CN101984240B - 一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的方法及装置 - Google Patents
一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的方法及装置。将液态燃料和气态氧化剂通入爆震管进行掺混填充、点火，并用隔离气吹除高温残余物，使发动机开始工作；采用发动机工作余热加热液态燃料，当液态燃料蒸发变为气态燃料时，与气态氧化剂混合；在发动机的爆震管上同时采用两路进口进行气态燃料氧化剂混合物填充，两路进口的距离为aQ/ρfπR2。装置包括爆震管、换热器和推进剂分/合装置，首先推进剂分/合装置分别输送液态燃料和气态氧化剂使发动机工作，而后换热器将用发动机工作余热加热液态燃料，当其变为气态后，与气态氧化剂在推进剂分/合装置内混合通过两路进口输入到爆震管，实现脉冲爆震发动机工作频率的提高。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体为一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的方法及装置。
背景技术
脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生推力的非稳态的新概念发动机。爆震波以每秒2000米左右的速度在可燃气中传播，能产生极高的增压比(15-55倍)和燃气温度(大于2800K)。当高温、高压、高速燃气从脉冲爆震发动机排出时就会产生推力。由于爆震波传播速度极快，其后的燃烧过程接近等容燃烧过程。热循环效率比传统的火箭发动机高18％-20％；不需要复杂的涡轮泵，结构简单，重量轻；单位燃料消耗率低；推力调节比大，响应快，调节过程简单可靠；工作范围宽。根据氧化剂的来源，可以将脉冲爆震发动机分为火箭式和吸气式两种，火箭式脉冲爆震发动机由于自带氧化剂，工作环境易于控制，一般认为它的实际应用会先于吸气式脉冲爆震发动机。考虑到容积的限制，脉冲爆震火箭发动机在实际应用中都采用液态燃料。
脉冲爆震火箭发动机是间歇式工作，主/次推进剂以及隔离气体的填充都是由阀来控制，在实际运用中，一般采用电磁阀和旋转阀，由于旋转阀需要提供动力驱动，体积和重量都较大，且气密性很差，极大的限制了实际应用；而电磁阀体积小巧，工作频率较高，控制简单，因此得到广泛的应用。研究表明，脉冲爆震火箭发动机的工作频率对其性能有着重要的影响，其工作频率受推进剂填充量的制约：当电磁阀在高频下工作时，受其开启时间的限制，在单个循环下，燃料的流量减小，往往使得推进剂的填充量无法满足爆震波形成所需要的最小值，所以发动机常常无法在其电磁阀极限频率下工作，限制了发动机频率的提高。
发明内容
要解决的技术问题
为了打破电磁阀对脉冲爆震火箭发动机工作频率的限制，提高脉冲爆震火箭发动机的工作频率，本发明提出了一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的方法及装置，具体技术方案如下：
技术方案
一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1：将液态燃料和气态氧化剂通入脉冲爆震火箭发动机的爆震管进行掺混填充、点火，并用隔离气吹除高温残余物，使脉冲爆震火箭发动机开始工作；其中掺混填充过程的占空比为0.15-0.4，点火占空比为0.01，隔离过程的占空比为0.15-0.4；
步骤2：采用脉冲爆震火箭发动机工作余热加热液态燃料，当液态燃料温度升高到蒸发温度，变为气态燃料时，使其与气态氧化剂混合；
步骤3：在脉冲爆震火箭发动机的爆震管上同时采用两路进口进行气态燃料氧化剂混合物填充，两路进口的距离为aQ/ρfπR2，其中a为气态燃料氧化剂混合物填充的占空比，Q为气态燃料氧化剂混合物的质量流量，R为爆震管的半径，f为发动机的工作频率，ρ为气态燃料氧化剂混合物在一个大气压下的密度；填充过程的占空比为0.15-0.4，点火占空比为0.01，隔离过程的占空比为0.15-0.4。
