CN106494626A - 用新型发动机的四种高速飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用新型发动机的四种高速飞行器。针对现有飞机的飞行高度和速度有限，通过采用新型涡扇发动机及其与新型火箭发动机的组合，可使一种超音速客机的飞行高度到20‑35km和马赫数达2‑4，还可使一种高超音速无人机的飞行高度到35‑50km和马赫数达5‑7。針对现有运载火箭一次性使用，一种水平起落组合动力双箭体火箭在飞到28‑50km高度和马赫数达4‑7时，释放吊挂火箭，然后返回着陆和实现运载火箭的多次重复使用。針对重型运载火箭的研制难度大，通过采用三种新型火箭发动机，构成一种经济适用运载火箭。本发明的四种高速飞行器具有航空航天结合一体特点，用途较广。
Description
技术领域
本发明涉及用新型发动机的四种高速飞行器，属于超音速客机、高超音速无人机、水平起落运载火箭、经济适用运载火箭等高速飞行器技术领域。
背景技术
民航客机一般在10km高度以马赫数0.85巡航。由英法的″协和″和前苏联的″图144″构成的第一代超音速客机，在15-18km高度以马赫数2.02-2.35巡航。军用飞机还可以飞得高些和快些。航空技术的发展方向是使飞机飞得更好更高更快。
运载火箭有很多优点，已成功地把卫星、飞船、空间站等送入太空。但是，运载火箭存在一次性使用不经济的缺点。另外，重载氧化剂使得火箭的尺寸和质量大。没有产生升力的机翼，需要的发动机推力大。再加上液氧液氢和液氧煤油的燃烧温度高达3250-3400℃，加大了重型运载火箭及其大推力发动机的研制难度。航天技术的发展方向包括多次重复使用和减少研制难度。
美国一家公司正在研制用来发射火箭和卫星的世界最大飞机。航空航天结合一体也是重要的技术发展方向。这种飞机的翼展长达117m，但发射到大椭圆轨道的卫星质量只有6100kg。
针对以上情况并考虑到飞机和火箭都与发动机密切相关，本人首先进行了发动机的研究发明。提出了重复使用次数可大幅度增加到100-200次或更多次的四种新型火箭发动机，相关的中国专利授权为ZL201320842845.6、ZL201410071973.4、ZL201410246890.4和ZL201510012558.6。还提出了工作高度可较多增加到20-50km的四种新型涡扇发动机，是用新型火箭发动机(挤压式)作为航空涡扇发动机的加力燃烧室，中国专利申请号201510725064.2和201610326598.2，国际申请号PCT/CN 2016/00335。
这些独特的发动机与现有发动机在结构上大同小异，好的技术继承性利于开发应用。尤其是几种新型发动机组合使用更好。由此产生本发明的四种高速飞行器。
发明内容
针对飞机需要飞得更高更快及运载火箭需要多次重复使用和减少研制难度，为了解决这些问题，本发明对本人提出的几种新型发动机进行组合使用，提出四种高速飞行器。
本发明一种用新型发动机组合的超音速客机，由机鼻、机身、机尾、前三角形翼、三角形翼、操纵面、垂直安定面、垂直操纵面、前起落架和主起落架组成。三角形翼下面后部内侧安装2台或4台无富氧气涡扇发动机(长加力燃气涡轮发动机)。三角形翼下面后部外侧安装2台加力燃烧室进富氧气涡扇发动机(串联式涡轮火箭组合发动机)。机尾内设置1台超音速客机用火箭发动机(70-75％过氧化氢/煤油发动机)。两种涡扇发动机是在15-18km以上高度爬升时用加力工况和其它高度状况用非加力工况。火箭发动机只是在28-35km高度爬升并加速到马赫数3-4时工作不超过5分钟。小的前三角形翼和后面的三角形翼相组合并成一体。机身的壳体采用碳纤维增強复合、钛合金等轻质耐热材料。除可用一般的窄体机身外，一种机身为圆柱体。机鼻是固定式，借助摄像头和显示屏可弥补驾驶员视角的不足。
以上超音速客机可以不设置火箭发动机，依靠2台或4台无富氧气涡扇发动机和2台加力燃烧室进富氧气涡扇发动机推进到23-28km高度和达到马赫数2.5-3。
以上超音速客机可以既不设置火箭发动机又不设置加力燃烧室进富氧气涡扇发动机，依靠4台或6台无富氧气涡扇发动机推进到20-23km高度和达到马赫数2-2.5。
