CN104481733A - 一种高效环保液体火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效环保液体火箭发动机，包括发动机壳体、点火装置、氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴、冷却膨胀剂喷嘴、燃烧室及喷口，壳体末端与喷口连通，壳体从前端至后端依次分为燃烧段、冷却膨胀段及加速收缩段，燃烧室为管装结构并位于燃烧段内，点火装置、氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴均正对燃烧室前端的燃料混料段，且氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴以点火装置对称分布，冷却膨胀剂喷嘴至少两个，以壳体轴线对称分布的两个冷却膨胀剂喷嘴的喷射方向相反。本发明简化了火箭发动机的结构，降低了体积及重量，在运行中一方面可有效的降低发动机工作温度，另一方面有效的提高了燃料热量利用效率及燃料、冷却膨胀剂气化膨胀过程中的势能转化动能的能力及利用效率。

Description

一种高效环保液体火箭发动机

技术领域

本发明涉及一种高效环保液体火箭发动机，属火箭发动机技术领域。

背景技术

目前所使用的各类高速航天航空器的发动机一般分为液态燃料喷射发动机和固态燃料喷射发动机，当前所使用的液态燃料喷射发动机主要是依靠燃料在发动机中剧烈燃烧，产生大量高压、高温气体并从发动机末端高速喷出，从而为设备提供驱动力，该类发动机结构已经有几百年的应用历史，在使用中发现，这类发动机的液体燃料在进入燃烧室前，均需要经过气化后方可进入燃烧室燃烧，从而导致了发动机中管路结构复杂，发动机体积及重量增加，同时也增加了发动机的生产工艺及日常维护难度，提高了发动机的生产及使用成本，同时当前使用的液态燃料喷射发动机在运行时喷射的高温高速尾焰气体还含有大量热量，这些热量一方面降低了燃料利用率，另一方面也不利于发动机隐藏红外特征，不利于其在红外、紫外等观瞄设备下的隐蔽，不利与军事类飞行器的使用隐蔽性，于此同时还对发动机使用材料提出了较高的要求，也进一步增加了发动机的成本，因此针对以上不足，迫切需要开发一种全新的液态燃料喷射发动机。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种降低燃料损耗提高发动机工作效率的高效环保液体火箭发动机，简化了火箭发动机的结构，有效的降低发动机工作温度，有效的提高了燃料热量利用率及燃料燃烧膨胀过程中的热能转化动能能力及利用效率，降低了燃料消耗及使用成本，减少了环境化学物质和热排放。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种高效环保液体火箭发动机，其特征在于：所述的高效环保液体火箭发动机包括发动机壳体、点火装置、氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴、冷却膨胀剂喷嘴、燃烧室及喷口，所述壳体末端与喷口连通，所述的壳体从前端至后端依次分为燃烧段、冷却膨胀段及加速收缩段，所述的燃烧室为管装结构并位于燃烧段内，并于壳体同轴分布；所述燃烧室与壳体内壁间距不低于1厘米，所述的燃烧室与壳体内壁间构成外涵道，且所述燃烧室前端另设锥形燃料混料段；所述的点火装置、氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴均正对燃烧室前端的燃料混料段，且氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴以点火装置对称分布；所述的冷却膨胀剂喷嘴至少两个，均布在外涵道进口处的壳体内壁上；所述冷却膨胀剂喷嘴喷射方向指向喷口方向，并且与以冷却膨胀剂喷嘴为切点的壳体的切线方向一致；以壳体轴线对称分布的两个冷却膨胀剂喷嘴的喷射方向相反。

进一步的，所述的壳体由合金基材及包覆在基材外部的碳纤维丝、玻璃纤维丝构成。

进一步的，所述的氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴与点火装置呈0°—90°夹角。

进一步的，所述的冷却膨胀剂喷嘴所喷射的冷却膨胀剂为液氮、液态空气。

进一步的，所述氧化剂喷嘴和还原剂喷嘴所喷射的物质均为液态。

进一步的，所述的喷口为拉瓦尔喷口。

进一步的，所述冷却膨胀剂喷嘴喷射方向与壳体轴线呈0°—90°夹角。

本发明采用了燃料直喷方式，简化了火箭发动机的结构，降低了体积及重量，且便于生产及维护，同时利用了液态燃料燃烧前汽化膨胀产生的势能，将该部分势能也转化为动能加以利用；采用冷却膨胀剂吸收燃料释放的热量，实现液态到气态的猛烈膨胀，在运行中一方面可有效的降低发动机工作温度，有助于提高发动机的隐蔽性和降低对发动机材料的要求，另一方面有效的提高了燃料热量利用率及燃料燃烧膨胀过程中的动热能转化能力及利用效率，从而达到降低燃料消耗、提高发动机工作效率的目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

       图1为本发明结构示意图。

 具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所述的一种高效环保液体火箭发动机，包括发动机壳体1、点火装置2、氧化剂喷嘴3、还原剂喷嘴4、冷却膨胀剂喷嘴5、燃烧室6及喷口7，壳体1末端与喷口7连通，壳体1从前端至后端依次分为燃烧段8、冷却膨胀段9及加速收缩段10。

