CN101975122A - 带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，包括：爆震燃烧室，具有入口和出口；与所述入口连通的进气道，进气道设计成使来流空气产生斜激波；与所述出口连通的尾喷管；设置在进气道内的等离子体发生器；磁流体发生器，设在进气道内且在等离子体发生器的气体下游；设在尾喷管内的磁流体加速器；设在爆震燃烧室内的燃烧喷射及点火装置；以及控制器，所述控制器用于控制爆震燃烧室入口的流体参数及其他能量分配系统。根据本发明实施例的驻定爆震发动机，在燃烧室内组织驻定爆震燃烧，燃烧要求的来流马赫数降低幅度可更小，即驻定爆震燃烧室入口马赫数可更高，而来流静温升高的幅值不是太高，有利于燃料燃烧化学能的注入。

Description

带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机

技术领域

本发明属于航空机械技术领域，尤其是涉及一种带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机。

背景技术

当前爆震燃烧技术被广泛地应用于推进技术研究，研究最多的当属脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)，其工作原理是向爆震室内周期性充填可燃混气，触发爆震燃烧后，产生高温高压的燃气，通过尾喷管排出产生推力。上述发动机周期性工作存在一定的弊端：首先，高频周期性点火触发爆震的难度较大，可靠性及长寿命工作受到限制；其次，间歇性冷态充填过程占用一个循环周期的时间较长，且不能产生正向推力。为了实现缓燃向爆震的转捩，爆震室内的助爆装置带来的推进性能损失较大；喷管出口非稳态流动特征导致高温气体的能量转换存在一定难度。

为了克服周期性点火带来的不稳定性，研究人员提出了一种在环形腔内组织爆震燃烧的旋转爆震发动机(Continuous Detonation Wave Engine，简称CDWE)，其一端(即推力壁)封闭，一端开启。通过推力壁(掺混头部)上的孔向燃烧室供给热混合物组分。这种环形燃烧室中，可组织垂直于混合物主气流方向上传播的一个或几个爆震波。实际上连续爆震发动机的概念与爆震管束布局的脉冲爆震发动机的概念相近，不同点在与混合物的供给压力相当高，适合用于火箭的工作模式，且爆震波在环形腔内的传播受到爆震波固有的物理特性约束，爆震室的几何特征尺寸受到严格的限制，成功组织爆震波在环形腔内的传播相当困难。

鉴于PDE和CDWE存在的固有缺陷，研究人员试图在爆震室内组织稳定爆震燃烧，以增加发动机燃烧室的容热强度，然而受到来流条件不稳定性影响，在爆震燃烧室内试图通过斜激波获得驻定爆震非常困难，因此，斜爆震发动机(Oblique Detonation Wave Engine，简称ODWE)，在近年来的研究过程中进展缓慢。

对于现有的飞行器，在超燃冲压发动机燃烧室内组织等压超音速燃烧，在高飞行的飞行马赫数条件下，发动机燃烧室内燃烧要求的来流马赫数降低幅度较大，即燃烧室入口马赫数不够高，且来流静温升高的幅值较高，不利于燃料燃烧化学能的注入。

发明内容

对于磁流体(Magneto、Hydro-Dynamic，简称MHD)技术在冲压发动机上的应用设想，最早由苏联人提出。磁流体可以控制来流条件，可以实现能量分流和综合利用。如果将磁流体与斜爆震发动机相结合，将可能在未来推进技术领域产生革命性的突破。

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，即为了进一步拓宽高超声速飞行器的飞行马赫数，解决在高飞行马赫数条件下、燃烧室入口流场参数的主动控制及燃烧室能量有效注入的问题，本发明提出了一种带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机。

根据本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，包括：爆震燃烧室，所述爆震燃烧室具有入口和出口；进气道，所述进气道与所述爆震燃烧室的入口相连通，所述进气道设计成使进入进气道的来流空气产生斜激波；尾喷管，所述尾喷管与所述爆震燃烧室的出口相连通；等离子体发生器，所述等离子体发生器设置在所述进气道内以对来流空气进行等离子化；磁流体发生器，所述磁流体发生器设在所述进气道内且设在所述等离子体发生器的气体下游以产生磁场；磁流体加速器，所述磁流体加速器设在所述尾喷管内；燃料喷射及点火装置，所述燃料喷射及点火装置设在所述爆震燃烧室内；以及控制器，所述控制器通过控制磁流体发生器的磁场强度达到控制所述爆震燃烧室入口的流体参数及条件以稳定燃烧室内燃烧产生的爆震波的驻定传播。

本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，在爆震燃烧室内组织驻定爆震燃烧，爆震燃烧要求的来流马赫数降低幅度可更小，即驻定爆震燃烧室入口马赫数可更高，而来流静温升高的幅值不是太高，有利于燃料燃烧化学能的注入。