本发明一种新型组合动力高超音速无人机，由尖机鼻、机身、机尾、前三角形翼、三角形翼、操纵面、双斜安定面、双斜操纵面、前起落架和主起落架组成。三角形翼下面中间安装2-6台两处进富氧气涡扇发动机。机尾内设置2台双向摇摆的70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机或超音速客机用火箭发动机。两处进富氧气涡扇发动机有在15-18km以下高度的非加力工况和在15-28km高度爬升的加力燃烧室进富氧气加力工况，还有在28-40km高度爬升的进气道和加力燃烧室两处进富氧气的加力工况。火箭发动机只是在40-50km高度爬升和加速到马赫数5-7时工作不超过10分钟。小的前三角形翼和后面的三角形翼相组合并成一体。机身的壳体采用碳纤维增強复合材料。机身为圆柱体。
以上高超音速无人机可以不设置火箭发动机，依靠2-6台两处进富氧气涡扇发动机推进到35-40km高度和达到马赫数5。
本发明一种水平起落组合动力双箭体火箭，由大三角形翼、操纵面、双箭体、双垂直安定面、双垂直操纵面、前起落架和主起落架组成。双箭体包括箭头、箭舱、液氢箱舱、过氧化氢箱舱、富氧气供应系统舱、主起落架舱和火箭发动机舱。大三角形翼上面后部中间安装6-12台全程工作的加力燃烧室进富氧气涡扇发动机(串联式涡轮火箭组合发动机)或两处进富氧气涡扇发动机。火箭发动机舱内安装1-4台主要在28km或40km以上高度工作的70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机。大三角形翼下面中央有1个释放后点火的吊挂火箭或导弹及其它空天飞行器。
需要说明的是：按照煤油箱设置在机翼内的惯例，以上三种高速飞行器的大三角形翼、三角形翼和前三角形翼内也设置煤油箱。
本发明一种用新型火箭发动机的经济适用运载火箭，由4个助推火箭、1个一级火箭和1个二级火箭组成。每个带垂直安定面的助推火箭使用1-4台70-79％过氧化氢/煤油高压补燃火箭发动机。比液氧液氢火箭体积缩小一倍左右的一级火箭使用2台双向摇摆或4台单向摇摆的切换燃料火箭发动机或70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机。体积同样缩小的二级火箭使用2台双向摇摆的70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机。
以上四种高速飞行器都用到无毒可储存的中等浓度70-79％过氧化氢。这种优点多的氧化剂无毒无色无气味，腐蚀性较低，安全性较高，冰点低达-40--25℃，沸点高达125-131℃，密度高达1.287-1.330g/cm3，最高分解温度只有322-485℃，再生冷却温升一般只有20-30℃，价格较便宜。这种氧化剂与煤油和液氢燃料的燃烧温度大幅度降低到1956-2276℃，为火箭发动机及涡扇发动机加力燃烧室重复使用100-200次或更多次创造了条件。虽然由此使比冲降低较多，但密度比冲不低甚至反而高，因而使火箭发动机的推进性能降低有限，仍符合使用要求。
以上水平起落组合动力双箭体火箭的富氧气供应系统舱内设有富氧气供应系统，由增压气瓶、气阀门、减压器、过氧化氢箱、液阀门、蛇形管换热器、加力燃烧室再生冷却通道、第一液阀门、第一反应器、富氧气管、第二液阀门、第二反应器、气水分离器、氧气管和水管组成。第一反应器和第二反应器是用纯银网催化床催化分解70-79％过氧化氢生成富氧气的装置。富氧气管向加力燃烧室供应燃烧用富氧气。蛇形管换热器的蛇形管内流过的是70-79％过氧化氢或液氢，蛇形管外流过的是温度为322-485℃的富氧气。经过蛇形管换热器降温的富氧气成为由氧气、水蒸汽和水组成的气液两相流。
以上富氧气供应系统的气水分离器，由分离室壁、连接氧气管的顶盖、连接水管的水收集室、集合器和进气管组成。降温后的富氧气经过进气管、集合器和分离室壁上的切向孔进入气水分离器内。在离心力作用下甩出的液态水沿分离室壁内表面流向下部水收集室内，通过水管流到两处进富氧气涡扇发动机的主燃烧室以控制燃烧温度。含有少量水蒸汽的氧气则从氧气管流向两处进富氧气涡扇发动机的进气道并可用作过氧化氢箱的增压用气。
