CN103790734B - 一种液态空气加力助推火箭发动机设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态空气加力助推火箭发动机设备及方法，其中的液态空气加力助推火箭发动机设备，包括以下部分：液态空气储箱、超低温液体泵、液态空气喷嘴、加力膨胀段，所述液态空气喷嘴设置在火箭发动机后端，加力膨胀段内部前端。本发明通过混合使用液态空气介质，充分利用燃料产生的热量，减少环境污染，在保证同样推力的情况下，大幅度降低燃料的使用量，使成本降低，大幅度降低红外特性和紫外特性，在导弹隐身方面有较大作用。

Description

一种液态空气加力助推火箭发动机设备及方法

技术领域

本发明属于火箭发动机领域，具体涉及一种液态空气加力助推火箭发动机设备及方法。

背景技术

火箭发动机就是利用冲量原理，自带推进剂、不依赖外界空气的喷气式发动机。火箭发动机是喷气发动机的一种，将推进剂箱或运载工具内的反应物料（推进剂）变成高速射流，由于牛顿第三定律而产生推力。大部分火箭发动机靠排出高温高速尾气来获得推力，固体或液体推进剂（由氧化剂和燃料组成）在燃烧室中高压（10-200 bar）燃烧产生尾气。

火箭发动机喷管是用于动机的一种（通常是渐缩渐阔喷管）推力喷管。它用于膨胀并加速由燃烧室燃烧推进产生的燃气，使之达到超高音速。目前所有在使用的火箭，在使用过程中存在以下的问题：

1.燃料利用率低，从火箭发动机喷管喷出的长火焰看出，大量的热量排向了空气中，因为火箭的速度和喷射出的物质的质量和物质的速度有关，和物质的温度无关，所以热量浪费巨大；

2.因为燃料利用率低，所以环境污染严重，比如美国的阿波罗号一秒钟所消耗的燃料是人类当年首次横跨大西洋的飞机所消耗的燃料的十倍还多。

3.燃料利用率低，燃料成本也就很高；特别在发射卫星方面与国际竞争时，燃料成本也成为重要的一方面；

4.由于温度高，热量强，红外特性和紫外特性也就很强，很容易被侦测到，难以做到起飞段隐身，导弹起飞后，马上会被对方发现，对方会提前预警准备应对、反击、拦截。

火箭的燃料不管是固体还是液体，在燃烧时，迅速升温，气化，达到两千度到三千度摄氏度，因为受热膨胀，被限制在燃烧室范围内，形成非常大的压力，燃烧的废气向后喷出时，喷出的尾气经过拉瓦尔喷管后速度达到了超音速。随着膨胀，速度增加，压力降低，温度也稍有降低，最后喷出的气体和大气混合，大量热量被浪费掉。

液态空气是将大自然的空气加压再降温后变成液态淡蓝色气体，具有较低的气化热和超低温的存储温度，如果将液态空气和超高温、超音速的尾焰混合后，超高温、超音速的尾焰的热量将使超低温的液态空气迅速膨胀并气化，液态空气由液体变成气体时，在膨胀到1个大气压的情况下，体积会膨胀800倍以上，体积剧烈膨胀，会更增加火箭发动机的推动力。

发明内容

本发明的目的是，通过混合使用液态空气介质，充分利用燃料产生的热量，减少环境污染，在保证同样推力的情况下，大幅度降低燃料的使用量，使成本降低，同时由于所喷射的尾焰气体的温度大副下降，使所喷射的尾焰气体的红外特性和紫外特性大幅度降低；使用空气液化得到的液态空气，则尽可能利用自然界的资源，最大限度利用燃料热能，使对环境的污染降到最低。

本发明针对上述问题，提供一种液态空气加力助推火箭发动机设备及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种液态空气加力助推火箭发动机设备，包括以下部分：

液态空气储箱:用以装载液态空气；

超低温液体泵:用以在火箭发动机运行时将液态空气输送到液态空气喷嘴喷出，和火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体相混合；

液态空气喷嘴：用以在火箭发动机运行时将液态空气喷出到火箭发动机后部的加力膨胀段和火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体相混合；

