CN108915894B - 一种宽范围工作的rbcc变几何全流道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，包括由前到后依次相连通的隔离段、第一燃烧室、第二燃烧室和喷管段，所述第一燃烧室内沿其长度方向水平设置有一个第一支板，将第一燃烧室分成上下两个独立的通道，分别为上通道和下通道，所述第一支板内的后端沿其纵向间隔设置有多个第一引射火箭；所述第一支板内为中空的腔体，与燃料相连通；多个第一引射火箭均与燃料相连通。该一种宽范围工作的RBCC变几何全流道有更宽的工作马赫数范围，能够实现高效燃烧。

Description

一种宽范围工作的RBCC变几何全流道

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种宽范围工作的RBCC变几何全流道。

背景技术

火箭冲压组合循环（RBCC）发动机将火箭发动机和冲压发动机有机地结合在同一流道中，使其能够在不同的飞行高度和马赫数下启用最优的工作模态，充分发挥火箭发动机和冲压发动机各自的特点，使RBCC发动机在具有高比冲、高推重比的同时还拥有零速启动、可重复利用的优点。相比于现有动力系统只需要在较窄区间工作，火箭冲压组合（RBCC）推进大空域、宽速域飞行的特点，给火箭冲压组合动力的全流道设计带来了极大的挑战。固定结构的RBCC燃烧室构型设计的关键是适应宽马赫数的来流条件变化，并且保持燃烧室流道面积与燃烧释热量相匹配，以完成不同模态下的稳定高效工作。燃烧室性能主要取决于燃烧室气流获得的加热量，在引射模态，为了保证火箭射流的抽吸作用以及削弱二次燃烧对引射空气量的影响，需要较大的燃烧室流通面积；在亚燃模态，由于隔离段压比的限制，为了保证进气道的正常工作，燃烧室需要适当降低燃料喷注当量比以减少总放热量，增大燃烧室面积扩张比可以增大允许的加热量，但此时对于增大流通面积的需求则远小于引射模态；在超燃模态，由于燃料燃烧向气流中的加热量减小，需要较小的燃烧室扩张比以满足对气流的减速作用，从而保证燃料在较高来流速度下的燃烧效果。

RBCC发动机通常只采用主支板单级火箭引射，发动机在引射模态工作时，单级火箭羽流与空气接触面积小，对空气做功能力较弱，导致发动机引射抽吸空气能力不足，固定结构的燃烧室构型不能适应宽马赫数的来流条件变化，也不能保持燃烧室流道面积与燃烧释热量相匹配，从而不能高效燃烧组织，因此，不同模态下RBCC发动机不能稳定高效工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，具有更宽的工作马赫数范围，能够实现高效燃烧。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，包括由前到后依次相连通的隔离段、第一燃烧室、第二燃烧室和喷管段，所述第一燃烧室 内沿其长度方向水平设置有一个第一支板，将所述第一燃烧室分成上下两个独立的通道，分别为上通道和下通道，所述第一支板内的后端沿其纵向间隔设置有多个第一引射火箭；所述第一支板内为中空的腔体，与燃料相连通；多个所述第一引射火箭均与燃料相连通。

进一步地，该上通道内沿其纵向并列且间隔设置有两个竖直向的第二支板，且两个第二支板的长度均小于上通道的长度，两个所述第二支板与上通道的侧壁一起，将上通道的前段分割为三个独立的流道；两个所述第二支板的内部均为中空的腔体，均与燃料相连通，用于向对应的流道内喷注燃料，其内部的后端沿其纵向间隔设置有多个第二引射火箭，多个所述第二引射火箭均与燃料相连通。

进一步地，该喷管段的顶板上在其纵向间隔设置有多个助推火箭，所述助推火箭的喷管出口与喷管段的内部相连通；多个所述助推火箭均与燃料相连通。

进一步地，该下通道内由前到后依次间隔设置有一级支板组和二级支板组，所述一级支板组和二级支板组均分别包括多个支板，且在同一组中：多个支板在下通道纵向方向上间隔排布；在不同组中：前后支板位置交错设置。

