CN109826707B - 一种半包覆式多级动力水下高速推进器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半包覆式多级动力水下高速推进器及控制方法，三种发动机结构上顺序连接，启动后顺次工作，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，针对不同作战方针，突破了传统水下航行器单一航速的限制，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，并辅以涡轮动力输出装置，通过合理设计装药方式，调整装药量和冲压入水量，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。

Description

一种半包覆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，具体涉及一种半包覆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半包覆式多级动力水下高速推进器及控制方法，可以满足不同航行速度下系统对推进动力的需求；同时具有结构紧凑化，重量轻型化的特点，最终实现灵活作战的总目标。

一种半包覆式多级动力水下高速推进器，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(21)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(18)和低速段燃烧室(21)；

所述高速段燃烧室(21)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(21)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)的一端联通高速段入水缓冲室(1)，另一端伸入到高速段燃烧室(21)的内部空腔中；高速段一次注水管路(2)接通到高速段燃烧室21的接口靠近水冲压金属燃料(3)端面，高速段二次注水管路(4)接通到高速段燃烧室21的接口靠近低速段燃烧室(21)后部；

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(18)进行填装，开口端接低速段喷管(17)；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(18)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)、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；

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；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)，接口位于低速段燃烧室(21)中轴处。

较佳的，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(21)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(21)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)对第二小缓冲室的供水量由流量阀(16)控制。

一种半包覆式多级动力水下高速推进器的控制方法，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(18)；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(18)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(18)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)低速段水冲压金属燃料(18)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，点燃高金属含量固体推进剂(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，启动高速段一次注水管路(2)，使之与水冲压金属燃料(3)在高速段燃烧室(21)内发生反应，实现水冲压燃烧，释放热量；随后开启高速段二次注水管路(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(18)。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种半包覆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，突破了传统水下航行器单一航速的限制，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，并辅以涡轮动力输出装置，通过合理设计装药方式，调整装药量和冲压入水量，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。

本发明提供的一种半包覆式多级动力水下高速推进器，可快速完成低速与高速两种航速的高效切换，并在切换过程中保证航行的稳定性。

在航行体低速工作阶段，本发明采用水冲压金属燃料推进剂与涡轮螺桨输出装置相结合的新型动力推进形式，可以充分利用固体推进剂燃烧生成的高温燃气，极大地提高了系统整体做功效率。

低速段发动机工作结束后，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。

本发明提供的一种半包覆式多级动力水下高速推进器中所涉及的三种发动机结构上顺序连接，启动后顺次工作，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。

附图说明

图1是本发明半包覆式多级动力水下高速推进器立体图；

图2是本发明半包覆式多级动力水下高速推进器外形结构示意图；

图3是高速段注水缓冲室A-A剖面图；

图4是低速段注水缓冲室B-B剖面图；

图5是低速段二次注水管路C-C剖面图；

图6是半包覆式多级动力水下高速推进器剖视图；

图7是半包覆式水下高速推进器之高速-加速部分剖视图；

图8是半包覆式水下高速推进器之高速部分剖视图；

图9是低速段发动机轴视图；

图10是加速段发动机轴视图；

图11是高速段发动机轴视图；

其中，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-高金属含量固体推进剂，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-涡轮，18-变速器，19-螺旋桨，20-水冲压金属燃料，21-高速段燃烧室，22-加速段燃烧室，23-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、2、6和7所示，本发明的一种半包覆式多级动力水下高速推进器主要包括顺次相连的高速段发动机、加速段发动机和低速段发动机三部分，三部分分别通过螺栓与航行器壳体相连接，加速段部分半包覆于低速燃烧室内部。本发明中，以推进器前进方向为前，反方向为后。

高速段发动机主要包括高速段入水缓冲室1、高速段一次注水管路2、端燃型水冲压金属燃料3、高速段二次注水管路4、高速段燃烧室21和高速段喷管5；

加速段发动机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22和加速段喷管8；

低速段发动机主要包括低速段发动机外部入水口9、低速段挡板10、低速段入水缓冲室11、特种水泵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、涡轮17、变速器18、螺旋桨19、小型端燃式水冲压金属燃料20和低速段燃烧室23。

如图3和11所示，高速段燃烧室21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21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21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21的内部；高速段一次注水管路2接通到高速段燃烧室21的接口靠近水冲压金属燃料3端面，高速段二次注水管路4接通到高速段燃烧室21的接口靠近高速段燃烧室21后部。

