CN109322763A - 一种固体火箭粉末超燃冲压发动机 - Google Patents

Abstract

一种固体火箭粉末超燃冲压发动机，包括进气道、燃气发生器、超声速燃烧室以及尾喷管，还包括粉末供应系统，在所述进气道的内壁上开设有联通粉末供应系统的粉末喷出口，粉末供应系统输出的粉末燃料经粉末喷出口推进到进气道，进气道内的超声速来流空气卷吸粉末燃料以实现粉末燃料与超声速来流空气的掺混且在掺混后进入超声速燃烧室，粉末燃料以及富燃燃气在超声速燃烧室中燃烧产生的高温高压气体经尾喷管膨胀做功，产生推力。本发明可以通过粉末供应装置实现粉末燃料的供应量、供应速度等参数进行主动调节，具备推力可调的优点，可以使飞行器具有更好的机动性和更广的空域范围。

Description

一种固体火箭粉末超燃冲压发动机

技术领域

本发明涉及航空航天领域的一种冲压发动机，特指一种固体火箭 粉末超燃冲压发动机。

背景技术

进入21世纪后，人类在空天技术上向着高超声速时代发展，未来 大气层中以马赫数大于5飞行的高超声速飞行器以其高速、高机动性 可有效的实现突防和快速打击，而这一目标的实现主要基于适合于高 马赫数飞行的先进吸气式推进系统。美国及全球主要军事及航天大国 近十几年的高超声速飞行器动力系统地面试验和飞行验证试验研究 表明，超燃冲压发动机能够很好地满足这一迫切需求。

超燃冲压发动机是一项涉及多门学科和多项前沿领域的尖端技术， 目前研究较为广泛的超燃冲压发动机主要分为液体燃料超燃冲压发 动机和固体燃料超燃冲压发动机两类，但是它们都具有各自的不足之 处。液体燃料超燃冲压发动机存在系统复杂、维护使用不便、可靠性 低等缺点，而固体燃料冲压发动机则存在无法实现燃料流量主动调节、 燃料组织困难、燃料效率低等缺点。

因此，为了满足未来高超声速飞行器对运载技术不断增长的要求， 必须发展新一代性能更加优良的超燃冲压发动机。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种固体火箭粉末超燃冲 压发动机。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种固体火箭粉末超燃冲压发动机，包括进气道、燃气发生器、 超声速燃烧室以及尾喷管，来流空气经进气道进入超声速燃烧室，燃 料在燃气发生器中燃烧，生成高温富燃燃气，富燃燃气经燃气发生器 的出口喷管进入超声速燃烧室。本发明还包括粉末供应系统，在所述 进气道的内壁上开设有联通粉末供应系统的粉末喷出口，粉末供应系 统输出的粉末燃料经粉末喷出口推进到进气道，进气道内的超声速来 流空气卷吸粉末燃料以实现粉末燃料与超声速来流空气的掺混且在 掺混后进入超声速燃烧室，粉末燃料以及富燃燃气在超声速燃烧室中 燃烧产生的高温高压气体经尾喷管膨胀做功，产生推力。

燃气发生器可采用液体燃料或固体燃料，为增加发动机的比冲， 燃气发生器产生的燃气为富燃燃气，富燃燃气在超声速燃烧室中与空 气二次掺混、燃烧放热。进入超声速燃烧室的富燃燃气的作用如下： 1)富燃燃气与掺混有粉末燃料的超声速来流空气燃烧，为发动机提 供热能；2)富燃燃气作为扰动源，增强粉末燃料与超声速来流空气 的掺混；3)富燃燃气作为高温点火源，点燃粉末燃料，为发动机提 供热能。

燃气发生器设置位置可以但不限于设置在进气道的内部且与进气 道同中心轴线设置，燃气发生器也可置于发动机壁面，燃气发生器喷 出的富燃燃气以一定的角度和速度进入超声速燃烧室。

粉末供应系统对粉末燃料的供应量、供应速度等参数可调，从而 可实现发动机推力可调。其中，粉末燃料采用质量比冲或体积比冲较 高的固体粉末，如镁粉、铝粉、硼粉、碳粉及其混合物等。

所述粉末供应系统包括输送机构、输送通道以及粉末燃料存储室， 粉末燃料存储在粉末燃料存储室内，输送机构工作将粉末燃料从粉末 燃料存储室内输出并经输送通道将粉末燃料输送出粉末喷出口进而 推进到进气道。