进一步地，该多个所述支板由前到后斜插入下通道内，二级支板组中的支板数量比所述一级支板组中的支板多一个。

进一步地，该第二燃烧室的与上通道相通的通道内设置有三级支板组，所述三级支板组中包括多个支板，沿上壁面的纵向间隔排布，且与所述第一引射火箭的位置相交错。

进一步地，该隔离段的顶板后端可朝向其腔体内运动，以改变进入第一燃烧室内的气体的压强。

进一步地，该支板均包括楔形前体段和等直后体段。

进一步地，该第一支板为六面体状。

本发明还公开了上述一种宽范围工作的RBCC变几何全流道在引射模态下，来流马赫数为0-2时，所述上通道和下通道均畅通，多个所述第一引射火箭、第二引射火箭和助推火箭同时启动燃烧，产生高温气体；所述三级支板组朝向第二燃烧室内喷注燃料，与对应的高温气体混合加热，并与由上通道和下通道来的空气流混合燃烧，产生高温气体，与助推火箭燃烧后产生的高温燃气混合，由喷管段喷出；

在亚燃模态下，来流马赫数为2-4时，关闭上通道、第二引射火箭和助推火箭，所述二级支板组和三级支板组向对应的通道喷注燃料，与下通道来的空气流混合燃烧，产生高温气体，与第一引射火箭燃烧后的高温气体混合，经喷管段喷出；

在超燃模态，来流马赫数为4-8，所述三级支板组关闭，所述一级支板组开启，所述一级支板组和二级支板组向下通道内喷注燃料，与空气流混合燃烧，高温气流经喷管段喷出。

本发明一种宽范围工作的RBCC变几何全流道具有如下优点：1.通过在流道中布置多级引射火箭，在引射模态采用多级引射火箭引射抽吸，增加了火箭羽流与空气的接触面积，可以增加引射空气流量，解决了只采用主支板单级火箭引射，发动机在引射模态工作时，单级火箭羽流与空气接触面积小，对空气做功能力较弱，导致发动机引射抽吸空气能力不足的问题。

2.高效燃烧：在引射模态工作时，通过两级引射火箭引射和一级助推火箭，可以实现三级支板喷注燃料的高效燃烧；在亚燃模态工作时，通过二级引射火箭小流量工作，实现二级支板组和三级支板组喷注燃料的高效燃烧；在超燃模态工作时，通过一级支板组和二级支板组喷注燃料实现高效燃烧。

3.具有更宽的工作马赫数（0-8Ma）范围，在不同飞行弹道，通过调节第一燃烧室上下通道和喉道高度匹配不同的来流状态，满足燃烧室的正常高效工作。

附图说明

图1是本发明一种宽范围工作的RBCC变几何全流道的结构示意图。

其中：a.隔离段；b.第一燃烧室；b-1.上通道；b-2.下通道；c.第二燃烧室；d.喷管段；1.第一支板；2.第一引射火箭；3.第二支板；4.第二引射火箭；5.一级支板组；6.二级支板组；7.三级支板组；8.助推火箭。

具体实施方式

本发明一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，如图1所示，包括由前到后依次相连通的隔离段a、第一燃烧室b、第二燃烧室c和喷管段d，第一燃烧室b 内沿其长度方向水平设置有一个第一支板1，将第一燃烧室b分成上下两个独立的通道，分别为上通道b-1和下通道b-2，第一支板1内的后端沿其纵向间隔设置有多个第一引射火箭2；第一支板1内为中空的腔体，与燃料相连通；多个第一引射火箭2均与燃料相连通。将第一燃烧室b分成上下两个独立的通道，采用并行的方式可以缩短燃烧室长度，多通道还可以增大低速阶段进气道喉道面积，提升燃烧室推力的同时降低进气道阻力。该隔离段a的顶板后端可朝向其腔体内运动，实现上通道b-1前端的关闭，以改变进入第一燃烧室b内的气体的压强和进气道喉道面积。隔离段a的顶板后端与第一燃烧室b间采用现有的动密封技术密封连接。