另外，根据本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机还具有如下附加技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述进气道内具有倾斜的通道。

可选地，所述磁流体发生器包括多个且分别设在所述进气道的靠近所述爆震燃烧室入口的通道内壁上。

在本发明的一个实施例中，所述磁流体加速器设在所述所述尾喷管的靠近所述爆震燃烧室出口的管壁上，可用于磁流体发生器2收集到的能量可进行有效释放，增大排气速度，增加推力。

在本发明的一个实施例中，所述尾喷管沿流体的流向横截面积逐渐变大，以利于从燃烧室A燃烧产生的高温高压燃气在喷射入尾喷管C中后膨胀做功，从而产生飞行器所需推力。

根据本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，具有以下优点：

(1)采用磁流体能量旁路系统，可以实现爆震燃烧室进口流场的主动控制，可满足不同飞行条件下燃烧室进口参数的要求。

(2)利用驻定爆震燃烧比传统等压燃烧速度快的特点，根据本发明的驻定爆震发动机的爆震燃烧室的进口马赫数可以比传统的发动机的燃烧室的进口马赫数更高，即在高超声速条件下飞行，来流马赫数降低幅度要小，且静温上升可允许燃烧室内更多的能量注入。

(3)爆震燃烧熵增低，热循环效率高，稳定的爆震燃烧在磁流体技术支持下可以达到。

(4)依靠斜激波压缩未燃混气直接进入化学反应过程放热的过程，使得所需燃烧室的长度可以大大缩短。由于爆震燃烧速度快，由此爆震室容热强度比传统燃烧模式大幅度提高。

(5)从技术上可进一步拓宽飞行马赫数。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“内侧”、“外侧”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1描述根据本发明实施例的一种带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机。

如图1所示，根据本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机包括爆震燃烧室A、进气道B和尾喷管C，其中，爆震燃烧室A具有入口A1和出口A2，进气道B与爆震燃烧室A的入口A1相连通，即形成在从飞行器前缘到爆震燃烧室A的入口A1之间的通道，其中进气道B设计成使进入进气道B的来流空气产生斜激波。可选地，进气道B内具有倾斜的通道，如图1所示。尾喷管C与爆震燃烧室A的出口A2相连通，即形成在从爆震燃烧室A的出口A2到飞行器后缘之间的通道，如图中所示。根据本发明实施例的驻定爆震发动机进一步包括等离子体发生器1、磁流体发生器2、磁流体加速器3、燃料喷射及点火装置4和控制器5。

等离子体发生器1设置在进气道B内以对来流空气进行等离子化。磁流体发生器2设在进气道B内且设在等离子体发生器1的气体下游以产生磁场。这样，高超声速来流经过进气道B的斜激波压缩作用，流速降低，静温上升，在斜激波压缩过程中，通过等离子体发生器1对来流空气进行等离子化。等离子空气流经过带有磁流体发生器1的进气道(即电磁通道)，通过控制磁流体发生器1产生的磁场的强度的大小，来实现流场参数的主动控制。磁流体发生器1能够提取来流的能量并用于后续的控制器5的供电、燃烧室A内的点火即尾喷管C内的气流加速，还可以用于其它机载负荷。另外，可通过磁流体发生器1调节爆震燃烧室A的进口气流速度，使得爆震燃烧室A内部混气流速恰好满足该条件下爆震拨的传播速度，从而可获得容热强度极高的爆震燃烧室。

在本发明的一个示例中，磁流体发生器2包括多个且分别设在进气道B的靠近爆震燃烧室A入口A1的通道内壁上。

磁流体加速器3设在尾喷管C内。在本发明的一个示例中，磁流体加速器3设在尾喷管C的靠近爆震燃烧室A出口A2的管壁C1上，可用于磁流体发生器2收集到的能量可进行有效释放，增大排气速度，增加推力。

燃料喷射及点火装置4设在爆震燃烧室A内，且控制器5通过控制磁流体发生器的磁场强度达到控制爆震燃烧室A的入口A1的流体参数及其他能量分配系统，例如磁流体加速器、机载负荷、等离子发生器、燃烧室点火装置等，以稳定燃烧室A内燃烧产生的爆震波的驻定传播。

如图1中所示，尾喷管C沿流体的流向(即如图1中的从左到右的方向)横截面积逐渐变大，以利于从燃烧室A燃烧产生的高温高压燃气在喷射入尾喷管C中后膨胀做功，从而产生飞行器所需推力。

下面将参考图1描述根据本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机的工作过程。

首先，高超声速来流进入进气道B，经过进气道B的斜激波压缩作用后，流速降低，静温上升。

在斜激波压缩过程中，当来流条件满足空气离子化条件(一般飞行器的飞行马赫数Ma＞4)时，打开等离子体发生器1(例如通过电火花或激光照射等方式打开)，通过等离子体发生器1对来流空气进行等离子化，等离子空气流经过带有磁流体发生器1的进气道(即电磁通道)后带电。