如图7和10所示，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22的一侧端部；加速段燃烧室22的另一侧开口端通过螺纹连接加速段喷管8；高金属含量固体推进剂7采用空心圆柱结构设计，浇铸于加速段燃烧室22内，并在固体推进剂7中埋置金属丝提高其推力。

如图4、5和9所示，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23的后端为混燃室腔体，混燃室腔体后端连接涡轮17，涡轮17通过变速器18连接螺旋桨19；混燃室腔体前端的边缘延伸出若干偶数个与其联通的装药管，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22外径，加速段发动机II的加速段燃烧室22后部以及低速段发动机III中的低速段入水缓冲室11、特种水泵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上，接口位于第二小缓冲室的中轴处，另一端联通至低速段燃烧室23与涡轮17连接处的空腔中。特种水泵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。

本发明装置的工作原理为：

本发明的半包覆式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、加速段发动机以及高速段发动机，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。

在低速段发动机中，利用涡轮螺桨装置提高燃气的做功效率，提升整体功率；在加速段中，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；高速段中采用水冲压金属燃料提高其航速。

总结本发明半包覆式多级动力水下高速推进器的操作方法，步骤如下：

(1)启动低速段发动机。低速段燃烧室23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水冲压金属燃料20，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其对应的水冲压金属燃料20。燃料燃烧到一定温度后，启动特种水泵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20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20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。全部燃气通过涡轮17和变速器18输送至螺旋桨19，推动螺旋桨旋转，输出推动力。

(2)低速段水冲压金属燃料20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。

(3)加速段发动机工作后，启动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。

(4)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，抛弃加速段发动机装置，启动高速段发动机。

(5)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21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 (9)

1.一种半包覆式多级动力水下高速推进器，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)、高速段水冲压金属燃料(3)、高速段二次注水管路(4)、高速段燃烧室(21)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)、低速段水冲压金属燃料(18)和低速段燃烧室(23 )；

所述高速段燃烧室(21)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)；高速段水冲压金属燃料(3)靠近高速段入水缓冲室(1)一侧浇铸于高速段燃烧室(21)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)的一端联通高速段入水缓冲室(1)，另一端伸入到高速段燃烧室(21)的内部空腔中；高速段一次注水管路(2)接通到高速段燃烧室(21)的接口靠近高速段水冲压金属燃料(3)端面，高速段二次注水管路(4)接通到高速段燃烧室（21）的接口靠近低速段燃烧室(23 )后部；

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(23 )由低速段水冲压金属燃料(18)进行填装，开口端接低速段喷管(17)；低速段燃烧室(23 )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，装药管由低速段水冲压金属燃料(18)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)、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；

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；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(23 )的低速段水冲压金属燃料(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(23 )，接口位于低速段燃烧室(23 )中轴处。

2.如权利要求1所述的一种半包覆式多级动力水下高速推进器，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。

3.如权利要求1所述的一种半包覆式多级动力水下高速推进器，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。

4.如权利要求1所述的一种半包覆式多级动力水下高速推进器，其特征在于，所述高速段燃烧室(21)与高速段喷管(5)通过螺纹连接。

5.如权利要求1所述的一种半包覆式多级动力水下高速推进器，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(21)的外表面上。

6.如权利要求1所述的一种半包覆式多级动力水下高速推进器，其特征在于，水泵(12)的动力由电池(15)提供。

7.如权利要求1所述的一种半包覆式多级动力水下高速推进器，其特征在于，水泵(12)对第二小缓冲室的供水量由流量阀(16)控制。

8.一种权利要求1所述的半包覆式多级动力水下高速推进器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(一)启动低速段发动机，采用点火装置点燃装药管内的低速段水冲压金属燃料(18)；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)，促进其与低速段水冲压金属燃料(18)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)，环境入水与低速段水冲压金属燃料(18)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；

(二)低速段水冲压金属燃料(18)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，点燃高金属含量固体推进剂(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；

(三)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，启动高速段水冲压金属燃料(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，启动高速段一次注水管路(2)，使之与高速段水冲压金属燃料(3)在高速段燃烧室(21)内发生反应，实现水冲压燃烧，释放热量；随后开启高速段二次注水管路(4)，环境入水与高速段水冲压金属燃料(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。

9.如权利要求8所述的一种半包覆式多级动力水下高速推进器的控制方法，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低速段水冲压金属燃料(18)。

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