加力膨胀段：用以吸入外界气体，喷入液态空气，吸入火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体，实现推力；

所述液态空气储箱通过超低温液体泵密封连接所述液态空气喷嘴；所述液态空气喷嘴设置在火箭发动机后端，加力膨胀段内部前端。

进一步地，所述加力膨胀段包括加力段进气喉、混合膨胀段及加速扩张段；所述加力段进气喉设置在火箭发动机尾部上下端，加力膨胀段前端的迎风面；所述混合膨胀段设置在加力膨胀段的中部；所述加速扩张段设置在加力膨胀段的后部。

更进一步地，所述加力段进气喉为用以在火箭吸入空气的加力段进气喉。

更进一步地，所述混合膨胀段为向内凹进的混合膨胀段。

更进一步地，所述加速扩张段为面为向外扩张的加速扩张段。

根据本发明的又一方面，提供了一种液态空气加力助推火箭发动机方法，包括以下步骤：

S1，液态空气储箱2内装有液态空气；

S2，所述液态空气储箱2中的液态空气在火箭发动机运行时喷出；

S3，加力段进气喉5吸入一些空气；

S4，所述液态空气储箱2喷出的液态空气和火箭发动机喷出的超高温、超音速尾焰气体在加力膨胀段混合；

S5，液态空气喷嘴6喷出的液态空气、从外界吸入的空气，同火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体相混合，实现推力。

进一步地，所述步骤S1具体为：在所述液态空气储箱内装液态空气，密封所述液态空气储箱。

更进一步地，所述步骤S5具体为：火箭发动机在启动以后，火箭发动机向后喷出高温高速气流，高温高速气流将带动加力段进气喉、混合膨胀段及加速扩张段的气流一起流动，此时，液态空气储箱中的液态空气通过管路输送到液态空气喷嘴，由液态空气喷嘴喷成雾状和高速气流相遇，超低温的液态空气遇到超高温的气流，迅速吸热，由液体变成气体，体积膨胀，在膨胀过程中，随着气流超高速流动，经过混合膨胀段，变成气体，在加速扩张段实现和原有的超高温气体混合后变成低温的高速气体，不断加速，实现推理增加。

本发明的优点：

1、是现有火箭发动机技术的延续，现有火箭发动机系统几乎不变；

2、高效率实现喷出的气体物理膨胀，燃料利用率提高，火箭发动机推力增加。

3、液态空气容易获取，且低污染、低成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的液态空气加力助推固体火箭发动机结构示意图；

图2是本发明的液态空气加力助推液体火箭发动机结构示意图；

图3是本发明的一种液态空气加力助推火箭发动机方法流程图。

附图标记：

1为运载物、2为液态空气储箱、3为火箭、4为火箭发动机、5为加力段进气喉、6为液态空气喷嘴、7为混合膨胀段、8为加速扩张段及9为超低温液体泵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1和图2，如图1和图2所示的一种液态空气加力助推火箭发动机设备，包括以下部分：

液态空气储箱2:用以装载液态空气；

超低温液体泵9:用以在火箭发动机运行时将液态空气输送到液态空气喷嘴6喷出，和火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体相混合；

液态空气喷嘴6：用以在火箭发动机运行时将液态空气喷出到火箭发动机后部的加力膨胀段和火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体相混合；

加力膨胀段：用以吸入外界气体，喷入液态空气，吸入火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体，实现推力；

所述液态空气储箱2通过超低温液体泵9密封连接所述液态空气喷嘴6；所述液态空气喷嘴6设置在火箭发动机后端，加力膨胀段内部前端。

所述加力膨胀段包括加力段进气喉5、混合膨胀段7及加速扩张段8；所述加力段进气喉5设置在火箭发动机尾部上下端，加力膨胀段前端的迎风面；所述混合膨胀段7设置在加力膨胀段的中部；所述加速扩张段8设置在加力膨胀段的后部。