以上富氧气供应系统也可用于乘员和乘客的生命维持和生活，从氧气管流出的一部分氧气可供给气源系统作为人的呼吸用气，从水管流出的一部分水可作为人的生活用水。
本发明用新型发动机的四种高速飞行器的有益效果和优点是：
1.飞机能够飞得更高更快。用新型发动机组合的超音速客机，能在20-35km高度以马赫数2-4巡航，可以满足洲际飞行时间缩短1-2倍的要求。新型组合动力高超音速无人机，能使飞行高度达到35-50km和马赫数高达5-7。
2.火箭能够多次重复使用和提高运载能力。水平起落组合动力双箭体火箭，在释放吊挂火箭后，返回着陆和再用。这种火箭比世界最大飞机有大得多的推力、飞行高度和飞行速度，可达28-50km高度和马赫数4-7。因而在翼展只小不大的前提下，可使发射的卫星等有效载荷质量增加数倍，低轨道运载能力能达20000-60000kg或更大。
3.火箭能够减少研制难度和经济适用。用新型火箭发动机的经济适用运载火箭，把三种多次重复使用的新型火箭发动机改作一次性使用，提高了动力装置的可靠性和降低研制难度。大的推进剂密度使一、二级火箭体积约缩小一倍，利于缩短火箭研制周期和提高经济性。采用质量含量95.5-100％的无毒可储存推进剂(只有4-4.5％的液氢是无毒不可储存燃料)，提高了火箭的适用性，便于研制载人登火星巨型运载火箭和液体战略导弹。
4.四种高速飞行器都采用圆柱形机身或箭体，不仅改善结构受力，而且便于制造。另外，前三种飞行器的最大马赫数与最大飞行高度的对应数据，是参照等动压原则给出并充分考虑到实现可能，这使机身或箭体和机翼的结构受力不太大及气动摩擦发热比较均衡。
5.前三种高速飞行器的各三角形机翼选用适当的表面积和后掠角，就能使起落状况及亚音速爬升和下降轨迹尽量向现有民航客机看齐，并使这些飞行器在12km以上高度突破音障时减少飞行阻力。
6.研制四种高速飞行器都是费人力财力和时间的系统工程，需经过全面论证和精心规划设计。共用到本人提出的同一系列八种新型发动机中的七种，发动机要先行。这些飞行器及其发动机的开发研制会取得好的创新成果。
本发明用新型发动机的四种高速飞行器是具有航空航天结合一体特点的飞行器和发动机，可用作第二代超音速客机、先期太空旅游飞机、多用途高速无人机等，还可用作发射载人登月登火星飞船、空间站、同步轨道卫星、近地轨道卫星、航天飞机、空天飞机、太空旅游飞机和其它飞行器的运载火箭。
附图说明
图1是一种用新型发动机组合的超音速客机简图
图1-1是正视图
图1-2是侧视图
图1-3是仰视图
图2是一种新型组合动力高超音速无人机简图
图2-1是正视图
图2-2是侧视图
图2-3是仰视图
图3是一种水平起落组合动力双箭体火箭简图
图3-1是正视图
图3-2是侧视图
图3-3是仰视图
图3-4是双箭体内部各舱划分图
图4是一种用新型火箭发动机的经济适用运载火箭简图
图5是富氧气供应系统简图
图6是气水分离器简图
图6-1是正视图
图6-2是图6-1的A-A剖面图
具体实施方案
图1至图6是本发明用新型发动机的四种高速飞行器的优选实施例。
如图1所示，一种用新型发动机组合的超音速客机，由机鼻1、机身2、机尾3、前三角形翼4、三角形翼5、操纵面6、垂直安定面7、垂直操纵面8、前起落架9和主起落架10组成。三角形翼5下面后部内侧安装2台或4台无富氧气涡扇发动机(长加力燃气涡轮发动机)11，三角形翼5下面后部外侧安装2台加力燃烧室进富氧气涡扇发动机(串联式涡轮火箭组合发动机)12，机尾3内设置1台超音速客机用火箭发动机(70-75％过氧化氢/煤油发动机)13。无富氧气涡扇发动机11和加力燃烧室进富氧气涡扇发动机12是在15-18km以上高度爬升时用加力工况和其它高度状况用非加力工况，超音速客机用火箭发动机13只是在28-35km高度爬升并加速到马赫数3-4时工作不超过5分钟。小的前三角形翼4和后面的三角形翼5相组合并成一体。机身2的壳体14采用碳纤维增強复合、钛合金等轻质耐热材料。机身2为圆柱体。机鼻1是固定式。
