CN109779785B - 一种直喷式多级动力水下高速推进器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直喷式多级动力水下高速推进器及控制方法，包括低速段发动机、加速段发动机以及高速段发动机，突破了传统水下航行器单一航速的限制，低速、加速和高速发动机结构上相互贯通，启动后三段顺序工作，可在同一航程中实现常规低速巡航和七倍于常规速度的高速打击两种典型运动状态，并且可快速完成低速与高速两种航速的高效切换，保证切换过程中航行的稳定性；推进器的结构空间布置合理，实现了最小空间内多级推进器的最优化设计，可完成复杂条件下的多任务作战工作，可极大提高水下武器系统的战斗性能。

Description

一种直喷式多级动力水下高速推进器及控制方法

技术领域

本发明属于水下航行器动力技术领域，具体涉及一种直喷式多级动力水下高速推进器及控制方法。

背景技术

目前，各国海军纷纷围绕海洋权益保护，瞄准新的作战需求，积极开展新型装备研制，陆续在水面舰艇、潜艇装备以及新概念新技术等方面取得重大进展。当前形势下，水下高效攻击性武器在现代战场中的作用显得愈加重要。水下武器的杀伤原理是折断对方的龙骨，隐蔽性强，拥有较好的突防效果和较高的命中率；可以增强战术的多样化，提高攻击效果。但在水下作战平台建设上，各国普遍受到动力系统效率低下这一问题的困扰，能源与动力系统是当前航行器在军事应用方面受限的一个主要技术难点。突破新能源开发与利用，提高武器的续航能力，使航行体向高兼容性和模块化方向发展是当前的重要任务。

在各种可利用的能源中，金属燃料所具有的高热值能量受到各国的重视，尤其部分金属燃烧过程所需要的氧化剂可以由工作环境中引入的水介质充当，其可行性和方便性已经得到证明，并在已有武器型号中得到利用，值得深入挖掘其具备的潜力。但在已有的航行器动力系统中，航速单一，难以实现航速转换，缺乏作战需要的灵活性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种直喷式多级动力水下高速推进器及控制方法，针对不同作战方针，将水冲压高金属含量推进剂发动机与高金属含量固体火箭发动机相结合，通过合理设计装药方式、调整装药量和冲压入水量满足不同航行速度下系统对推进动力的需求；同时满足推进器结构紧凑化，重量轻型化的总体要求，最终实现灵活作战的总目标。

一种直喷式多级动力水下高速航行器，包括顺次相连的低速段发动机、加速段发动机与高速段发动机；

所述高速段发动机包括高速段入水缓冲室(1)、高速段一次注水管路(2)、水冲压金属燃料(3)、高速段二次注水管路(4)、高速段燃烧室(19)和高速段喷管(5)；

所述加速段发动机包括加速段挡板(6)、固体推进剂(7)、加速段燃烧室(20)和加速段喷管(8)；

所述低速段发动机包括低速段挡板(10)、低速段入水缓冲室(11)、水泵(12)、低速段一次注水管路(13)、低速段二次注水管路(14)、低速段喷管(17)、水冲压金属燃料和低速段燃烧室(21)；

所述高速段燃烧室(19)的一端封闭，外部端面上连接高速段入水缓冲室(1)；另一端开口，连接有高速段喷管(5)；水冲压金属燃料(3)靠近高速段入水缓冲室(1)一侧浇铸于高速段燃烧室(19)内；高速段一次注水管路(2)与高速段二次注水管路(4)各有若干支；高速段一次注水管路(2)与高速段二次注水管路(4)的一端联通高速段发动机缓冲室(1)，另一端伸入到高速段燃烧室(19)的内部空腔中；

加速段挡板(6)的一侧与高速段喷管(5)通过爆炸螺栓相连接，对高速段喷管(5)进行封盖；加速段挡板(6)的另一侧固连到加速段燃烧室(20)的一侧端部；加速段燃烧室(20)的另一侧开口端连接加速段喷管(8)；高金属含量固体推进剂(7)采用铸于加速段燃烧室(20)内；

低低速段挡板(10)的一个侧面与加速段喷管(8)通过爆炸螺栓连接，另一个侧面连接低速段入水缓冲室(11)；低速段燃烧室(21)由水冲压金属燃料进行填装，开口端接低速段喷管(17)；低速段入水缓冲室(11)又分成两个小缓冲室，第一小缓冲室连接低速段挡板(10)，设置有入水口(9)；第一小缓冲室连接水泵(12)的入水口，水泵(12)的出水口联通第二小缓冲室；低速段一次注水管路(13)一端与第二小缓冲室联通，另一端接通到低速段燃烧室(21)的水冲压金属燃料18处；低速段二次注水管路(14)一端与第二小缓冲室联通，另一端联通至低速段燃烧室(21)，接口位于燃烧室(21)中轴处。

