CN109779781B - 提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，包括喷管壳体、第一磁场发生器环、第二磁场发生器环、电场发生器和喉部支架，第一磁场发生器环和第二磁场发生器环与喷管壳体同轴布置并固定于喷管壳体，且沿喷管壳体的轴向间隔布置，两者产生的磁场方向相反，喉部支架包括若干辐条，辐条与喷管壳体的内壁连接，喉部支架将喷管壳体的截面分隔为若干近似扇形区域，电场发生器包括正电极板和负电极板，正电极板和负电极板分别固定设置在辐条的两侧，若干近似扇形区域内形成的电场方向沿喷管壳体的截面的圆周均呈逆时针方向或均呈顺时针方向。本发明使得喷管在整个爆轰周期内的膨胀比都接近最佳值，提高了脉冲爆轰发动机的推力。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机喷管，特别是涉及一种提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管。
背景技术
目前，基于空气动力学的定常喷管设计研究已经相对成熟，但是针对非定常流的喷管设计至今未有突破性进展。随着脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)、脉冲发动机等非定常发动机的研究与应用，非定常流中的喷管设计成为研究者需要突破的重要技术，研究者需要通过喷管将非定常发动机燃烧室内产生的热能充分地转化为增加发动机推力的动力能。而此常规定常喷管的设计理念在这里不再适用，固定尺寸的喷管无法一直工作在最佳膨胀状态下。
脉冲爆轰发动机以脉冲爆轰波为基础，爆轰波能产生极高的燃气压力和燃气温度，以每秒几千米的速度向未燃混合物传播，爆轰燃烧过程接近等容过程。根据热力学理论可知基于等容燃烧的发动机Humphrey循环比基于等压燃烧的发动机Brayton循环具有更高的热循环效率。脉冲爆轰发动机燃烧理论上的优势如何转化为推进性能上的优势至今仍然困扰着众多学者，要将高温高压爆轰燃气的热能转化为发动机的推进性能，途径之一就是在其尾部安装合适的喷管。而PDE的温度和压力大跨度特性和非定常特性一致制约着非定常喷管的设计，至今学者对该发动机喷管的设计还未得出一致结论，PDE喷管的最佳结构与燃料、填充率、频率、高度、飞行马赫数等工作参数紧密相关。根据相关研究，PDE若采用固定结构喷管，甚至会出现同一类喷管在发动机不同工作状态下对PDE推进性能的影响完全相反的现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，动态适应发动机的不同工况，解决脉冲爆轰发动机不同工作状态下推力提升问题。
本发明的技术方案是这样的：一种提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，包括喷管壳体、第一磁场发生器环、第二磁场发生器环、电场发生器和喉部支架，所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环与所述喷管壳体同轴布置并固定于所述喷管壳体，所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环沿所述喷管壳体的轴向间隔布置，所述第一磁场发生器环产生的磁场方向与第二磁场发生器环产生的磁场方向相反，所述喉部支架包括若干辐条，所述辐条与所述喷管壳体的内壁连接，所述喉部支架将所述喷管壳体的截面分隔为若干近似扇形区域，所述电场发生器包括正电极板和负电极板，所述正电极板和负电极板分别固定设置在所述辐条的两侧，所述若干近似扇形区域内形成的电场方向沿所述喷管壳体的截面的圆周均呈逆时针方向或均呈顺时针方向。
运行过程中，脉冲爆轰发动机周期性地从燃烧室喷出高温高压的等离子气体，等离子气体经过所述喷管壳体喉部时，在第一磁场发生器环、第二磁场发生器环与电场发生器产生的电磁场中，显负电性的电子所受洛伦兹力由喷管轴线指向喷管壳体，显正电性的离子所受洛伦兹力由喷管壳体指向喷管轴线，由于电子的质量可以忽略不计，故气流将在喉部支架处收缩，气流具有了类似通过拉瓦尔喷管喉部时的收缩过程，通过控制电场发生器、磁场发生器产生的电磁场强度，可以使气流在整个爆轰周期内都接近最佳膨胀比，从而提高了脉冲爆轰发动机在整个周期内的推力。
进一步地，所述第一磁场发生器环位于所述第二磁场发生器环的轴向后方，位于所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环之间的所述喷管壳体内磁场方向为所述第二磁场发生器环指向所述第一磁场发生器环，所述若干近似扇形区域内形成的电场方向从所述喷管壳体的前端向后端看均呈逆时针方向。显正电性的离子沿此电场方向形成电流，由洛伦兹力左手定则，此时显正电性的离子所受洛伦兹力由喷管壳体指向喷管轴线。
