CN105351113A - 火箭基组合发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种火箭基组合发动机，其包括：连续旋转爆震发动机和固体发动机。固体发动机包括：外壳和固体药柱。外壳与连续旋转爆震发动机的壳体连接，外壳的后端设置有超声速喷口，外壳的位于超声速喷口与中心锥体的后体之间的空间为第二燃烧室，第二燃烧室通过第一燃烧室的出口连通于第一燃烧室；固体药柱与收容于外壳内且位于第二燃烧室内。这种组合发动机可充分利用连续旋转爆震发动机的后体与固体发动机的超声速喷口之间的空间，提高了该组合发动机的热力学效率。并且该火箭基组合发动机的结构简单，减小了该火箭基组合发动机的零部件的尺寸，同时减轻了该组合发动机的整体重量，提高了其动力系统的经济性能。
Description
技术领域
本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种火箭基组合发动机。
背景技术
近年来，伴随着对高超音速飞行器动力系统的研究的不断深入，吸气式组合发动机技术得到了快速的发展，其中基于火箭的组合动力得到了深入的研究，其中将液体火箭或者固体火箭与冲压发动机进行有效的组合，并且在不同的工作条件下，使得两种不同的发动机发挥各自的最大性能优势，从而成功实现航空航天动力推进的最佳组合。虽然基于液/固火箭发动机的组合动力性能优越，但作为燃气发生器的液/固体火箭发动机性能已无法再进一步提高，这也很大程度上制约了火箭基组合动力的进一步发展。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种火箭基组合发动机，其能够充分利用火箭基组合发动机的空间，大大提高了该火箭基组合发动机的热力学效率。
本发明的另一个目的在于提供一种火箭基组合发动机，其结构简单，减小了火箭基组合发动机的零部件的尺寸，同时也减轻了火箭基组合发动机整体的重量，提高了其动力系统的经济性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种火箭基组合发动机，其包括：连续旋转爆震发动机，作为引射装置；以及固体发动机，作为推力装置。
连续旋转爆震发动机包括：中心锥体、燃料收集管、多个燃料输送通道、壳体、燃料进管、多个燃料喷口、氧化剂喷口、以及多个氧化剂输送通道。
中心锥体具有：前体，位于火箭基组合发动机的前端；后体，连接中心锥体的前体并成为一体；以及环体，围绕中心锥体的前体的后部设置，并连接于前体；燃料收集管设置在中心锥体的前体和后体之间并位于中心锥体的前体和后体内部，具有燃料入口，收集经由燃料入口输入的燃料；多个燃料输送通道设置在中心锥体的前体和后体之间并位于中心锥体的前体和后体内部且周向分布、径向延伸，各燃料输送通道的一端连通燃料收集管；壳体围绕整个环体及后体设置，且连接并收容中心锥体的环体，并与整个后体的外表面围成轴向延伸的第一燃烧室，第一燃烧室在轴向上的末端为出口；燃料进管设置在中心锥体的前体和后体之间并位于中心锥体的前体和后体内部，呈环形，与所述多个燃料输送通道的另一端均连通，接收经由所述多个燃料输送通道输入的燃料；多个燃料喷口周向均匀分布在中心锥体的前体和后体之间且开口于中心锥体的前体和后体的外表面上并径向延伸，各燃料喷口连通燃料进管和第一燃烧室；氧化剂喷口均匀分布在中心锥体的环体朝向后体的端面上且沿轴向延伸，各氧化剂喷口连通第一燃烧室；多个氧化剂输送通道设置在中心锥体的前体内部，具有氧化剂入口以及用于收容由氧化剂入口输入的氧化剂并向氧化剂喷口输出所收容的氧化剂的收容凹部。