进一步的，低速段燃烧室(21)靠近低速段喷管(17)的一端为混燃室腔体，另一端的边缘延伸出若干偶数个与混燃室腔体联通的装药管，装药管由水冲压金属燃料进行填装；所有装药管环绕一圈，围成一个空腔，加速段发动机的后部以及低速段发动机中的低速段入水缓冲室(11)、水泵(12)、低速段一次注水管路(13)以及低速段二次注水管路(14)容纳在所述空腔中；

每个装药管至少配置一个低速段一次注水管路(13)，低速段一次注水管路(13)沿装药管的外表面设置。

进一步的，低速段一次注水管路(13)通过两个以上的接口联通到装药管不同长度处。

较佳的，低速段发动机、加速段发动机与高速段发动机分别通过螺栓与航行器壳体相连接。

较佳的，所述高速段燃烧室(19)与高速段喷管(5)通过螺纹连接。

较佳的，高速段一次注水管路(2)与高速段二次注水管路(4)间隔布置在高速段燃烧室(19)的外表面上。

较佳的，水泵(12)的动力由电池(15)提供。

较佳的，水泵(12)对所述第二小缓冲室的供水量由流量阀(16)控制。

一种直喷式多级动力水下高速航行器的控制方法，包括如下步骤：

(1)启动低速段发动机，采用点火装置点燃装药管内的水冲压金属燃料；燃料燃烧到设定温度后，启动水泵(12)，由外部入水口(9)将外界环境中的水引入低速段入水缓冲室(11)，开启低速段一次注水管路(13)，促进其与水冲压金属燃料发生反应，实现水冲压燃烧；随后开启低速段二次注水管路(14)，环境入水与水冲压金属燃料燃烧所产生的燃气发生二次掺混，并通过低速段喷管(17)输出推动力；

(2)低速段的水冲压金属燃料全部燃尽后，启动连接低速挡板(10)与加速段喷管(8)的爆炸螺栓装置，抛弃低速段发动机装置，启动加速段发动机；加速段发动机工作后，点燃固体推进剂(7)，燃烧产生的燃气通过加速段喷管(8)向外排出，产生推动力；

(3)加速段发动机内高金属含量固体推进剂(7)燃尽后，启动连接加速段挡板(6)与高速段喷管(5)的爆炸螺栓装置，抛弃加速段发动机，启动高速段发动机；

高速段发动机工作后，启动水冲压金属燃料(3)内的点火装置将其点燃，燃气达到设定温度后，开启高速段入水缓冲室(1)的入水口，引入外界环境中的水，启动一次注水管路(2)，使之与水冲压金属燃料(3)在高速段燃烧室(19)内发生反应，实现水冲压燃烧，释放热量；随后开启二次注水管路(4)，环境入水与水冲压金属燃料(3)燃烧产生的燃气进行二次掺混，燃气通过高速段喷管(5)向外排出，产生推动力；高速段水冲压金属燃料(3)全部燃尽后，推进器全部工作结束。

较佳的，低速发动机启动后，采用对称方式顺次启动各装药管中的点火装置以点燃其内部的水冲压金属燃料。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的直喷式多级动力水下高速推进器及控制方法，突破了传统水下航行器单一航速的限制，低速、加速和高速发动机结构上相互贯通，启动后顺序工作，可在同一航程中实现常规低速巡航和七倍于常规速度的高速打击两种典型运动状态，并且可快速完成低速与高速两种航速的高效切换，保证切换过程中航行的稳定性；推进器的结构空间布置合理，实现了最小空间内多级推进器的最优化设计，可完成复杂条件下的多任务作战工作，可极大提高水下武器系统的战斗性能；

在航行体低速工作阶段，本发明采用水泵引入环境水，使之与水冲压金属燃料发生反应，释放热量。

低速段发动机III工作结束后，通过爆炸螺栓等装置将低速段工作机构抛出，同时启动加速段发动机II工作。加速段工作结束后，通过爆炸螺栓等装置将加速段工作机构抛出，同时启动高速段发动机I工作。

在航行体高速工作阶段，本发明采用水冲压金属燃料推进剂，利用航行体自身高速运动形成的高压引入环境水，实现自主水冲压燃烧。燃烧产生的混合燃气通过拉法尔喷管采用直喷形式排出燃烧室，产生强大推力，可实现对目标的快速打击。