所述加力段进气喉5为用以在火箭吸入空气的加力段进气喉5。

所述混合膨胀段7为向内凹进的混合膨胀段7。

所述加速扩张段8为面为向外扩张的加速扩张段8。

实施例2

参考图3，如图3所示的一种液态空气加力助推火箭发动机方法，包括以下步骤：

S1，液态空气储箱2内装有液态空气；

S2，所述液态空气储箱2中的液态空气在火箭发动机运行时喷出；

S3，加力段进气喉5吸入一些空气；

S4，所述液态空气储箱2喷出的液态空气和火箭发动机喷出的超高温、超音速尾焰气体在加力膨胀段混合；

S5，液态空气喷嘴6喷出的液态空气、从外界吸入的空气，同火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体相混合，实现推力。

所述步骤S1具体为：在所述液态空气储箱2内装液态空气，密封所述液态空气储箱2。

所述步骤S5具体为：火箭发动机在启动以后，火箭发动机向后喷出高温高速气流，高温高速气流将带动加力段进气喉5、混合膨胀段7及加速扩张段8的气流一起流动，此时，液态空气储箱2中的液态空气通过管路输送到液态空气喷嘴6，由液态空气喷嘴6喷成雾状和高速气流相遇，超低温的液态空气遇到超高温的气流，迅速吸热，由液体变成气体，体积膨胀，在膨胀过程中，随着气流超高速流动，经过混合膨胀段7，变成气体，在加速扩张段8实现和原有的超高温气体混合后变成低温的高速气体，不断加速，实现推理增加。

液态空气由液体变成气体时，液态空气体积会膨胀数百倍以上，温度大幅度降低。通过混合逐步完成，气体压力继续膨胀，温度迅速降低，随着液态空气喷嘴6喷出气体的扩张，火箭速度增加，喷出物质的总量增加，发动机推力大幅度增加。

火箭在静止或飞行时从加力段进气喉5吸入一些空气，液态空气喷嘴6把液态空气储箱2中的通过管路，以高压的雾状喷射出去，超音速气流在加速扩张段8随着横截面加大，流体流速将急剧提高。

工作原理：火箭发动机在启动以后，火箭发动机向后喷出高温高速气流，高温高速气流将带动加力段进气喉5、混合膨胀段7及加速扩张段8的气流一起流动，此时，液态空气储箱2中的液态空气通过管路输送到液态空气喷嘴，由液态空气喷嘴喷成雾状和高速气流相遇，高速气流的2500摄氏度到3000摄氏度超高温度使得液态空气喷嘴6喷出的零下194摄氏度以下的超低温的液态空气遇到超高温的气流，会迅速吸热，由液体变成气体，体积膨胀1000倍，在膨胀过程中，随着气流超高速流动，经过混合膨胀段，变成气体，在加速扩张段8实现和原有的超高温气体混合后变成低温的高速气体，不断加速，实现推理增加。在形成气流的过程中，喷出的气体由于空气动力学的科恩达效应，会带动周围的气体一起流动，进气吼会产生负压，静止的火箭在逐步起飞的过程中，加力段进气喉5会吸入气体，当火箭高速运行时，加力段进气喉5就会由于迎风，压入大量的气体，由于是低速气体，随着吼道面积变小，压力增加，速度也不断增加，跟随超音速的气流进入喉道，又混合了即将膨胀数百倍、近千倍的液态空气，到了混合膨胀段7和加速扩张段8，将会产生更大的压力、更高的速度，更多的物质喷施，实现更大的推力，并且加力段进气喉5吸进来的空气和液态空气喷嘴喷出的液态空气相比，也是使得液态空气气化、升温的能量之一。这就是对自然界已有热能的综合利用。

所述液态空气储箱2为内置式或外挂式的液态空气储箱2。

本发明可用于固体火箭发动机或也体火箭发动机或液固混合的火箭发动机，最优的为液固混合的火箭发动机。

本发明中液态空气喷嘴在火箭发动机内的设计方式不限，液态空气储液方式不限，可以为内置式、外挂式或别的方式。

本发明是在现有的火箭后面加上一个加力推进段，加力推进段使得使用液态空气介质辅助实现加力推进，使得热量的利用率大幅提高，同等推力的情况下，燃料的利用率大幅提高，同等推力的情况下，环境污染大幅下降，费用大幅下降，红外特性和紫外特性大幅下降，现有技术无法侦测到。