然后根据爆震燃烧室进口A1处的混气静压压力和温度需求，通过控制器5调节磁流体磁场强度，使流经电磁通道的气流满足在爆震燃烧室A内触发驻定爆震燃烧的条件，同时，控制器控制燃料喷注及高能直接触发爆震波点火(例如爆炸点火或等离子点火)。

这样，通过控制器5适时控制爆震燃烧室A的入口参数条件，可稳定爆震波在燃烧室A内的驻定传播，燃烧所产生的高温、高压燃气通过尾喷管C膨胀做功，从而产生飞行器所需推力。其中磁流体发生器2从来流空气中汲取的能量可用于等离子体发生器持续工作、等离子点火和其他机载负荷，多余的能量可通过磁流体加速器3实现排气速度的调高，以增大发动机的推力。

本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，在爆震燃烧室内组织驻定爆震燃烧，相比于在现有的超燃冲压发动机燃烧室内组织等压超音速燃烧，要求的来流马赫数降低幅度可以更小，即驻定爆震燃烧室入口马赫数可以更高，而来流静温升高的幅值不是太高，有利于燃料燃烧化学能的注入。

下面将具体地描述控制器5的实时控制爆震燃烧室A的入口参数条件的方式。

控制器5根据爆震燃烧室进口A1处的混气的温度、压力和组分等物性参数，获得爆震波在来流混气中传播的C-J(Chapman-Jouguet理想定常爆震波)速度。

如果C-J速度大于爆震燃烧室进口混气流速，说明即使触发了爆震燃烧，爆震波也不会驻定在燃烧室A内传播，而是向来流方向传播，即爆震波将传出爆震燃烧室进口边界。此时控制器5将发出指令，降低磁流体发生器2产生的磁场强度，以提高爆震燃烧室进口气流马赫数，同时计算程序会考虑气流温度的变化而得出新的C-J速度。如此循环迭代，直到C-J速度与爆震燃烧室混气流近似相等，此时控制器即发出点火信号。

如果C-J速度小于爆震燃烧室进口混气流速，则以上控制过程做出反向调节。

此外，在根据本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机的正常工作过程中，还需根据飞行高度和飞行速度等飞行参数，通过磁流体发生器适时调整爆震燃烧室的进口参数，从而可达到组织驻定爆震燃烧的目的。

根据本发明实施例的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，具有以下优点：

(1)采用磁流体能量旁路系统，可以实现爆震燃烧室进口流场的主动控制，可满足不同飞行条件下燃烧室进口参数的要求。

(2)利用驻定爆震燃烧比传统等压燃烧速度快的特点，根据本发明的驻定爆震发动机的爆震燃烧室的进口马赫数可以比传统的发动机的燃烧室的进口马赫数更高，即在高超声速条件下飞行，来流马赫数降低幅度要小，且静温上升可允许燃烧室内更多的能量注入。

(3)爆震燃烧熵增低，热循环效率高，稳定的爆震燃烧在磁流体技术支持下可以达到。

(4)依靠斜激波压缩未燃混气直接进入化学反应过程放热的过程，使得所需燃烧室的长度可以大大缩短。由于爆震燃烧速度快，由此爆震室容热强度比传统燃烧模式大幅度提高。

(5)从技术上可进一步拓宽飞行马赫数。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，其特征在于，包括：

爆震燃烧室，所述爆震燃烧室具有入口和出口；

进气道，所述进气道与所述爆震燃烧室的入口相连通，所述进气道设计成使进入进气道的来流空气产生斜激波；

尾喷管，所述尾喷管与所述爆震燃烧室的出口相连通；

等离子体发生器，所述等离子体发生器设置在所述进气道内以对来流空气进行等离子化；

磁流体发生器，所述磁流体发生器设在所述进气道内且设在所述等离子体发生器的气体下游以产生磁场；

磁流体加速器，所述磁流体加速器设在所述尾喷管内；

燃料喷射及点火装置，所述燃料喷射及点火装置设在所述爆震燃烧室内；以及

控制器，所述控制器通过控制磁流体发生器的磁场强度达到控制所述爆震燃烧室入口的流体参数及条件以稳定燃烧室内燃烧产生的爆震波的驻定传播。

2.根据权利要求1所述的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，其特征在于，所述进气道内具有倾斜的通道。

3.根据权利要求2所述的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，其特征在于，所述磁流体发生器包括多个且分别设在所述进气道的靠近所述爆震燃烧室入口的通道内壁上。

4.根据权利要求1所述的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，其特征在于，所述磁流体加速器设在所述所述尾喷管的靠近所述爆震燃烧室出口的管壁上。

5.根据权利要求1所述的带有磁流体能量旁路系统的驻定爆震发动机，其特征在于，所述尾喷管沿流体的流向横截面积逐渐变大。

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