附图说明

图1是直喷式多级动力水下推进器立体图。

图2是本发明的直喷式多级动力水下推进器结构示意图。

图3是本发明的直喷式多级动力水下推进器剖视图。

图4是直喷式多级动力水下推进器中低速段发动机III立体图。

图5是加速段发动机II立体图。

图6是直喷式多级动力水下推进器中高速段发动机I立体图。

其中，I-高速段发动机I，II-加速段发动机II，III-低速段发动机III，1-高速段入水缓冲室，2-高速段一次注水管路，3-水冲压金属燃料，4-高速段二次注水管路，5-高速段喷管，6-加速段挡板，7-固体推进剂，8-加速段喷管，9-低速段外部入水口，10-低速段挡板，11-低速段入水缓冲室，12-水泵，13-低速段一次注水管路，14-低速段二次注水管路，15-电池，16-流量阀，17-低速段喷管，18-小型水冲压金属燃料，19-高速段燃烧室，20-加速段燃烧室，21-低速段燃烧室。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1-6所示，本发明的直喷式多级动力水下高速推进器主要包括高速段发动机I、加速段发动机II和低速段发动机III，三部分顺次相连，加速段部分半包覆于低速发动机内部，三部分分别通过螺栓与航行器壳体固连。本发明中，以推进器前进方向为前，反方向为后。

高速段发动机I主要包括高速段入水缓冲室1、高速段一次注水管路2、水冲压金属燃料3、高速段二次注水管路4、高速段燃烧室19和高速段喷管5；

加速段发动机II主要包括加速段挡板6、高金属含量固体推进剂7、加速段燃烧室20和加速段喷管8；

低速段发动机III主要包括低速段外部入水口9、低速段挡板10、低速段入水缓冲室11、水泵12、低速段一次注水管路13、低速段二次注水管路14、电池15、流量阀16、低速段喷管17、小型水冲压金属燃料18和低速段燃烧室21。

高速段燃烧室19的前端封闭，外部端面上连接高速段入水缓冲室1；后端开口，连接有高速段喷管5，两者通过螺纹连接。水冲压金属燃料3靠近高速段入水缓冲室1一侧浇铸于高速段燃烧室19内；高速段一次注水管路2与高速段二次注水管路4各有若干支，二者长度不同，间隔布置在高速段燃烧室19的外表面上；高速段一次注水管路2与高速段二次注水管路4的一端联通高速段发动机I缓冲室1，另一端伸入到高速段燃烧室19的内部；高速段一次注水管路2短于高速段二次注水管路4，高速段一次注水管路2联通到高速段燃烧室19的位置位于水冲压金属燃料3燃烧面的后端。

加速段发动机II与高速段发动机I通过加速段挡板6相间隔，加速段挡板6的一侧与高速段喷管5通过爆炸螺栓相连接，对高速段喷管5进行封盖；高速段喷管5的另一侧焊接到加速段燃烧室20的一侧端部；加速段燃烧室20的另一侧开口端通过螺纹连接加速段喷管8；固体推进剂7被浇筑成空心柱形结构的固体推进剂药柱，多个固体推进剂药柱排列在加速段燃烧室20内；为了提高推力，固体推进剂7中埋置有金属丝。

低速段发动机III与加速段发动机II通过低速段挡板10相间隔；低速段挡板10的一个侧面与加速段喷管8通过爆炸螺栓连接，另一个侧面通过焊接的方式连接低速段入水缓冲室11。

低速段燃烧室21的后端为混燃室腔体，混燃室腔体后端连接喷管17，前端的边缘延伸出若干偶数个与混燃室腔体联通的装药管，装药管由小型水冲压金属燃料18进行填装；多个装药管环绕一圈，围成一个空腔，空腔内径略大于加速段燃烧室20外径，加速段发动机II的后部以及低速段发动机III中的低速段入水缓冲室11、水泵12低速段一次注水管路13、低速段二次注水管路14、电池15和流量阀16容纳在所述空腔中；可以节约空间，减少系统体积；

低速段入水缓冲室11又分成两个小缓冲室，第一小缓冲室连接低速段挡板10，设置有低速段外部入水口9；第一小缓冲室连接水泵12的入水口，水泵12的出水口联通第二小缓冲室；每个装药管至少配置一个低速段一次注水管路13，低速段一次注水管路13沿装药管的外表面设置，其一端联通第二小缓冲室，另一端联通到装药管内；低速段一次注水管路13通过两个以上的管路接到装药管不同长度处；当药柱不断燃烧，燃烧面后退，可逐个将低速段一次注水管路13的接口暴露出来，最近的接口就近给药柱供水，因此可提高药柱的燃烧效率。

