殼通過固定導向柱與整流頭相對固定，固定導向柱中設有氧化劑入口和燃料入口，發動機外殼的前端為空氣入口 ；所述的整流頭前體伸出發動機外殼的前端，整流頭后體呈臺階式，臺階式整流頭后體插入發動機外殼中，發動機外殼的后端為喇機形超聲速噴口 ；所述的內殼通過固定環固定在整流頭的中部，固定環中設有燃料氧化劑混合噴注口，所述的空氣入口和氧化劑入口分別與燃料氧化劑混合噴注口相連通；所述的內殼與整流頭之間形成環型燃燒室，所述的發動機外殼與整流頭之間形成混合燃燒室。
2.如權利要求1所述的組合發動機，其特征在于其中所述的固定導向柱的截面為梭形，梭形的長軸與發動機外殼的軸向相互平行。
【文檔編號】F02K7/18GK104295406SQ201410224686
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】謝嶠峰, 王兵 申請人:清華大學