CN101749143A - 一种脉冲爆震发动机次推进剂的分布式喷注机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲爆震发动机次推进剂的分布式喷注机构，其特征在于：喷注杆的内部为形成容腔的通孔结构，喷注杆的外表面设有等螺距的半圆形螺旋槽，沿着螺旋槽底部，设有与容腔相通的喷注孔；在喷注杆的外圈，嵌入螺旋槽中缠绕有螺旋，螺旋上设有若干个次喷注孔。本发明的分布式喷注机构，能很好地解决当主、次推进剂同轴喷注时，主、次推进剂无法充分均匀混合的问题。根据主、次推进剂当量比和雾化质量要求，可以选择适当的次推进剂容腔压力、喷注孔孔径和分布密度，保证孔中心距大于孔径的二倍即可。由于主推进剂轴向填充速度可以很快，而且次推进剂的分布式喷注能让主、次充分混合，从而可提高脉冲爆震发动机的工作频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲爆震发动机次推进剂的分布式喷注机构，涉及发动机技术领域，尤其是一种应用于脉冲爆震发动机推进剂供给系统的推进剂分布式喷注机构。
背景技术
脉冲爆震发动机是一种利用周期性爆震波产生的高温、高压燃气发出的冲量来产生推力的非稳态推进装置，当工作频率达到较高的频率时可以认为能够产生稳定的推力，一般要求能够达到100Hz以上。因而如何提高脉冲爆震发动机的工作频率是很多研究者努力的方向。
不管是火箭式脉冲爆震发动机还是吸气式脉冲爆震发动机，基本上都是双组元推进系统。对于吸气式脉冲爆震发动机，空气将占据燃烧室体积的绝大部分，气体燃料或者液体燃料相对体积较小；对于火箭式脉冲爆震发动机，通常采用液氧/气氢、氧气/煤油等系统。不管采用哪一种系统都存在一种推进剂体积比较大的情况，我们称其为主推进剂，另一种称为次推进剂，如吸气式发动机中的气体燃料或液体燃料，液氧/气氢的液氧，氧气/煤油中的煤油均为次推进剂。
具有经典循环过程的脉冲爆震发动机，一端开口，另一端间歇喷注主推进剂和次推进剂，然后点火起爆，爆震波传出爆震室，然后填充隔离气体，进入下一个循环。脉冲爆震发动机由于上一个循环中已燃气体膨胀后仍具有很高的温度，因此在重新喷注推进剂之前必须填充相当体积的隔离气体。以氧气为主推进剂、煤油为次推进剂的脉冲爆震火箭发动机，必须使用惰性气体如氮气作为隔离气体，隔离气体的存储和喷注需要一套单独的系统，因而降低了发动机的比冲和有效载荷。
国内外大量脉冲爆震发动机模型试验研究中都采用电磁阀来实现主推进剂和次推进剂的间歇供给，但电磁阀存在频率与供给能力的矛盾，而使用高频小流量电磁阀实现推进剂分布式供应时，还面临电磁阀供电难度大和由于电磁阀个体差异无法保证工作完全一致的问题。国内外研究者也开发了旋转阀应用于脉冲爆震发动机，旋转阀结构复杂，主推进剂和次推进剂的供给时序无法灵活改变。
脉冲爆震发动机的起爆方法有两种：直接起爆和间接起爆。直接起爆能在起爆的瞬间产生爆震波，但要求很高的起爆点火能量，间接起爆是一种基于由爆燃向爆震转变的起爆方法，通常在发动机内使用爆震增强装置加速由爆燃向爆震转变的过程，爆震增强装置的冷却和使用寿命成为研究者关心的一个问题。
以空气为主推进剂、汽油为次推进剂的吸气式脉冲爆震发动机，主、次推进剂均采用无阀自适应供给，但主、次推进剂的喷注压力不同，当燃烧室内压力降低时，总是先喷注单一推进剂而不是主、次推进剂的可燃混合物，因此不需要另外的隔离气体。存在的问题是：当主、次推进剂同轴喷注时，主、次推进剂无法充分均匀混合；当主、次推进剂分别由轴向、径向对撞喷注时，主、次推进剂混合较充分，但填充速度降低。