固体发动机包括：外壳和固体药柱。外壳与连续旋转爆震发动机的壳体连接，外壳的后端设置有超声速喷口，外壳的位于超声速喷口与中心锥体的后体之间的空间为第二燃烧室，第二燃烧室通过第一燃烧室的出口连通于第一燃烧室；固体药柱与收容于外壳内且位于第二燃烧室内。
其中，从经由燃料入口、燃料收集管、燃料输送通道、燃料进管及燃料喷口进入到第一燃烧室的燃料与经由氧化剂入口、氧化剂输送通道及氧化剂喷口进入到第一燃烧室的氧化剂在第一燃烧室内混合并形成爆震波且爆震波沿周向进行旋转爆震燃烧，爆震燃烧后产生的高温燃气经由第一燃烧室在轴向上的末端的出口排出，排出的高温燃气进入第二燃烧室并喷向固体药柱使得固体药柱燃烧，固体药柱的燃烧使得高温燃气与燃烧的固体药柱进行混合燃烧，混合燃烧的产生的混合燃烧燃气膨胀加速并通过超声速喷口向外排出产生推力。
本发明的有益效果如下：
在根据本发明的火箭基组合发动机中，固体发动机通过外壳连接于连续旋转爆震发动机的壳体而组合为火箭基组合发动机，这种组合发动机可充分利用连续旋转爆震发动机的中心锥体的后体与固体发动机的超声速喷口之间的空间(即第二燃烧室)，从而大大提高了该火箭基组合发动机的热力学效率。此外，该火箭基组合发动机的结构简单，减小了火箭基组合发动机的零部件的尺寸，同时也减轻了火箭基组合发动机整体的重量，提高了其动力系统的经济性能。
附图说明
图1是根据本发明的火箭基组合发动机的分解立体图；
图2是根据本发明的火箭基组合发动机的轴向剖视图；
图3是图1中圆圈部分的放大图；
图4是根据本发明的火箭基组合发动机的连续旋转爆震发动机的径向剖视图。
其中，附图标记说明如下：
1连续旋转爆震发动机181氧化剂入口
11中心锥体182收容凹部
111前体2固体发动机
112后体21外壳
113环体211连接部
12燃料收集管22固体药柱
121燃料入口23超声速喷口
13燃料输送通道A燃料储罐
14壳体B氧化剂储罐
141连接头S爆破螺栓
15燃料进管C1第一燃烧室
16燃料喷口C11出口
17氧化剂喷口C2第二燃烧室
18氧化剂输送通道
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的火箭基组合发动机。
参照图1至图4，根据本发明的火箭基组合发动机包括：连续旋转爆震发动机1，作为引射装置；以及固体发动机2，作为推力装置。
连续旋转爆震发动机1包括：中心锥体11、燃料收集管12、多个燃料输送通道13、壳体14、燃料进管15、多个燃料喷口16、氧化剂喷口17、以及多个氧化剂输送通道18。
中心锥体11具有：前体111，位于火箭基组合发动机的前端；后体112，连接中心锥体11的前体111并成为一体；以及环体113，围绕中心锥体11的前体111的后部设置，并连接于前体111。
燃料收集管12设置在中心锥体11的前体111和后体112之间并位于中心锥体11的前体111和后体112内部，具有燃料入口121，收集经由燃料入口121输入的燃料。
多个燃料输送通道13设置在中心锥体11的前体111和后体112之间并位于中心锥体11的前体111和后体112内部且周向分布、径向延伸，各燃料输送通道13的一端连通燃料收集管12。
壳体14围绕整个环体113及后体112设置，且连接并收容中心锥体11的环体113，并与整个后体112的外表面围成轴向延伸的第一燃烧室C1，第一燃烧室C1在轴向上的末端为出口C11。
燃料进管15设置在中心锥体11的前体111和后体112之间并位于中心锥体11的前体111和后体112内部，呈环形，与所述多个燃料输送通道13的另一端均连通，接收经由所述多个燃料输送通道13输入的燃料。
多个燃料喷口16周向均匀分布在中心锥体11的前体111和后体112之间且开口于中心锥体11的前体111和后体112的外表面上并径向延伸，各燃料喷口16连通燃料进管15和第一燃烧室C1。