一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的装置，包括爆震管、点火器，其特征在于：还包括有换热器、推进剂分/合装置、主推进剂电磁阀、次推进剂电磁阀、隔离气电磁阀；换热器为封闭套筒结构，套接在爆震管爆震波形成段的外表面；推进剂分/合装置包括有预混腔、液态主推进剂通道和两个进口、两个出口，预混腔也有两个进口和两个出口，其中一个进口和一个出口分别与推进剂分/合装置的一个进口和一个出口直接相连，推进剂分/合装置的另一个进口通过三通阀与预混腔的另一进口及液态主推进剂通道进口相连，推进剂分/合装置的另一个出口通过三通阀与预混腔的另一出口及液态主推进剂通道出口相连；换热器进口通过主推进剂质量流量计与外部主推进剂通道相连，换热器出口与推进剂分/合装置中接有三通阀的进口相连；推进剂分/合装置中没有三通阀的进口通过次推进剂质量流量计与外部次推进剂通道相连，没有三通阀的出口与次推进剂电磁阀相连，次推进剂电磁阀再通过三通阀与爆震管上的次推进剂进口和次推进剂旁路进口相连，推进剂分/合装置中接有三通阀的出口通过主推进剂电磁阀与爆震管上的主推进剂进口相连，且在连接管道上还接有热电偶；隔离气电磁阀一端与爆震管上的隔离气进口相连，另一端通过隔离气质量流量计与外部隔离气通道 相连。
一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率装置的优选方案，其特征在于：换热器燃料进口在换热器靠近爆震管的外喷口的一端，换热器燃料出口在换热器远离爆震管的外喷口的一端。
一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率装置的优选方案，其特征在于：预混腔两个进口的轴线夹角为60度。
一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率装置的优选方案，其特征在于：主推进剂电磁阀与爆震管上主推进剂进口相连的管道中装有防回火网；次推进剂电磁阀与爆震管上次推进剂旁路进口相连的管道中装有防回火网。
一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率装置的优选方案，其特征在于：爆震管的封闭端内固定有喷注器，喷注器为圆柱形结构，与爆震管内壁紧配合，喷注器中心有轴向通孔，通孔外端与爆震管的主推进剂进口相连，喷注器侧面有两个盲孔，分别于爆震管的次推进剂进口和隔离气进口相连，喷注器内端面上还有一圈轴向环形凹槽，凹槽与喷注器侧面的两个盲孔相通。
一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率装置的优选方案，其特征在于：次推进剂旁路进口与喷注器内端面的距离为aQ/ρfπR2，其中a为气态燃料氧化剂混合物填充的占空比，Q为气态燃料氧化剂混合物的质量流量，R为爆震管的半径，f为发动机的工作频率，ρ为气态燃料氧化剂混合物在一个大气压下的密度。
有益效果
本发明通过液态燃料和气态氧化剂启动脉冲爆震火箭发动机，利用发动机工作产生的余热给液态燃料加温，使液态燃料蒸发为气态，通过推进剂分/合装置使气态燃料和气态氧化剂提前预混，而后通过两路进口同时填充气态燃料氧化剂混合物，使得电磁阀处于高频工作状态时，在单次循环下，气态燃料氧化剂混合物的填充量也能够满足形成爆震波的所需量，从而使得脉冲爆震火箭发动机能够充分适应电磁阀的频率，更好的发挥电磁阀的高频性能，实现脉冲爆震火箭发动机工作频率的提高。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2：推进剂分/合装置的结构示意图(工作状态1)；
图3：推进剂分/合装置的结构示意图(工作状态2)；
图4：喷注器结构示意图；
其中：1、爆震管；2、换热器；3-1、主推进剂质量流量计；3-2、次推进剂质量流量计；3-3、隔离气质量流量计；4、外部主推进剂通道；5、外部次推进剂通道；6、热电偶；7、推进剂分/合装置；8、点火器；9、喷注器；10-1、次推进剂电磁阀；10-2、主推进剂电磁阀；10-3、隔离气电磁阀；11、防回火网；12、外部隔离气通道；13、外壳；14、预混腔；15、推进剂分/合装置第一进口；16、预混腔进口；17、推进剂分/合装置第二进口；18、L型三通阀；19、液态主推进剂通道；20、T型三通阀；21、推进剂分/合装置第二出口；22、推进剂分/合装置第一出口；23、次推进剂三通阀；24、旁路进口。
具体实施方式
下面结合实施例具体描述本发明：
实施例1：
参照附图1，本实施例所述的提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的装置包括有爆震管1、换热器2和推进剂分/合装置7。采用航空煤油作为主推进剂，氧气作为次推进剂，氮气作为隔离气体。