目前，Shchelkin螺旋是脉冲爆震发动机中最常用的爆震增强装置，由于无法对Shchelkin螺旋进行冷却，在使用一段时间后Shchelkin螺旋因烧蚀变形而失效。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种脉冲爆震发动机次推进剂的分布式喷注机构，该喷注机构也是脉冲爆震发动机的爆震增强装置，同时，次推进剂可对喷注机构进行冷却，可以提高脉冲爆震发动机的工作频率。
技术方案
一种脉冲爆震发动机次推进剂的分布式喷注机构，其特征在于包括喷注杆2、螺旋槽3、喷注孔4、螺旋5和次喷注孔6；喷注杆2的内部为形成容腔的通孔结构，喷注杆的外表面设有等螺距的半圆形螺旋槽3，沿着螺旋槽底部，设有与容腔相通的喷注孔4；在喷注杆2的外圈，嵌入螺旋槽中缠绕有螺旋5，螺旋5上设有若干个次喷注孔6；所述的螺旋5为圆形绕丝，自喷注杆2固定端以绕丝的一半突出螺旋槽3的方式缠绕，长度为螺旋5螺距的6-8倍；其余部分绕丝为半圆形，且与半圆形螺旋槽3外沿平齐；所述喷注孔4或次喷注孔6的直径小于0.5mm，两孔中心间距大于孔径的二倍；所述的喷注孔4与次喷注孔6数量相等。
所述螺旋槽3的半圆形槽的半径不大于喷注杆2半径的1/2。
一种具有次推进剂分布式喷注机构的爆震室，其特征在于包括次推进剂的分布式喷注机构和爆震室；爆震室为圆筒状，一端为主推进剂喷注面板，另一端为敞口结构；分布式喷注机构的喷注杆2一端穿过并固定于喷注面板中心，螺旋5穿过喷注面板；分布式喷注机构沿爆震室中心轴延伸至爆震室出口，长度与脉冲爆震发动机爆震室长度相等，分布式喷注机构的喷注杆2的外径与爆震室内径之比不大于2/3，喷注杆2上的螺旋槽3的螺距与爆震室直径相等。
有益效果
本发明提出的一种脉冲爆震发动机次推进剂的分布式喷注机构，能很好地解决当主、次推进剂同轴喷注时，主、次推进剂无法充分均匀混合的问题。主推进剂由主推进剂喷注面板轴向喷注，当主推进剂和高温废气的界面传播到脉冲爆震发动机燃烧室出口时，螺旋驱动机构驱动螺旋5沿螺旋槽3向前移动，使得螺旋槽内所有的次推进剂喷注孔4与螺旋上所有的次推进剂次喷注孔6完全重合，次推进剂喷入充满主推进剂的燃烧室中，从而瞬间形成双组元可爆混气。根据主、次推进剂当量比和雾化质量要求，可以选择适当的次推进剂容腔压力、喷注孔孔径和分布密度，保证孔中心距大于孔径的二倍即可。次推进剂喷注完成后，螺旋驱动机构驱动螺旋5沿螺旋槽3向后移动，使螺旋槽内的次推进剂喷注孔4与螺旋上的次推进剂次喷注孔6再次错开。由于主推进剂轴向填充速度可以很快，而且次推进剂的分布式喷注能让主、次充分混合，从而可提高脉冲爆震发动机的工作频率。
本发明中，螺旋5在靠近脉冲爆震发动机主推进剂喷注面板一端突出螺旋槽3，作为爆震增强装置，当爆燃向爆震转变完成后，为减小流动损失，螺旋5不再突出螺旋槽3，而是刚好与螺旋槽外沿平齐。根据实验研究，突出螺旋槽的螺旋部分长度为脉冲爆震燃烧室直径的6～8倍。同时，次推进剂可对喷注机构进行冷却，从而增加喷注机构的使用寿命。解决了由于无法对Shchelkin螺旋进行冷却，在使用一段时间后Shchelkin螺旋因烧蚀变形而失效的难题。
附图说明
图1：本发明的具有次推进剂分布式喷注机构的爆震室的结构图
图2：本发明A部分的局部放大图
图3：本发明的分布式喷注机构中喷注杆2的结构图
图4：本发明的分布式喷注机构中螺旋5的结构图
图5：本发明的具有次推进剂分布式喷注机构的爆震室的实施例结构图
1.次推进剂容腔，2.喷注杆，3.螺旋槽，4.螺旋槽内与容腔相通的次推进剂喷注孔，5.螺旋，6.螺旋上的次推进剂喷注孔，7.爆震室
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1如图4所示：爆震室为圆筒状，一端为主推进剂喷注面板，另一端为敞口结构；爆震室的长度为1800mm，直径为60mm。分布式喷注机构的喷注杆2一端穿过并固定于喷注面板中心，螺旋5穿过喷注面板；分布式喷注机构沿爆震室中心轴延伸至爆震室出口，长度为1800mm。分布式喷注机构的喷注杆2的外径与爆震室内径之比等于1/3，喷注杆2上的螺旋槽3的螺距与爆震室直径相等。