进一步地，所述第一磁场发生器环位于所述第二磁场发生器环的轴向后方，位于所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环之间的所述喷管壳体内磁场方向为所述第一磁场发生器环指向所述第二磁场发生器环，所述若干近似扇形区域内形成的电场方向从所述喷管壳体的前端向后端看均呈顺时针方向。显正电性的离子沿此电场方向形成电流，由洛伦兹力左手定则，此时显正电性的离子所受洛伦兹力由喷管壳体指向喷管轴线。
进一步地，所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环均包括若干磁场发生器，所述第一磁场发生器环的磁场发生器与所述第二磁场发生器环的磁场发生器在所述喷管壳体的轴向上一一对应。
进一步地，所述第一磁场发生器环的磁场发生器之间等间隔布置，所述第二磁场发生器环的磁场发生器之间等间隔布置。
优选地，所述喷管壳体位于喉部的截面直径小于喷管壳体的前端截面直径，所述喷管壳体位于喉部的截面直径小于喷管壳体的后端截面直径，以减小所需电磁场的强度。
优选地，所述磁场发生器为永磁体或电磁铁。采用永磁体可减小装置复杂程度。
优选地，所述喉部支架与所述喷管壳体的内壁绝缘连接，可安装测量喉部支架与喷管壳体之间电位差的传感器，以反馈磁流体控制的效果。
优选地，所述喉部支架为米字型。
本发明所提供的技术方案的有益效果是，利用磁流体控制技术控制脉冲爆轰发动机产生的等离子体气流，使得气流在整个爆轰周期内的膨胀比可以非定常地调节到接近最佳值，从而提高了脉冲爆轰发动机的推力。
附图说明
图1为本发明磁流体控制喷管结构示意图。
图2为图1中A-A面剖视示意图。
图3为图1中B-B面剖视示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请参见图1至图3所示，本实施例涉及的提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，包括喷管壳体1、第一磁场发生器环2、第二磁场发生器环3、电场发生器4和喉部支架5。第一磁场发生器环2和第二磁场发生器环3与喷管壳体1同轴布置并固定于喷管壳体1的外侧。本实施例中第一磁场发生器环2和第二磁场发生器环3都是由若干磁场发生器构成，磁场发生器为永磁体，这样便于整体结构的安装制造。第一磁场发生器环2和第二磁场发生器环3沿喷管壳体1的轴向间隔布置，第一磁场发生器环2的磁场发生器2a与第二磁场发生器环3的磁场发生器3a在喷管壳体1的轴向上一一对应。第一磁场发生器环2的各个磁场发生器2a之间等间隔布置，第二磁场发生器环3的各个磁场发生器3a之间也等间隔布置。
请结合图2所示，第一磁场发生器环2产生的磁场方向应与第二磁场发生器环3产生的磁场方向相反，即，使得喷管壳体1内磁场方向由第一磁场发生器环2的磁场发生器2a指向第二磁场发生器环3的磁场发生器3a，或者由第二磁场发生器环3的磁场发生器3a指向第一磁场发生器环2的磁场发生器2a。
喷管壳体1的内部在喉部位置设置喉部支架5，喉部支架5用于安装电场发生器4。喉部支架5包括若干辐条5a，整体呈米字型。辐条5a与喷管壳体1的内壁绝缘连接，采用绝缘连接可安装测量喉部支架5与喷管壳体1之间电位差的传感器，以反馈磁流体控制的效果。请结合图3所示，喉部支架5将喷管壳体1的截面分隔为若干近似扇形区域S，电场发生器4包括正电极板4a和负电极板4b，正电极板4a和负电极板4b分别固定设置在辐条5a的两侧。通过正电极板4a和负电极板4b的放电使若干近似扇形区域S内形成的电场，所有扇形区域S内形成的电场方向沿喷管壳体1的截面的圆周均呈逆时针方向或均呈顺时针方向。
具体的电场方向由磁场方向确定，喷管壳体1内磁场方向由第一磁场发生器环2的磁场发生器2a指向第二磁场发生器环3的磁场发生器3a时，电场方向从喷管壳体1的前端向后端看均呈顺时针方向；喷管壳体1内磁场方向由第二磁场发生器环3的磁场发生器3a指向第一磁场发生器环2的磁场发生器2a时，电场方向从喷管壳体1的前端向后端看均呈逆时针方向。
等离子气体经过喷管壳体1喉部时，在磁场发生器2a,3a与电场发生器4产生的电磁场中，显负电性的电子所受洛伦兹力由喷管轴线指向喷管壳体1，显正电性的离子所受洛伦兹力由喷管壳体1指向喷管轴线，由于电子的质量可以忽略不计，故气流将在喉部支架5处收缩，气流具有了类似通过拉瓦尔喷管喉部时的收缩过程，通过控制电场发生器4、磁场发生器2a,3a产生的电磁场强度，可以使气流在整个爆轰周期内都接近最佳膨胀比，从而提高了脉冲爆轰发动机在整个周期内的推力。