爆震管1内径为30mm，外径为36mm，全长为800mm，爆震管1的封闭端内固定有喷注器9，喷注器9为圆柱形结构，与爆震管1内壁紧配合，喷注器9中心有轴向通孔，通孔外端与爆震管1的主推进剂进口相连，喷注器侧面有两个盲孔，分别于爆震管的次推进剂进口和隔离气进口相连，喷注器内端面上还有一圈轴向环形凹槽，凹槽与喷注器侧面的两个盲孔相通。通过喷注器9，可以使主推进剂、次推进剂和隔离气在喷注器9后方掺混。点火器8安装在距离喷注器9后端20mm的爆震管管壁上。
换热器2为封闭套筒结构，全长为750mm，套接在爆震管爆震波形成段的外表面， 在本实施例中，换热器2一端与爆震管1的外喷口对齐；换热器2的换热腔内径为36mm，外径为46mm，外壁厚度为3mm；换热器燃料进口在换热器靠近爆震管的外喷口的一端，通过连接管道与主推进剂质量流量计3-1和外部主推进剂通道4依次焊接串连，换热器燃料出口在换热器远离爆震管的外喷口的一端，主推进剂在换热器2的换热腔内流动方向与爆震波传播方向相反，主推进剂在换热腔中吸收发动机工作产生的余热，使其自身温度提高，快速达到蒸发温度，变成气态，同时使发动机得到冷却。
推进剂分/合装置7包括有外壳13、预混腔14、液态主推进剂通道19和两个进口、两个出口。预混腔14为封闭的矩形空腔结构，焊接固定在外壳13底部，预混腔14也有两个进口和两个出口，且两个进口的轴线夹角为60度，使得从两个进口进入的气态主推进剂和气态次推进剂在预混腔14中以碰撞方式预混。
预混腔14的其中一个进口和一个出口分别与推进剂分/合装置7的第一进口15和第一出口22直接焊接相连；推进剂分/合装置7的第二进口17通过L型三通阀18与预混腔14的另一进口16以及液态主推进剂通道19的进口相连；推进剂分/合装置7的第二出口21通过T型三通阀20与预混腔14的另一出口以及液态主推进剂通道19出口相连。
推进剂分/合装置7的第二进口17通过连接管道与换热器2的燃料出口相连；推进剂分/合装置7的第一进口15通过连接管道与次推进剂质量流量计3-2和外部次推进剂通道5依次串连；推进剂分/合装置7的第二出口21通过连接管道与主推进剂电磁阀10-2和爆震管1上的主推进剂进口依次串连，且在第二出口21与主推进剂电磁阀10-2之间的连接管道上还接有J型热电偶6，用于测量主推进剂的温度，J型热电偶6的测温范围从-200到600度；推进剂分/合装置7的第一出口22通过连接管道与次推进剂电磁阀10-1相连，次推进剂电磁阀10-1通过次推进剂三通阀23分别与爆震 管1上的次推进剂进口和旁路进口24相连；旁路进口24与喷注器9内端面的距离为aQ/ρfπR2，其中a为气态燃料氧化剂混合物填充的占空比，Q为气态燃料氧化剂混合物的质量流量，R为爆震管的半径，f为发动机的工作频率，ρ为气态燃料氧化剂混合物在一个大气压下的密度。在主推进剂电磁阀10-2与爆震管上主推进剂进口的连接管道中装有防回火网11，次推进剂电磁阀10-1与旁路进口24的连接管道中装有防回火网11，防止发动机工作时产生回火，而使主推进剂电磁阀10-2、次推进剂电磁阀10-1及其他重要装置烧坏。
隔离气电磁阀一端与爆震管1上的隔离气进口相连，另一端通过连接管道与隔离气质量流量计3-3和外部隔离气通道12依次串接。
本装置开始工作时，参照附图2，推进剂分/合装置7内的L型三通阀18和T型三通阀20接通推进剂分/合装置7的第二进口17、液态主推进剂通道19和推进剂分/合装置7的第二出口21，使从外部主推进剂通道4流入的液态主推进剂经过换热器2在推进剂分/合装置7内不与气态次推进剂混合，而是直接通过主推进剂电磁阀10-2进入喷注器9；气态次推进剂也直接通过推进剂分/合装置7和次推进剂电磁阀10-1进入喷注器9，此时次推进剂三通阀23接通次推进剂电磁阀10-1与爆震管1上的次推进剂进口，将旁路进口24封闭；本实施例中，这一阶段，在一个工作周期中，主推进剂、次推进剂和点火的占空比为0.30、0.30和0.01，相位为0、0和108°，填充、点火且爆震波传出爆震管1完成后，隔离气电磁阀10-3工作，将隔离气通入爆震管1，本实施例中隔离气的占空比为0.30，相位为252°，隔离气吹除高温残余物后，继续下一个工作周期。
在本装置工作过程中，J型热电偶6一直在检测主推进剂的温度，随着发动机的运行，发动机工作时产生的余热通过换热器2对主推进剂进行加温，当主推进剂温度达到其蒸发温度时，参照附图3，改变推进剂分/合装置7内的L型三通阀18和T型 三通阀20的接通状态，将推进剂分/合装置7的第二进口17、预混腔进口16和推进剂分/合装置7的第二出口21接通，使得经过换热器2的气态主推进剂与气态次推进剂在预混腔14中提前掺混，此时从推进剂分/合装置第二出口21以及推进剂分/合装置第一出口22中流出的气态燃料氧化剂混合物状态相同。此时，由于从外部主推进剂通道4流入的液态主推进剂通过换热器2加温变为气态后，流量降低，所以需要通过检测主推进剂质量流量计3-1，提高主推进剂供给压力，保持主推进剂的固定流量。