氧化剂喷口17均匀分布在中心锥体11的环体113朝向后体112的端面上且沿轴向延伸，各氧化剂喷口17连通第一燃烧室C1。
多个氧化剂输送通道18设置在中心锥体11的前体111内部，具有氧化剂入口181以及用于收容由氧化剂入口181输入的氧化剂并向氧化剂喷口17输出所收容的氧化剂的收容凹部182。
固体发动机2包括：外壳21和固体药柱22。
外壳21与连续旋转爆震发动机1的壳体14连接，外壳21的后端设置有超声速喷口23，外壳21的位于超声速喷口23与中心锥体11的后体112之间的空间为第二燃烧室C2，第二燃烧室C2通过第一燃烧室C1的出口连通于第一燃烧室C1。固体药柱22与收容于外壳21内且位于第二燃烧室C2内。
其中，从经由燃料入口121、燃料收集管12、燃料输送通道13、燃料进管15及燃料喷口16进入到第一燃烧室C1的燃料与经由氧化剂入口181、氧化剂输送通道18及氧化剂喷口17进入到第一燃烧室C1的氧化剂在第一燃烧室C1内混合并形成爆震波且爆震波沿周向进行旋转爆震燃烧，爆震燃烧后产生的高温燃气经由第一燃烧室C1在轴向上的末端的出口C11排出，排出的高温燃气进入第二燃烧室C2并喷向固体药柱22使得固体药柱22燃烧，固体药柱22的燃烧使得高温燃气与燃烧的固体药柱22进行混合燃烧，混合燃烧的产生的混合燃烧燃气膨胀加速并通过超声速喷口23向外排出产生推力。
在根据本发明的火箭基组合发动机中，固体发动机2通过外壳21连接于连续旋转爆震发动机1的壳体14而组合为火箭基组合发动机，这种组合发动机可充分利用连续旋转爆震发动机1的中心锥体11的后体112与固体发动机2的超声速喷口23之间的空间(即第二燃烧室C2)，从而大大提高了该火箭基组合发动机的热力学效率。此外，该火箭基组合发动机的结构简单，减小了火箭基组合发动机的零部件的尺寸，同时也减轻了火箭基组合发动机整体的重量，提高了其动力系统的经济性能。
根据本发明的火箭基组合发动机，在一实施例中，参照图2，前体111设置有：燃料储罐A，连通燃料收集管12的燃料入口121以供入燃料，燃料从燃料储罐A经由燃料入口121、燃料收集管12、燃料输送通道13、燃料进管15及燃料喷口16进入到第一燃烧室C1内；以及氧化剂储罐B，连通多个氧化剂输送通道18的氧化剂入口181以供入氧化剂，氧化剂从氧化剂储罐B经由氧化剂入口181、氧化剂输送通道18及氧化剂喷口17进入到第一燃烧室C1内。这种将燃料储罐A和氧化剂储罐B直接设置在连续旋转爆震发动机1的前体111中的结构比较简单，无需安装提供燃料和氧化剂的外部装置，从而可减小火箭基组合发动机的零部件的尺寸，同时也可减轻火箭基组合发动机整体的重量，提高了火箭基组合发动机的动力系统的经济性能。
在一实施例中，参照图1和图2，连续旋转爆震发动机1的壳体14具有连接头141，固体发动机2的外壳21具有连接部211，连续旋转爆震发动机1的壳体14的连接头141与固体发动机2的外壳21的连接部211之间可拆装地连接。这种可拆装地连接方式简单快速，且能够使连续旋转爆震发动机1的壳体14和固体发动机2的外壳21之间具有更大的利用空间，从而大大提高了该火箭基组合发动机的热力学效率。
在一实施例中，参照图1和图2，连续旋转爆震发动机1的壳体14的连接头141与固体发动机2的外壳21的连接部211通过爆破螺栓S而可拆装地连接。其中，当固体发动机2的固体药柱22燃尽时，爆破螺栓S爆破，连续旋转爆震发动机1与固体发动机2的外壳21爆破脱离，接着连续旋转爆震发动机1继续工作。这里，选用爆破螺栓S连接连续旋转爆震发动机1的壳体14的连接头141与固体发动机2的外壳21的连接部211只是本发明优选的方式，当然不仅限如此，还可通过其它方式可拆装地连接连续旋转爆震发动机1与固体发动机2。