用新型发动机组合的超音速客机，取消设置超音速客机用火箭发动机13，依靠2台或4台无富氧气涡扇发动机11和2台加力燃烧室进富氧气涡扇发动机12推进到23-28km高度和达到马赫数2.5-3。
用新型发动机组合的超音速客机，取消设置超音速客机用火箭发动机13并把加力燃烧室进富氧气涡扇发动机12换成无富氧气涡扇发动机11，依靠4台或6台无富氧气涡扇发动机11推进到20-23km高度和达到马赫数2-2.5。
如图2所示，一种新型组合动力高超音速无人机，由尖机鼻15、机身2、机尾3、前三角形翼4、三角形翼5、操纵面6、双斜安定面16、双斜操纵面17、前起落架9和主起落架10组成。三角形翼5下面后部中间安装2-6台两处进富氧气涡扇发动机18，机尾内设置2台双向摇摆的70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机19或超音速客机用火箭发动机13。两处进富氧气涡扇发动机18有在15-18km以下高度的非加力工况和在15-28km高度爬升的加力燃烧室进富氧气加力工况以及在28-40km高度爬升的进气道和加力燃烧室两处进富氧气的加力工况，70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机19或超音速客机用火箭发动机13只是在40-50km高度爬升和加速到马赫数5-7时工作不超过10分钟。小的前三角形翼4和后面的三角形翼5相组合并成一体。机身2的壳体14采用碳纤维增強复合材料。机身2为圆柱体。
新型组合动力高超音速无人机，取消设置70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机19或超音速客机用火箭发动机13，依靠2-6台两处进富氧气涡扇发动机18推进到35-40km高度和达到马赫数5。
如图3所示，一种水平起落组合动力双箭体火箭，由大三角形翼20、操纵面6、双箭体21、双垂直安定面22、双垂直操纵面23、前起落架9和主起落架10组成。双箭体21包括箭头24、箭舱25、液氢箱舱26、过氧化氢箱舱27、富氧气供应系统舱28、主起落架舱29和火箭发动机舱30。大三角形翼20上面后部中间安装6-12台全程工作的加力燃烧室进富氧气涡扇发动机(串联式涡轮火箭组合发动机)12或两处进富氧气涡扇发动机18，火箭发动机舱30内安装1-4台主要在28km或40km以上高度工作的70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机19。大三角形翼20下面中央有1个释放后点火的吊挂火箭31。
如图4所示，一种用新型火箭发动机的经济适用运载火箭，由4个助推火箭32、1个一级火箭33和1个二级火箭34组成。每个带垂直安定面7的助推火箭32使用1-4台70-79％过氧化氢/煤油高压补燃火箭发动机35，比液氧液氢火箭体积缩小1倍的一级火箭33使用2台双向摇摆或4台单向摇摆的切换燃料火箭发动机36或70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机19，体积同样缩小的二级火箭34使用2台双向摇摆的70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机19。
如图5所示，水平起落组合动力双箭体火箭的富氧气供应系统舱28内设有富氧气供应系统是由增压气瓶37、气阀门38、减压器39、过氧化氢箱40、液阀门41、蛇形管换热器42、加力燃烧室再生冷却通道43、第一液阀门44、第一反应器45、富氧气管46、第二液阀门47、第二反应器48、气水分离器49、氧气管50和水管51组成。第一反应器45和第二反应器48是用纯银网催化床催化分解70-79％过氧化氢生成富氧气的装置。富氧气管46向加力燃烧室供应燃烧用富氧气。蛇形管换热器42的蛇形管52内流过的是70-79％过氧化氢或液氢和蛇形管52外流过的是温度为322-485℃的富氧气。