所述输送机构可以是各种推进、抽吸等设备，可以将粉末燃料以 推压或者抽吸的方式从粉末燃料存储室输送至粉末喷出口，进而推进 到进气道。通过关闭粉末供应系统的输送机构，就可以方便地实现粉 末供应系统的关闭和开启，可以实现粉末燃料的稳定供应和流量的连 续调节，从而能够使发动机具备推力可调的特性。具体地如：粉末燃 料存储室内设置有电动活塞，电动活塞压缩粉末燃料储存室内空间， 粉末燃料存储室内的粉末燃料受压从粉末燃料存储室的出口输出，粉 末燃料存储室的出口与粉末喷出口之间通过输送通道联通，所述输送 通道上设置有用于控制粉末燃料的供应量以及供应速度的流量阀。通过在输送通道上安装流量计，可以实时掌握当前粉末燃料的流量，通 过调节流量阀可以实现粉末燃料供应量、供应速度等参数的实时可调。 进一步地，可以在输送通道的一端联通高压气源，利用高压气源输出 的高压气流进入输送通道，对进入输送通道内的粉末燃料进行流化后 一起经粉末喷出口喷入进气道，与进气道内的超声速来流空气再次掺 混，以实现超声速气流与粉末燃料的掺混。所述高压气源可由发动机 自身携带的高压气瓶，或者来自进气道的空气来流的分流，或者飞行 器主动热防护产生的高温高压气体提供。

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

1、相比固体燃料超燃冲压发动机，本发明可以通过粉末供应装置 实现粉末燃料的供应量、供应速度等参数进行主动调节，具备推力可 调的优点，可以使飞行器具有更好的机动性和更广的空域范围。

2、粉末燃料具有良好的稳定性，从而在制造、存储和使用过程中 的安全性大大提高，而且不存在贮存老化等问题。粉末燃料的物理特 性使其可依据飞行器结构特点充分利用有限空间进行装填贮存，大大 提高飞行器内部容积的利用率，这对容积受限的高超声速导弹类飞行 器而言是非常有利的。

3、高超声速飞行时进入燃烧室的空气温度很高，常规碳氢燃料的 燃烧产物易发生离解进而导致发动机比冲迅速降低，而金属粉末燃料 的燃烧产物稳定性较高，即使在超高速飞行状态下，燃料能量依然能 够得到充分的释放，从而相比于液体燃料具有更高的比冲。

4、粉末燃料置于超声速燃烧室周围，可吸收燃烧室热量，参与发 动机热防护，降低发动机热损失，从而提高发动机比冲。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是一实施例中粉末供应系统的示意图。

图3是另一实施例中粉末供应系统的示意图。

图中：

1——进气道；

2——燃气发生器；

3——粉末供应系统；

4——超声速燃烧室；

5——尾喷管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。

参照图1、2和3，本发明提供一种固体火箭粉末超燃冲压发动机， 包括进气道1、燃气发生器2、粉末供应系统3、超声速燃烧室4以 及尾喷管5。在所述进气道1的内壁上开设有联通粉末供应系统3的 粉末喷出口，粉末供应系统3输出的粉末燃料经粉末喷出口推进到进 气道1。进气道1内的超声速来流空气卷吸从粉末喷出口喷出的粉末 燃料，实现粉末燃料与超声速来流空气的掺混且在掺混后进入超声速 燃烧室4。燃料在燃气发生器2中燃烧，生成高温富燃燃气，富燃燃 气经燃气发生器2的出口喷管高速喷入超声速燃烧室4。粉末燃料以 及富燃燃气在超声速燃烧室4中燃烧产生的高温高压气体经尾喷管5 膨胀喷出，产生推力。本发明在进气道中加入粉末燃料，然后利用燃 气发生器产生的高温富燃燃气实现粉末燃料点火燃烧，同时，富燃燃 气可用于增强粉末燃料与超声速空气的掺混。通过上述方法实现粉末 燃料与超声速气流的高效掺混和稳定燃烧。

参照图1，本实施例中的燃气发生器2设置位置是设置在进气道 的内部且与进气道同中心轴线设置。而在实际应用中，燃气发生器也 可置于发动机壁面，燃气发生器的出口喷管喷出的富燃燃气以一定的 角度和速度进入超声速燃烧室。

粉末供应系统对粉末燃料的供应量、供应速度等参数可调，从而 可实现发动机推力可调。其中，粉末燃料采用质量比冲或体积比冲较 高的固体粉末，如镁粉、铝粉、硼粉、碳粉及其混合物等。

所述粉末供应系统包括输送机构、输送通道以及粉末燃料存储室， 粉末燃料存储在粉末燃料存储室内，输送机构工作将粉末燃料从粉末 燃料存储室内输出并经输送通道将粉末燃料输送出粉末喷出口进而 推进到进气道。所述输送机构可以是各种推进、抽吸等设备，可以将 粉末燃料以推压或者抽吸的方式从粉末燃料存储室输送至粉末喷出 口，进而推进到进气道。通过关闭粉末供应系统的输送机构，就可以 方便地实现粉末供应系统的关闭和开启。