在一实施例中，参照图2，中心锥体11的后体112沿轴向朝向固体药柱22延伸并超出壳体14的连接头141位置。
在一实施例中，参照图1和图2，前体111的外形呈锥形，当然不仅限如此，还可根据实际情况将前体111设计成满足要求的其它形状。
在一实施例中，参照图1和图2，超声速喷口23呈喇叭形。喇叭形的超声速喷口23可以形成超音速喷流以获得最大的反推力，当然不仅限如此，超声速喷口23还可设计成其它形状。
在一实施例中，参照图4，多个燃料输送通道13可为四个且相邻燃料输送通道13之间的夹角为90度。但不仅限如此，燃料输送通道13的数量以及各燃料输送通道13之间的位置关系都可根据具体情况进行调整。
在一实施例中，参照图2，环体113的内表面为变截面，且氧化剂喷口17沿轴向朝向第二燃烧室C2的方向由宽变窄。
在一实施例中，中心锥体11的后体112与前体111可通过焊接成为一体。但不仅限如此，中心锥体11的后体112与前体111还可通过其它方式连接为一体。
在一实施例中，参照图1和图2，中心锥体11的后体112成渐缩的锥形，以使第一燃烧室C1在轴向上的末端的出口C11为塞式喷口。塞式喷口具有自适应性膨胀功能，可以使第一燃烧室C1中的燃气更充分的进入到第二燃烧室C2中以实现二次燃烧。
在一实施例中，参照图1和图2，固体药柱22可为环形。环形的固体药柱22可以实现固体药柱22的内部和轴向内端面同时燃烧，从而使固体药柱22的燃烧更为充分以提供更大的推力。这是本发明优选的固体药柱22的形状，但不仅限如此，也可选择其它形状的固体药柱22。
最后说明的是，根据本发明的火箭基组合发动机不仅可以应用于航天航空领域，还可以适用于航海领域。
Claims (10)
1.一种火箭基组合发动机，包括：
连续旋转爆震发动机(1)，作为引射装置，包括：
中心锥体(11)，具有：
前体(111)，位于火箭基组合发动机的前端；
后体(112)，连接中心锥体(11)的前体(111)并成为一体；以及
环体(113)，围绕中心锥体(11)的前体(111)的后部设置，并连接于前体(111)；
燃料收集管(12)，设置在中心锥体(11)的前体(111)和后体(112)之间并位于中心锥体(11)的前体(111)和后体(112)内部，具有燃料入口(121)，收集经由燃料入口(121)输入的燃料；
多个燃料输送通道(13)，设置在中心锥体(11)的前体(111)和后体(112)之间并位于中心锥体(11)的前体(111)和后体(112)内部且周向分布、径向延伸，各燃料输送通道(13)的一端连通燃料收集管(12)；
壳体(14)，围绕整个环体(113)及后体(112)设置，且连接并收容中心锥体(11)的环体(113)，并与整个后体(112)的外表面围成轴向延伸的第一燃烧室(C1)，第一燃烧室(C1)在轴向上的末端为出口(C11)；
燃料进管(15)，设置在中心锥体(11)的前体(111)和后体(112)之间并位于中心锥体(11)的前体(111)和后体(112)内部，呈环形，与所述多个燃料输送通道(13)的另一端均连通，接收经由所述多个燃料输送通道(13)输入的燃料；
多个燃料喷口(16)，周向均匀分布在中心锥体(11)的前体(111)和后体(112)之间且开口于中心锥体(11)的前体(111)和后体(112)的外表面上并径向延伸，各燃料喷口(16)连通燃料进管(15)和第一燃烧室(C1)；
氧化剂喷口(17)，均匀分布在中心锥体(11)的环体(113)朝向后体(112)的端面上且沿轴向延伸，各氧化剂喷口(17)连通第一燃烧室(C1)；
多个氧化剂输送通道(18)，设置在中心锥体(11)的前体(111)内部，具有氧化剂入口(181)以及用于收容由氧化剂入口(181)输入的氧化剂并向氧化剂喷口(17)输出所收容的氧化剂的收容凹部(182)；其特征在于，火箭基组合发动机还包括：