本实施例中，所述燃烧室6为管装结构并位于燃烧段8内，并于壳体1同轴分布，其与壳体1内壁间距不低于1厘米，燃烧室6与壳体1内壁间构成外涵道11，且燃烧室6前端另设锥形燃料混料段12，点火装置2、氧化剂喷嘴3、还原剂喷嘴4均正对燃烧室6前端的燃料混料段12，且氧化剂喷嘴3、还原剂喷嘴4以点火装置2对称分布，冷却膨胀剂喷嘴5至少两个，均布在外涵道11进口处的壳体1内壁上，其喷射方向指向喷口7方向，并为以冷却膨胀剂喷嘴5为切点的壳体1的切线方向一致，且与壳体1轴线呈0°—90°夹角，以壳体1轴线对称分布的两冷却膨胀剂喷嘴5的喷射方向相反。

本实施例中，所述的壳体1由合金基材及包覆在基材外部的碳纤维丝、玻璃纤维丝构成，喷口为拉瓦尔喷口。

本实施例中，所述的氧化剂喷嘴3、还原剂喷嘴4与点火装置2呈0°—90°夹角。

本实施例中，所述的冷却膨胀剂喷嘴5所喷射的冷却膨胀剂为液氮、液态空气，氧化剂喷嘴3和还原剂喷嘴4所喷射的物质均为液态。

本发明在使用时，火箭液态燃料分别通过氧化剂喷嘴和还原剂喷嘴直接喷射到燃烧室前端的燃料混料段内进行混合，并进行在点火装置作用下在燃烧室内发生距离燃烧反应，致使燃料体积迅速膨胀并释放出大量热，并高速通过壳体的冷却膨胀段及加速收缩段，最终从喷嘴喷射到发动机外部。在燃料燃烧的同时，冷却膨胀剂喷嘴喷射出冷却膨胀剂，且冷却膨胀剂呈螺旋状紧贴着燃烧室与壳体构成的外涵道的壳体内壁高速向喷嘴方向旋转移动，并在此过程中，大量的吸收燃烧室中燃料燃烧释放的热量，从而冷却膨胀剂体积迅速膨胀，并致使旋转速度加快，并最终从外涵道中喷射出，并与燃烧后的燃料通过壳体的冷却膨胀段及加速收缩段，最终从喷嘴喷射到发动机外部。

且在火箭发动机运行的同时，火箭液态燃料的氧化剂及还原剂优化配比，并确保火箭燃料在燃烧室内燃烧率保持较高水平，且在发动机运行时，单位时间内喷入的冷却膨胀剂、氧化剂及还原剂的量的比例确保冷却膨胀剂的数量与氧化剂及还原剂产生的热量混合后的剩余温度不低于冷却膨胀剂、氧化剂及还原剂的临界温度。

本发明采用了燃料直喷方式，简化了火箭发动机的结构，降低了体积及重量，且便于生产及维护，同时利用了液态燃料燃烧前汽化膨胀产生的势能，将该部分势能也转化为动能加以利用；采用冷却膨胀剂吸收燃料释放的热量，实现液态到气态的猛烈膨胀，在运行中一方面可有效的降低发动机工作温度，有助于提高发动机的隐蔽性和降低对发动机材料的要求，另一方面有效的提高了燃料热量利用率及燃料燃烧膨胀过程中的动热能转化能力及利用效率，从而达到降低燃料消耗，提高发动机工作效率的目的。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1. 一种高效环保液体火箭发动机，其特征在于：所述的高效环保液体火箭发动机包括发动机壳体、点火装置、氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴、冷却膨胀剂喷嘴、燃烧室及喷口，所述壳体末端与喷口连通，所述的壳体从前端至后端依次分为燃烧段、冷却膨胀段及加速收缩段，所述的燃烧室为管装结构并位于燃烧段内，并于壳体同轴分布；所述燃烧室与壳体内壁间距不低于1厘米，所述的燃烧室与壳体内壁间构成外涵道，且所述燃烧室前端另设锥形燃料混料段；所述的点火装置、氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴均正对燃烧室前端的燃料混料段，且氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴以点火装置对称分布；所述的冷却膨胀剂喷嘴至少两个，均布在外涵道进口处的壳体内壁上；所述冷却膨胀剂喷嘴的喷射方向指向喷口方向，并且与以冷却膨胀剂喷嘴为切点的壳体的切线方向一致；以壳体轴线对称分布的两个冷却膨胀剂喷嘴的喷射方向相反。

2. 根据权利要求1所述的一种高效环保液体火箭发动机，其特征在于，所述的壳体由合金基材及包覆在基材外部的碳纤维丝、玻璃纤维丝构成。

3. 根据权利要求1所述的一种高效环保液体火箭发动机，其特征在于，所述的氧化剂喷嘴、还原剂喷嘴与点火装置呈0°—90°夹角。

4. 根据权利要求1所述的一种高效环保液体火箭发动机，其特征在于，所述的冷却膨胀剂喷嘴所喷射的冷却膨胀剂为液氮、液态空气。

5. 根据权利要求1所述的一种高效环保液体火箭发动机，其特征在于，所述的氧化剂喷嘴和还原剂喷嘴所喷射的物质均为液态。

6. 根据权利要求1所述的一种高效环保液体火箭发动机，其特征在于，所述的喷口为拉瓦尔喷口。

7. 根据权利要求1所述的一种高效环保液体火箭发动机，其特征在于，所述冷却膨胀剂喷嘴喷射方向与壳体轴线呈0°—90°夹角。