该上通道b-1内沿其纵向并列且间隔设置有两个竖直向的第二支板3，且两个第二支板3的长度均小于上通道b-1的长度，两个第二支板3与上通道b-1的侧壁一起，将上通道b-1的前段分割为三个独立的流道；两个第二支板3的内部均为中空的腔体，均与燃料相连通，用于向对应的流道内喷注燃料，其内部的后端沿其纵向间隔设置有多个第二引射火箭4，多个第二引射火箭4均与燃料相连通。第二支板2设计为六面体状，其后端开设有多个与腔体相连通的第二引射火箭4喷管安装孔。

该喷管段d的顶板上在其纵向间隔设置有多个助推火箭8，助推火箭8的喷管出口与喷管段d的内部相连通；多个助推火箭8均与燃料相连通。

该下通道b-2内由前到后依次间隔设置有一级支板组5和二级支板组6，一级支板组5和二级支板组6均分别包括多个支板，且在同一组中：多个支板在下通道b-2纵向方向上间隔排布；在不同组中：前后支板位置交错设置。多个支板由前到后斜插入下通道b-2内，二级支板组6中的支板数量比所述一级支板组5中的支板多一个。支板均包括楔形前体段和等直后体段。支板倾斜放置，一方面降低来流阻力；另一方面燃料沿轴向喷注的范围更宽。

该第二燃烧室c的与上通道b-1对应的通道内设置有三级支板组7，三级支板组7中包括多个支板，沿上壁面的纵向间隔排布，且与第一引射火箭2的位置相交错。避免第一引射火箭2的高温热流直接冲刷支板，通过二级支板组6与三级支板组7组合使用，能够实现燃料在第二燃烧室c内较好的扩散与燃烧。

一种宽范围工作的RBCC变几何全流道的工作方式如下：在引射模态下，来流马赫数为0-2时，进气道的收缩比为3.5，上通道b-1和下通道b-2均畅通，多个第一引射火箭2、第二引射火箭4和助推火箭8同时启动燃烧，产生高温气体；三级支板组7朝向第二燃烧室c内喷注燃料，与对应的高温气体混合加热，并与由上通道b-1和下通道b-2来的空气流混合燃烧，产生高温气体，与助推火箭8燃烧后产生的高温燃气混合，由喷管段d喷出；助推火箭8大流量工作，一方面实现低速起飞阶段快速加速的需求，另一方面可以在喷管d内形成气动边界，减小尾喷管d过膨胀程度；助推火箭8产生的高温气体是是第一引射火箭2产生的高温气体的3-5倍。此模态喷管的膨胀比为1.2。

在亚燃模态下，来流马赫数为2-4时，进气道收缩比为5.5，关闭上通道b-1、第二引射火箭4和助推火箭8，二级支板组6和三级支板组7向对应的通道喷注燃料，与下通道b-2来的空气流混合燃烧，产生高温气体，与第一引射火箭2燃烧后的高温气体混合，经喷管段d喷出。此模态喷管的膨胀比为1.6。

在超燃模态，来流马赫数为4-8，进气道收缩比为6.5，通过转动隔离段a顶板，进一步缩小进气道喉道面积，实现对来流较好的压缩，三级支板组7关闭，一级支板组5开启，一级支板组5和二级支板组6向下通道b-2内喷注燃料，与空气流混合燃烧，高温气流经喷管段d喷出；此模态喷管的膨胀比为2.0

该三级支板组7中的支板由前到后倾斜设置，且其下端位于第二燃烧室c内的中部位置。三级支板组6中的支板与第二引射火箭3交错布置，避免火箭高温热流直接冲刷支板，通过一级支板组4和二级支板组5组合使用，能够实现燃料在第二燃烧室d内较好的扩散与燃烧。

Claims (8)