使用本发明后能达到的效果：

本发明将通过化学反应产生高温，使得介质因为温度升高而产生的的膨胀改变为新增的液态空气因为受热而由液体变成气体而膨胀数百倍的物理反应，提高燃料利用效率，提高经济性。通过混合使用液态空气介质，充分利用燃料产生的热量，减少环境污染，在保证同样推力的情况下，大幅度降低燃料的使用量，使成本降低，同时由于所喷射的气体的温度大幅度下降，使所喷射的红外特性和紫外特性大幅度降低，几乎完全没有。充分发挥冲压发动机优点，选择液态空气，沸点是零下143度，冲压发动机吸入零下40-80的空气对于液态空气足以使汽化，可以把空气中的热能变成膨胀热能发动机推力，最大限度较少发动机的消耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液态空气加力助推火箭发动机设备，其特征在于，包括以下部分：

液态空气储箱（2）:用以装载液态空气；

超低温液体泵（9）:用以在火箭发动机运行时将液态空气输送到液态空气喷嘴（6）喷出，和火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体相混合；

液态空气喷嘴（6）：用以在火箭发动机运行时将液态空气喷出到火箭发动机后部的加力膨胀段和火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体相混合；

加力膨胀段：用以吸入外界气体，喷入液态空气，吸入火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体，实现推力；

所述液态空气储箱（2）通过超低温液体泵（9）密封连接所述液态空气喷嘴（6）；所述液态空气喷嘴（6）设置在火箭发动机后端，加力膨胀段内部前端。

2.根据权利要求1所述的液态空气加力助推火箭发动机设备，其特征在于，所述加力膨胀段包括加力段进气喉（5）、混合膨胀段（7）及加速扩张段（8）；所述加力段进气喉（5）设置在火箭发动机尾部上下端，加力膨胀段前端的迎风面；所述混合膨胀段（7）设置在加力膨胀段的中部；所述加速扩张段（8）设置在加力膨胀段的后部。

3.根据权利要求1所述的液态空气加力助推火箭发动机设备，其特征在于，所述加力段进气喉（5）为用以在火箭吸入空气的加力段进气喉（5）。

4.根据权利要求1所述的液态空气加力助推火箭发动机设备，其特征在于，所述混合膨胀段（7）为向内凹进的混合膨胀段（7）。

5.一种液态空气加力助推火箭发动机方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，液态空气储箱（2）内装有液态空气；

S2，所述液态空气储箱（2）中的液态空气在火箭发动机运行时喷出；

S3，加力段进气喉（5）吸入一些空气；

S4，所述液态空气储箱（2）喷出的液态空气和火箭发动机喷出的超高温、超音速尾焰气体在加力膨胀段混合；

S5，液态空气喷嘴（6）喷出的液态空气、从外界吸入的空气，同火箭发动机喷出的超高温、超音速的尾焰气体相混合，实现推力。

6.根据权利要求5所述的液态空气加力助推火箭发动机方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：在所述液态空气储箱（2）内装液态空气，密封所述液态空气储箱（2）。

7.根据权利要求5所述的液态空气加力助推火箭发动机方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：火箭发动机在启动以后，火箭发动机向后喷出高温高速气流，高温高速气流将带动加力段进气喉（5）、混合膨胀段（7）及加速扩张段（8）的气流一起流动，此时，液态空气储箱（2）中的液态空气通过管路输送到液态空气喷嘴（6），由液态空气喷嘴（6）喷成雾状和高速气流相遇，超低温的液态空气遇到超高温的气流，迅速吸热，由液体变成气体，体积膨胀，在膨胀过程中，随着气流超高速流动，经过混合膨胀段（7），变成气体，在加速扩张段（8）实现和原有的超高温气体混合后变成低温的高速气体，不断加速，实现推力增加。