应当指出的是，上述实施例是本发明优选的应用方式，还可以做出适当的改变也能满足本发明要求，如磁场发生器2a,3a可采用电磁体构成；可采用喷管壳体1位于喉部的截面直径小于喷管壳体1的前端截面直径也小于喷管壳体1的后端截面直径的喷管，即采用渐缩渐扩喷管作为喷管壳体1，可减少调节所需的电磁场强度；上述实施例中喉部支架5为米字型，喷管壳体1喉部截面为八等分，也可采用雪花型构成六等分，或者更多数量的等分形式。
Claims (9)
1.一种提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，其特征在于：包括喷管壳体、第一磁场发生器环、第二磁场发生器环、电场发生器和喉部支架，所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环与所述喷管壳体同轴布置并固定于所述喷管壳体，所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环沿所述喷管壳体的轴向间隔布置，所述第一磁场发生器环产生的磁场方向与第二磁场发生器环产生的磁场方向相反，所述喉部支架包括若干辐条，所述辐条与所述喷管壳体的内壁连接，所述喉部支架将所述喷管壳体的截面分隔为若干近似扇形区域，所述电场发生器位于所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环之间，所述电场发生器包括正电极板和负电极板，所述正电极板和负电极板分别固定设置在所述辐条的两侧，所述若干近似扇形区域内形成的电场方向沿所述喷管壳体的截面的圆周均呈逆时针方向或均呈顺时针方向。
2.根据权利要求1所述的提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，其特征在于：所述第一磁场发生器环位于所述第二磁场发生器环的轴向后方，位于所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环之间的所述喷管壳体内磁场方向为所述第二磁场发生器环指向所述第一磁场发生器环，所述若干近似扇形区域内形成的电场方向从所述喷管壳体的前端向后端看均呈逆时针方向。
3.根据权利要求1所述的提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，其特征在于：所述第一磁场发生器环位于所述第二磁场发生器环的轴向后方，位于所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环之间的所述喷管壳体内磁场方向为所述第一磁场发生器环指向所述第二磁场发生器环，所述若干近似扇形区域内形成的电场方向从所述喷管壳体的前端向后端看均呈顺时针方向。
4.根据权利要求1所述的提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，其特征在于：所述第一磁场发生器环和第二磁场发生器环均包括若干磁场发生器，所述第一磁场发生器环的磁场发生器与所述第二磁场发生器环的磁场发生器在所述喷管壳体的轴向上一一对应。
5.根据权利要求4所述的提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，其特征在于：所述第一磁场发生器环的磁场发生器之间等间隔布置，所述第二磁场发生器环的磁场发生器之间等间隔布置。
6.根据权利要求4所述的提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，其特征在于：所述磁场发生器为永磁体或电磁铁。
7.根据权利要求1所述的提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，其特征在于：所述喷管壳体位于喉部的截面直径小于喷管壳体的前端截面直径，所述喷管壳体位于喉部的截面直径小于喷管壳体的后端截面直径。
8.根据权利要求1所述的提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，其特征在于：所述喉部支架与所述喷管壳体的内壁绝缘连接。
9.根据权利要求1所述的提高脉冲爆轰发动机推力的磁流体控制喷管，其特征在于：所述喉部支架为米字型。
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