1.一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，其特征在于，包括由前到后依次相连通的隔离段（a）、第一燃烧室（b）、第二燃烧室（c）和喷管段（d），所述第一燃烧室（b） 内沿其长度方向水平设置有一个第一支板（1），将所述第一燃烧室（b）分成上下两个独立的通道，分别为上通道（b-1）和下通道（b-2），所述第一支板（1）内的后端沿其纵向间隔设置有多个第一引射火箭（2）；所述第一支板（1）内为中空的腔体，与燃料相连通；多个所述第一引射火箭（2）均与燃料相连通；

所述上通道（b-1）内沿其纵向并列且间隔设置有两个竖直向的第二支板（3），且两个所述第二支板（3）的长度均小于上通道（b-1）的长度，两个所述第二支板（3）与上通道（b-1）的侧壁一起，将上通道（b-1）的前段分割为三个独立的流道；两个所述第二支板（3）的内部均为中空的腔体，均与燃料相连通，用于向对应的流道内喷注燃料，其内部的后端沿其纵向间隔设置有多个第二引射火箭（4），多个所述第二引射火箭（4）均与燃料相连通；

所述喷管段（d）的顶板上在其纵向间隔设置有多个助推火箭（8），所述助推火箭（8）的喷管出口与喷管段（d）的内部相连通；多个所述助推火箭（8）均与燃料相连通。

2.根据权利要求1所述的一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，其特征在于，所述下通道（b-2）内由前到后依次间隔设置有一级支板组（5）和二级支板组（6），所述一级支板组（5）和二级支板组（6）均分别包括多个支板，且在同一组中：多个支板在下通道（b-2）纵向方向上间隔排布，其与下通道（b-2）的侧壁一起将所在处分成几个独立的流道；在不同组中：前后支板位置交错设置。

3.根据权利要求2所述的一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，其特征在于，多个所述支板由前到后斜插入下通道（b-2）内，所述二级支板组（6）中的支板数量比所述一级支板组（5）中的支板多一个。

4.根据权利要求3所述的一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，其特征在于，所述第二燃烧室（c）的与上通道（b-1）相对应的通道内设置有三级支板组（7），所述三级支板组（7）中包括多个支板，沿上壁面的纵向间隔排布，且与所述第一引射火箭（2）的位置相交错。

5.根据权利要求4所述的一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，其特征在于，所述隔离段（a）的顶板后端可朝向其腔体内运动，实现上通道（b-1）进口端的关闭。

6.根据权利要求5所述的一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，其特征在于，所述支板均包括楔形前体段和等直后体段。

7.根据权利要求6所述的一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，其特征在于，所述第一支板（1）为六面体状。

8.一种宽范围工作的RBCC变几何全流道的工作方式，使用权利要求6-7中任一项所述的一种宽范围工作的RBCC变几何全流道，其特征在于，在引射模态下，来流马赫数为0-2时，所述上通道（b-1）和下通道（b-2）均畅通，多个所述第一引射火箭（2）、第二引射火箭（4）和助推火箭（8）同时启动燃烧，产生高温气体；所述三级支板组（7）朝向第二燃烧室（c）内喷注燃料，与对应的高温气体混合加热，并与由上通道（b-1）和下通道（b-2）来的空气流混合燃烧，产生高温气体，与助推火箭（8）燃烧后产生的高温燃气混合，由喷管段（d）喷出；

在亚燃模态下，来流马赫数为2-4时，关闭上通道（b-1）、第二引射火箭（4）和助推火箭（8），所述二级支板组（6）和三级支板组（7）向对应的通道喷注燃料，与下通道（b-2）来的空气流混合燃烧，产生高温气体，与第一引射火箭（2）燃烧后的高温气体混合，经喷管段（d）喷出；

在超燃模态，来流马赫数为4-8，所述三级支板组（7）关闭，所述一级支板组（5）开启，所述一级支板组（5）和二级支板组（6）向下通道（b-2）内喷注燃料，与空气流混合燃烧，高温气流经喷管段（d）喷出。