参照图2和图3，粉末燃料存储室内设置有电动活塞，电动活塞 压缩粉末燃料储存室内空间，粉末燃料存储室内的粉末燃料受压从粉 末燃料存储室的出口输出，粉末燃料存储室的出口与粉末喷出口之间 通过输送通道联通，所述输送通道上设置有用于控制粉末燃料的供应 量以及供应速度的流量阀。通过在输送通道上安装流量计，可以实时 掌握当前粉末燃料的流量，通过调节流量阀可以实现粉末燃料供应量、 供应速度等参数的实时可调。

进一步地，参照图3，可以在输送通道的一端联通高压气源，利 用高压气源输出的高压气流进入输送通道，对进入输送通道内的粉末 燃料进行流化后一起经粉末喷出口喷入进气道，与进气道内的超声速 来流空气再次掺混，以实现超声速气流与粉末燃料的掺混。所述高压 气源可由发动机自身携带的高压气瓶，或者来自进气道的空气来流的 分流，或者飞行器主动热防护产生的高温高压气体提供。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种固体火箭粉末超燃冲压发动机，包括进气道、燃气发生器、超声速燃烧室以及尾喷管，来流空气经进气道进入超声速燃烧室，燃料在燃气发生器中燃烧，生成高温富燃燃气，富燃燃气经燃气发生器的出口喷管进入超声速燃烧室，其特征在于：还包括粉末供应系统，在所述进气道的内壁上开设有联通粉末供应系统的粉末喷出口，粉末供应系统输出的粉末燃料经粉末喷出口推进到进气道，进气道内的超声速来流空气卷吸粉末燃料以实现粉末燃料与超声速来流空气的掺混且在掺混后进入超声速燃烧室，粉末燃料以及富燃燃气在超声速燃烧室中燃烧产生的高温高压气体经尾喷管膨胀做功，产生推力。

2.根据权利要求1所述的固体火箭粉末超燃冲压发动机，其特征在于：燃气发生器采用液体燃料或固体燃料。

3.根据权利要求1或2所述的固体火箭粉末超燃冲压发动机，其特征在于：燃气发生器设置位置在进气道的内部且与进气道同中心轴线设置。

4.根据权利要求1或2所述的固体火箭粉末超燃冲压发动机，其特征在于：燃气发生器置于发动机壁面，燃气发生器喷出的富燃燃气以一定的角度和速度进入超声速燃烧室。

5.根据权利要求1所述的固体火箭粉末超燃冲压发动机，其特征在于：粉末燃料采用质量比冲或体积比冲较高的固体粉末，如镁粉、铝粉、硼粉、碳粉或者上述中一种或者一种以上物质的混合物。

6.根据权利要求1所述的固体火箭粉末超燃冲压发动机，其特征在于：所述粉末供应系统包括输送机构、输送通道以及粉末燃料存储室，粉末燃料存储在粉末燃料存储室内，输送机构工作将粉末燃料从粉末燃料存储室内输出并经输送通道将粉末燃料输送出粉末喷出口进而推进到进气道。

7.根据权利要求6所述的固体火箭粉末超燃冲压发动机，其特征在于：所述输送机构为推进或者抽吸设备，将粉末燃料以推压或者抽吸的方式从粉末燃料存储室输送至粉末喷出口，进而推进到进气道。

8.根据权利要求7所述的固体火箭粉末超燃冲压发动机，其特征在于：粉末燃料存储室内设置有电动活塞，电动活塞压缩粉末燃料储存室内空间，粉末燃料存储室内的粉末燃料受压从粉末燃料存储室的出口输出，粉末燃料存储室的出口与粉末喷出口之间通过输送通道联通，所述输送通道上设置有用于控制粉末燃料的供应量以及供应速度的流量阀。

9.根据权利要求8所述的固体火箭粉末超燃冲压发动机，其特征在于：在输送通道的一端联通高压气源，利用高压气源输出的高压气流进入输送通道，对进入输送通道内的粉末燃料进行流化后一起经粉末喷出口喷入进气道，与进气道内的超声速来流空气再次掺混，以实现超声速气流与粉末燃料的掺混。

10.根据权利要求9所述的固体火箭粉末超燃冲压发动机，其特征在于：所述高压气源是由发动机自身携带的高压气瓶，或者来自进气道的空气来流的分流，或者飞行器主动热防护产生的高温高压气体提供。