低速段二次注水管路14一端接在第二小缓冲室11上，另一端联通至低速段燃烧室21，接口位于燃烧室21中轴处。水泵12的动力由电池15提供，水泵12对第二小缓冲室的供水量由流量阀16控制。低速段发动机III的动力输出装置与高速段和加速段相同，利用喷管17采用直喷形式产生推力。

本发明装置的工作原理为：

多级动力水下高速推进器在接到航行器的启动指令后，顺序启动低速段发动机III、加速段发动机II以及高速段发动机I，推进航行器由低速巡航状态转为高速打击状态，直到燃料燃尽完成全部工作。

在低速段发动机III中，利用水泵12引入环境水，促进水冲压高金属含量固体燃料反应放热；在加速段发动机II中，通过对装药形式和推进剂成份的合理设计，保证航行体在加速过程中的稳定性；高速段发动机I中采用水冲压金属燃料提高其航速。

总结本发明直喷式多级动力水下推进器的操作方法，步骤如下：

(1)启动低速段发动机III。低速段燃烧室21由若干偶数个装药管及共用的混燃室腔体组成，每个装药管内填装小型端燃式水冲压金属燃料18，并设置点火装置。系统启动后，采用对称方式顺次启动各分支药柱中的点火装置以点燃装药管内的水冲压金属燃料18。燃料燃烧到一定温度后，启动水泵12，由外部入水口9将外界环境中的水引入低速段入水缓冲室11，开启低速段一次注水管路13，促进其与水冲压金属燃料18发生反应，实现水冲压燃烧，释放热量。随后开启低速段二次注水管路14，令环境入水与水冲压金属燃料18燃烧所产生的燃气发生二次掺混，以增加总燃气量，提高系统做功能力。通过流量阀16监测系统总入水量。全部燃气通过高速段喷管17输出推动力。

(2)低速段水冲压金属燃料18全部燃尽后，启动连接低速挡板10与加速段喷管8的爆炸螺栓装置，抛弃低速段发动机III装置，启动加速段发动机II。加速段发动机II工作后，启动采用高金属含量固体推进剂7内的点火装置，点燃推进剂，促进其燃烧，燃烧产生的燃气通过加速段喷管8向外排出，产生推动力。

(3)加速段高金属含量固体推进剂7燃尽后，启动连接加速段挡板6与高速段喷管5的爆炸螺栓装置，抛弃加速段发动机II装置，启动高速段发动机I。

高速段发动机I工作后，启动水冲压金属燃料3内的点火装置将其点燃，燃气达到一定温度后，开启高速段入水缓冲室1的入水口，引入外界环境中的水，启动一次注水管路2，使之与水冲压金属燃料3在高速段燃烧室19内发生反应，实现水冲压燃烧，释放热量。随后开启二次注水管路4，令环境入水与水冲压金属燃料3燃烧产生的燃气进行二次掺混，增加燃气总量，提高做功能力。全部燃气通过高速段喷管5向外排出，产生推动力，维持航行器高速运动。高速段水冲压金属燃料3全部燃尽后，推进器全部工作结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种直喷式多级动力水下高速航行器，其特征在于，包括顺次相连的低速段发动机、加速段发动机与高速段发动机；

所述高速段发动机包括高速段入水缓冲室(1)、高速段一次注水管路(2)、水冲压金属燃料(3)、高速段二次注水管路(4)、高速段燃烧室(19)和高速段喷管(5)；

所述加速段发动机包括加速段挡板(6)、固体推进剂(7)、加速段燃烧室(20)和加速段喷管(8)；

所述低速段发动机包括低速段挡板(10)、低速段入水缓冲室(11)、水泵(12)、低速段一次注水管路(13)、低速段二次注水管路(14)、低速段喷管(17)、水冲压金属燃料和低速段燃烧室(21)；

所述高速段燃烧室(19)的一端封闭，外部端面上连接高速段入水缓冲室(1)；另一端开口，连接有高速段喷管(5)；水冲压金属燃料(3)靠近高速段入水缓冲室(1)一侧浇铸于高速段燃烧室(19)内；高速段一次注水管路(2)与高速段二次注水管路(4)各有若干支；高速段一次注水管路(2)与高速段二次注水管路(4)的一端联通高速段发动机缓冲室(1)，另一端伸入到高速段燃烧室(19)的内部空腔中；

加速段挡板(6)的一侧与高速段喷管(5)通过爆炸螺栓相连接，对高速段喷管(5)进行封盖；加速段挡板(6)的另一侧固连到加速段燃烧室(20)的一侧端部；加速段燃烧室(20)的另一侧开口端连接加速段喷管(8)；高金属含量固体推进剂(7)采用铸于加速段燃烧室(20)内；