如图6所示，水平起落组合动力双箭体火箭的富氧气供应系统的气水分离器49是由分离室壁53、连接氧气管50的顶盖54、连接水管51的水收集室55、集合器56和进气管57组成，降温后的富氧气通过进气管57、集合器56和分离室壁53上的切向孔58进入气水分离器49内分离成气体和水，气体从氧气管50流向两处进富氧气涡扇发动机18的进气道并可用作过氧化氢箱的增压用气，水通过水管51流到两处进富氧气涡扇发动机18的主燃烧室以控制燃烧温度。
水平起落组合动力双箭体火箭的富氧气供应系统可用于乘员的生命维持和生活，从氧气管(50)流出的一部分氧气可供给气源系统作为人的呼吸用气，从水管(51)流出的一部分水可作为人的生活用水。
Claims (10)
1.一种用新型发动机组合的超音速客机，由机鼻(1)、机身(2)、机尾(3)、前三角形翼(4)、三角形翼(5)、操纵面(6)、垂直安定面(7)、垂直操纵面(8)、前起落架(9)和主起落架(10)组成，其特征在于：三角形翼(5)下面后部内侧安装2台或4台无富氧气涡扇发动机(长加力燃气涡轮发动机)(11)，三角形翼下面后部外侧安装2台加力燃烧室进富氧气涡扇发动机(串联式涡轮火箭组合发动机)(12)，机尾(3)内设置1台超音速客机用火箭发动机(70-75％过氧化氢/煤油发动机)(13)，无富氧气涡扇发动机(11)和加力燃烧室进富氧气涡扇发动机(12)是在15-18km以上高度爬升时用加力工况和其它高度状况用非加力工况，超音速客机用火箭发动机(13)只是在28-35km高度爬升并加速到马赫数3-4时工作不超过5分钟，小的前三角形翼(4)和后面的三角形翼(5)相组合并成一体，机身(2)的壳体(14)采用碳纤维增強复合、钛合金等轻质耐热材料，机身(2)为圆柱体，机鼻(1)是固定式。
2.如权利要求1所述的用新型发动机组合的超音速客机，其特征在于：取消设置超音速客机用火箭发动机(13)，依靠2台或4台无富氧气涡扇发动机(11)和2台加力燃烧室进富氧气涡扇发动机(12)推进到23-28km高度和达到马赫数2.5-3。
3.如权利要求1所述的用新型发动机组合的超音速客机，其特征在于：取消设置超音速客机用火箭发动机(13)并把加力燃烧室进富氧气涡扇发动机(12)换成无富氧气涡扇发动机(11)，依靠4台或6台无富氧气涡扇发动机(11)推进到20-23km高度和达到马赫数2-2.5。
4.一种新型组合动力高超音速无人机，由尖机鼻(15)、机身(2)、机尾(3)、前三角形翼(4)、三角形翼(5)、操纵面(6)、双斜安定面(16)、双斜操纵面(17)、前起落架(9)和主起落架(10)组成，其特征在于：三角形翼(5)下面后部中间安装2-6台两处进富氧气涡扇发动机(18)，机尾内设置2台双向摇摆的70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机(19)或超音速客机用火箭发动机(13)，两处进富氧气涡扇发动机(18)有在15-18km以下高度的非加力工况和在15-28km高度爬升的加力燃烧室进富氧气加力工况以及在28-40km高度爬升的进气道和加力燃烧室两处进富氧气的加力工况，70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机(19)或超音速客机用火箭发动机(13)只是在40-50km高度爬升和加速到马赫数5-7时工作不超过10分钟，小的前三角形翼(4)和后面的的三角形翼(5)相组合并成一体，机身(2)的壳体(14)采用碳纤维增強复合材料，机身(2)为圆柱体。
5.如权利要求4所述的新型组合动力高超音速无人机，其特征在于：取消设置70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机(19)或超音速客机用火箭发动机(13)，依靠2-6台两处进富氧气涡扇发动机(18)推进到35-40km高度和达到马赫数5。