本实施例的分布式喷注机构包括喷注杆2、螺旋槽3、喷注孔4、螺旋5和次喷注孔6；喷注杆2的内部为形成容腔的通孔结构，内孔直径为10mm，喷注杆的外表面设有等螺距的半圆形螺旋槽3为26个，螺旋槽3的半径为4mm，沿着螺旋槽底部，设有与容腔相通的喷注孔4，喷注孔4的直径为0.4mm；在喷注杆2的外圈，嵌入螺旋槽中缠绕有圆形绕丝螺旋5，螺旋5上设有若干个次喷注孔6，次喷注孔6的直径为0.4mm；所述的螺旋5自喷注杆2固定端以绕丝的一半突出螺旋槽3的方式缠绕，长度为螺旋5螺距的8倍；其余部份绕丝为半圆形，且与半圆形螺旋槽3外沿平齐；所述喷注孔4或次喷注孔6的两孔中心间距大于孔径的二倍；所述的喷注孔4与次喷注孔6数量相等。
脉冲爆震发动机爆震室的左端面为主推进剂喷注面板，右端为爆震室出口。当爆震室内压力低于主推进剂喷注压力时，主推进剂由主推进剂喷主面板轴向喷注。次推进剂喷注机构固定在主推进剂喷注面板的中心，沿爆震发动机爆震室中心轴延伸至爆震室出口。次推进剂容腔1与次推进剂供给系统相通。当主推进剂和高温废气的界面传播到脉冲爆震发动机爆震室出口时，螺旋驱动机构驱动螺旋5沿螺旋槽3向前移动，使得螺旋槽内所有的次推进剂喷注孔与螺旋上所有的次推进剂喷注孔完全重合，次推进剂喷入充满主推进剂的爆震室中，从而瞬间形成双组元可爆混气。次推进剂喷注完成后，螺旋驱动机构驱动螺旋5沿螺旋槽3向后移动，使螺旋槽内的次推进剂喷注孔与螺旋上的次推进剂喷注孔再次错开。此时在靠近脉冲爆震发动机主推进剂喷注面板一端点火，突出螺旋槽3的螺旋5加速燃烧由爆燃向爆震转变，转变完成后，为减小流动损失，螺旋5不再突出螺旋槽3，而是刚好与螺旋槽外沿平齐，分解图可更清楚地看到这种螺旋结构，如图3所示。根据实验研究，突出螺旋槽的螺旋部分长度为脉冲爆震发动机爆震室直径的6～8倍。同时，次推进剂可对喷注机构进行冷却，从而增加喷注机构的使用寿命。
Claims (3)
1.一种脉冲爆震发动机次推进剂的分布式喷注机构，其特征在于包括喷注杆(2)、螺旋槽(3)、喷注孔(4)、螺旋(5)和次喷注孔(6)；喷注杆(2)的内部为形成容腔的通孔结构，喷注杆的外表面设有等螺距的半圆形螺旋槽(3)，沿着螺旋槽底部，设有与容腔相通的喷注孔(4)；在喷注杆(2)的外圈，嵌入螺旋槽中缠绕有螺旋(5)，螺旋(5)上设有若干个次喷注孔(6)；所述的螺旋(5)为圆形绕丝，自喷注杆(2)固定端以绕丝的一半突出螺旋槽(3)的方式缠绕，长度为6-8倍螺旋(5)螺距；其余部份绕丝为半圆形，且与半圆形螺旋槽(3)外沿平齐；所述喷注孔(4)或次喷注孔(6)的直径小于0.5mm，两孔中心间距大于孔径的二倍；所述的喷注孔(4)与次喷注孔(6)数量相等。
2.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机次推进剂的分布式喷注机构，其特征在于：所述螺旋槽(3)的半圆形槽的半径不大于喷注杆(2)半径的1/2。
3.一种具有次推进剂分布式喷注机构的爆震室，其特征在于包括次推进剂的分布式喷注机构和爆震室；爆震室为圆筒状，一端为主推进剂喷注面板，另一端为敞口结构；分布式喷注机构的喷注杆(2)一端穿过并固定于喷注面板中心，螺旋(5)穿过并固定于喷注面板；分布式喷注机构沿爆震室中心轴延伸至爆震室出口，长度与脉冲爆震发动机爆震室长度相等，分布式喷注机构的喷注杆(2)的外径与爆震室内径之比不大于2/3，喷注杆(2)上的螺旋槽(3)的螺距与爆震室直径相等。
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