低速段挡板(10)的一个侧面与加速段喷管(8)通过爆炸螺栓连接，另一个侧面连接低速段入水缓冲室(11)；低速段燃烧室(21)由水冲压金属燃料进行填装，开口端接低速段喷管(17)；低速段入水缓冲室(11)又分成两个小缓冲室，第一小缓冲室连接低速段挡板(10)，设置有入水口(9)；第一小缓冲室连接水泵(12)的入水口，水泵(12)的出水口联通第二小缓冲室；低速段一次注水管路(13)一端与第二小缓冲室联通，另一端接通到低速段燃烧室(21)的水冲压金属燃料18处；低速段二次注水管路(14)一端与第二小缓冲室联通，另一端联通至低速段燃烧室(21)，接口位于燃烧室(21)中轴处。

2.如权利要求1所述的一种直喷式多级动力水下高速航行器，其特征在于，低速段燃烧室(21)靠近低速段喷管(17)的一端为混燃室腔体，另一端的边缘延伸出若干偶数个与混燃室腔体联通的装药管，装药管由水冲压金属燃料进行填装；所有装药管环绕一圈，围成一个空腔，加速段发动机的后部以及低速段发动机中的低速段入水缓冲室(11)、水泵(12)、低速段一次注水管路(13)以及低速段二次注水管路(14)容纳在所述空腔中；

每个装药管至少配置一个低速段一次注水管路(13)，低速段一次注水管路(13)沿装药管的外表面设置。

3.如权利要求2所述的一种直喷式多级动力水下高速航行器，其特征在于，低速段一次注水管路(13)通过两个以上的接口联通到装药管不同长度处。

4.如权利要求1所述的一种直喷式多级动力水下高速航行器，其特征在于，低速段发动机、加速段发动机与高速段发动机分别通过螺栓与航行器壳体相连接。

5.如权利要求1所述的一种直喷式多级动力水下高速航行器，其特征在于，所述高速段燃烧室(19)与高速段喷管(5)通过螺纹连接。

6.如权利要求1所述的一种直喷式多级动力水下高速航行器，其特征在于，高速段一次注水管路(2)与高速段二次注水管路(4)间隔布置在高速段燃烧室(19)的外表面上。

7.如权利要求1所述的一种直喷式多级动力水下高速航行器，其特征在于，水泵(12)的动力由电池(15)提供。

8.如权利要求1所述的一种直喷式多级动力水下高速航行器，其特征在于，水泵(12)对所述第二小缓冲室的供水量由流量阀(16)控制。

9.一种权利要求2所述的直喷式多级动力水下高速航行器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)启动低速段发动机，采用点火装置点燃装药管内的水冲压金属燃料；燃料燃烧到设定温度后，启动水泵(12)，由外部入水口(9)将外界环境中的水引入低速段入水缓冲室(11)，开启低速段一次注水管路(13)，促进其与水冲压金属燃料发生反应，实现水冲压燃烧；随后开启低速段二次注水管路(14)，环境入水与水冲压金属燃料燃烧所产生的燃气发生二次掺混，并通过低速段喷管(17)输出推动力；

(2)低速段的水冲压金属燃料全部燃尽后，启动连接低速段挡板(10)与加速段喷管(8)的爆炸螺栓装置，抛弃低速段发动机装置，启动加速段发动机；加速段发动机工作后，点燃固体推进剂(7)，燃烧产生的燃气通过加速段喷管(8)向外排出，产生推动力；

(3)加速段发动机内高金属含量固体推进剂(7)燃尽后，启动连接加速段挡板(6)与高速段喷管(5)的爆炸螺栓装置，抛弃加速段发动机，启动高速段发动机；

高速段发动机工作后，启动水冲压金属燃料(3)内的点火装置将其点燃，燃气达到设定温度后，开启高速段入水缓冲室(1)的入水口，引入外界环境中的水，启动一次注水管路(2)，使之与水冲压金属燃料(3)在高速段燃烧室(19)内发生反应，实现水冲压燃烧，释放热量；随后开启二次注水管路(4)，环境入水与水冲压金属燃料(3)燃烧产生的燃气进行二次掺混，燃气通过高速段喷管(5)向外排出，产生推动力；高速段水冲压金属燃料(3)全部燃尽后，推进器全部工作结束。

10.如权利要求9所述的一种直喷式多级动力水下高速航行器的控制方法，其特征在于，低速发动机启动后，采用对称方式顺次启动各装药管中的点火装置以点燃其内部的水冲压金属燃料。

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