固体发动机(2)，作为推力装置，包括：
外壳(21)，与连续旋转爆震发动机(1)的壳体(14)连接，外壳(21)的后端设置有超声速喷口(23)，外壳(21)的位于超声速喷口(23)与中心锥体(11)的后体(112)之间的空间为第二燃烧室(C2)，第二燃烧室(C2)通过第一燃烧室(C1)的出口连通于第一燃烧室(C1)；
固体药柱(22)，与收容于外壳(21)内且位于第二燃烧室(C2)内；
其中，从经由燃料入口(121)、燃料收集管(12)、燃料输送通道(13)、燃料进管(15)及燃料喷口(16)进入到第一燃烧室(C1)的燃料与经由氧化剂入口(181)、氧化剂输送通道(18)及氧化剂喷口(17)进入到第一燃烧室(C1)的氧化剂在第一燃烧室(C1)内混合并形成爆震波且爆震波沿周向进行旋转爆震燃烧，爆震燃烧后产生的高温燃气经由第一燃烧室(C1)在轴向上的末端的出口(C11)排出，排出的高温燃气进入第二燃烧室(C2)并喷向固体药柱(22)使得固体药柱(22)燃烧，固体药柱(22)的燃烧使得高温燃气与燃烧的固体药柱(22)进行混合燃烧，混合燃烧的产生的混合燃烧燃气膨胀加速并通过超声速喷口(23)向外排出产生推力。
2.根据权利要求1所述的火箭基组合发动机，其特征在于，前体(111)设置有：
燃料储罐(A)，连通燃料收集管(12)的燃料入口(121)以供入燃料，燃料从燃料储罐(A)经由燃料入口(121)、燃料收集管(12)、燃料输送通道(13)、燃料进管(15)及燃料喷口(16)进入到第一燃烧室(C1)内；
氧化剂储罐(B)，连通多个氧化剂输送通道(18)的氧化剂入口(181)以供入氧化剂，氧化剂从氧化剂储罐(B)经由氧化剂入口(181)、氧化剂输送通道(18)及氧化剂喷口(17)进入到第一燃烧室(C1)内。
3.根据权利要求2所述的火箭基组合发动机，其特征在于，
连续旋转爆震发动机(1)的壳体(14)具有连接头(141)；
固体发动机(2)的外壳(21)具有连接部(211)；
连续旋转爆震发动机(1)的壳体(14)的连接头(141)与固体发动机(2)的外壳(21)的连接部(211)之间可拆装地连接。
4.根据权利要求3所述的火箭基组合发动机，其特征在于，连续旋转爆震发动机(1)的壳体(14)的连接头(141)与固体发动机(2)的外壳(21)的连接部(211)通过爆破螺栓(S)而可拆装地连接；
其中，当固体发动机(2)的固体药柱(22)燃尽时，爆破螺栓(S)爆破，连续旋转爆震发动机(1)与固体发动机(2)的外壳(21)爆破脱离，接着连续旋转爆震发动机(1)继续工作。
5.根据权利要求3所述的火箭基组合发动机，其特征在于，中心锥体(11)的后体(112)沿轴向朝向固体药柱(22)延伸并超出壳体(14)的连接头(141)位置。
6.根据权利要求1所述的火箭基组合发动机，其特征在于，超声速喷口(23)呈喇叭形。
7.根据权利要求1所述的火箭基组合发动机，其特征在于，所述多个燃料输送通道(13)为四个且相邻燃料输送通道(13)之间的夹角为90度。
8.根据权利要求1所述的火箭基组合发动机，其特征在于，环体(113)的内表面为变截面，且氧化剂喷口(17)沿轴向朝向第二燃烧室(C2)的方向由宽变窄。
9.根据权利要求1所述的火箭基组合发动机，其特征在于，中心锥体(11)的后体(112)成渐缩的锥形，以使第一燃烧室(C1)在轴向上的末端的出口(C11)为塞式喷口。
10.根据权利要求1所述的火箭基组合发动机，其特征在于，固体药柱(22)为环形。
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