同时，改变次推进剂三通阀23的接通状态，将次推进剂电磁阀10-1与旁路进口24接通，爆震管1上的次推进剂进口封闭。本实施例中，此工作状态下，气态燃料氧化剂混合物、点火和隔离气的占空比为0.30、0.01和0.30，主推进剂电磁阀10-2，次推进剂电磁阀10-1，点火和隔离气电磁阀10-3的相位为0、0、108°和252°，如此发动机循环进行工作。且本实施例中旁路进口24与喷注器9内端面的距离为aQ/ρfπR2，其中，a＝0.3，Q＝26.5g/s，R＝15mm，f＝50，ρ＝1.429g/L，得到距离为L＝197mm。
这样在发动机持续工作过程中，由于两路进口同时填充气态燃料氧化剂混合物，使得电磁阀处于高频工作状态时，在单次循环下，气态燃料氧化剂混合物的填充量也能够满足形成爆震波的所需量，因此，在发动机持续工作过程，电磁阀的工作频率可以比发动机开始工作时提高，从而使得脉冲爆震火箭发动机能够充分适应电磁阀的频率，更好的发挥电磁阀的高频性能，实现脉冲爆震火箭发动机工作频率的提高。
Claims (4)
1.一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的装置，包括爆震管(1)、点火器(8)，其特征在于：还包括有换热器(2)、推进剂分/合装置(7)、主推进剂电磁阀(10-2)、次推进剂电磁阀(10-1)和隔离气电磁阀(10-3)；换热器(2)为封闭套筒结构，套接在爆震管爆震波形成段的外表面；推进剂分/合装置(7)包括有预混腔(14)、液态主推进剂通道(19)和两个进口、两个出口，预混腔(14)也有两个进口和两个出口，其中一个进口和一个出口分别与推进剂分/合装置(7)的一个进口和一个出口直接相连，推进剂分/合装置(7)的另一个进口通过三通阀与预混腔(14)的另一进口及液态主推进剂通道(19)进口相连，推进剂分/合装置(7)的另一个出口通过三通阀与预混腔的另一出口及液态主推进剂通道(19)出口相连；换热器(2)进口通过主推进剂质量流量计(3-1)与外部主推进剂通道(4)相连，换热器(2)出口与推进剂分/合装置(7)中接有三通阀的进口相连；推进剂分/合装置(7)中没有三通阀的进口通过次推进剂质量流量计(3-2)与外部次推进剂通道(5)相连，没有三通阀的出口与次推进剂电磁阀(10-1)相连，次推进剂电磁阀(10-1)再通过三通阀与爆震管(1)上的次推进剂进口和次推进剂旁路进口相连，推进剂分/合装置(7)中接有三通阀的出口通过主推进剂电磁阀(10-2)与爆震管(1)上的主推进剂进口相连，且在连接管道上还接有热电偶(6)；隔离气电磁阀(10-3)一端与爆震管(1)上的隔离气进口相连，另一端通过隔离气质量流量计(3-3)与外部隔离气通道(12)相连；
爆震管(1)的封闭端内固定有喷注器(9)，喷注器(9)为圆柱形结构，与爆震管(1)内壁紧配合，喷注器(9)中心有轴向通孔，通孔外端与爆震管(1)的主推进剂进口相连，喷注器侧面有两个盲孔，分别于爆震管的次推进剂进口和隔离气进口相连，喷注器内端面上还有一圈轴向环形凹槽，凹槽与喷注器侧面的两个盲孔相通；
次推进剂旁路进口与喷注器(9)内端面的距离为aQ/ρfπR2，其中a为气态燃料氧化剂混合物填充的占空比，Q为气态燃料氧化剂混合物的质量流量，R为爆震管的半径，f为发动机的工作频率，ρ为气态燃料氧化剂混合物在一个大气压下的密度。
2.根据权利要求1所述的一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的装置，其特征在于：换热器燃料进口在换热器靠近爆震管的外喷口的一端，换热器燃料出口在换热器远离爆震管的外喷口的一端。
3.根据权利要求1所述的一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的装置，其特征在于：预混腔两个进口的轴线夹角为60度。
4.根据权利要求1所述的一种提高脉冲爆震火箭发动机工作频率的装置，其特征在于：主推进剂电磁阀(10-2)与爆震管上主推进剂进口相连的管道中装有防回火网；次推进剂电磁阀(10-1)与爆震管上次推进剂旁路进口相连的管道中装有防回火网。
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