6.一种水平起落组合动力双箭体火箭，由大三角形翼(20)、操纵面(6)、双箭体(21)、双垂直安定面(22)、双垂直操纵面(23)、前起落架(9)和主起落架(10)组成，双箭体(21)包括箭头(24)、箭舱(25)、液氢箱舱(26)、过氧化氢箱舱(27)、富氧气供应系统舱(28)、主起落架舱(29)和火箭发动机舱(30)，其特征在于：大三角形翼(20)上面后部中间安装6-12台全程工作的加力燃烧室进富氧气涡扇发动机(串联式涡轮火箭组合发动机)(12)或两处进富氧气涡扇发动机(18)，火箭发动机舱(30)内安装1-4台主要在28km或40km以上高度工作的70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机(19)，大三角形翼(20)下面中央有1个释放后点火的吊挂火箭(31)。
7.一种用新型火箭发动机的经济适用运载火箭，由4个助推火箭(32)、1个一级火箭(33)和1个二级火箭(34)组成，其特征在于：每个带垂直安定面(7)的助推火箭(32)使用1-4台70-79％过氧化氢/煤油高压补燃火箭发动机(35)，比液氧液氢火箭体积缩小1倍的一级火箭(33)使用2台双向摇摆或4台单向摇摆的切换燃料火箭发动机(36)或70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机(19)，体积同样缩小的二级火箭(34)使用2台双向摇摆的70-79％过氧化氢/液氢火箭发动机(19)。
8.如权利要求6所述的水平起落组合动力双箭体火箭，其特征在于：所述的富氧气供应系统舱(28)内设有富氧气供应系统是由增压气瓶(37)、气阀门(38)、减压器(39)、过氧化氢箱(40)、液阀门(41)、蛇形管换热器(42)、加力燃烧室再生冷却通道(43)、第一液阀门(44)、第一反应器(45)、富氧气管(46)、第二液阀门(47)、第二反应器(48)、气水分离器(49)、氧气管(50)和水管(51)组成，第一反应器(45)和第二反应器(48)是用纯银网催化床催化分解70-79％过氧化氢生成富氧气的装置，富氧气管(46)向加力燃烧室供应燃烧用富氧气，蛇形管换热器(42)的蛇形管(52)内流过的是70-79％过氧化氢或液氢和蛇形管(52)外流过的是温度为322-485℃的富氧气。
9.如权利要求8所述的水平起落组合动力双箭体火箭，其特征在于：所述的富氧气供应系统的气水分离器(49)是由分离室壁(53)、连接氧气管(50)的顶盖(54)、连接水管(51)的水收集室(55)、集合器(56)和进气管(57)组成，降温后的富氧气通过进气管(57)、集合器(56)和分离室壁(53)上的切向孔(58)进入气水分离器(49)内分离成气体和水，气体从氧气管(50)流向两处进富氧气涡扇发动机(18)的进气道并可用作过氧化氢箱(40)的增压用气，水通过水管(51)流到两处进富氧气涡扇发动机(18)的主燃烧室以控制燃烧温度。
10.如权利要求8所述的水平起落组合动力双箭体火箭，其特征在于：所述的富氧气供应系统可用于乘员的生命维持和生活，从氧气管(50)流出的一部分氧气可供给气源系统作为人的呼吸用气，从水管(51)流出的一部分水可作为人的生活用水。
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-
2016
- 2016-11-04 CN CN201610958522.1A patent/CN106494626A/zh active Pending
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| WO2023003491A1 (ru) * | 2021-07-19 | 2023-01-26 | Публичное акционерное общество "Объединенная авиастроительная корпорация" (ПАО "ОАК") | Многофункциональный сверхзвуковой однодвигательный самолет |
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| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170315 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |