CN110821709A - 一种增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构，包括碗状增压药柱与基础药柱；碗状增压药柱设置于无喷管发动机燃烧室头部且与一面燃烧室壁面贴合，未与燃烧室壁面接触的另一表面呈内凹碗状；基础药柱填充于发动机内部且与燃烧室壁面紧密贴合，基础药柱内部具有尾部扩张段的内孔构成发动机燃气通道；碗状增压药柱的内凹碗状表面与基础药柱头部表面贴合，二者组成为完整的无喷管发动机推进剂药柱。

Description

一种增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构
技术领域
本发明涉及一种发动机药柱装药结构，特别是一种增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构。
背景技术
无喷管发动机是一种具有特殊设计的固体火箭发动机，它放弃了在传统固体火箭发动机中重量较大、结构较为复杂的机械喷管，在发动机内部利用推进剂药柱构造了具有大长径比的燃气通道，使燃气在通道后段产生气体壅塞效应，达成与喷管相似的流场加速效果。无喷管发动机成本较为低廉，且具有更加简单的结构，可靠性也随之上升。现有资料表明，无喷管发动机常作为固体冲压发动机的初始级使用。
由于无喷管发动机内需要足够大的长径比来保证气体壅塞现象的发生，其工作过程中将产生明显的燃面推移的不均匀现象。此外，在燃烧过程中，由于整个燃气通道几乎由药柱构成，在燃烧过程中随着药柱燃面推移，燃气通道将不断变化。基于以上两个特点，在整个工作过程中，无喷管发动机的内流场变化较为复杂。以单一推进剂无喷管发动机为例，其工作过程中具有以下现象：
(a)在同一时刻，无喷管发动机燃气通道的压力自内向外逐渐减小，压力场与燃烧加质共同作用使燃气的轴向流速从发动机的头部到尾部沿着药柱通道从零逐渐上升至出口处的超声速，且后段燃速的增加比前段更快。
(b)在不同时刻，发动机药柱内径随着时间的增加逐渐增大，并且形成先收缩后扩张的几何形状。燃烧室各处压力单调下降，压力梯度变小，气体加速效果下降，出口速度逐渐降低。发动机推力的变化由燃气出口速度与燃气总量共同控制，具有足够大长径比的无喷管发动机的推力会随着时间的推移而上升。
无喷管发动机的主要缺点在于其比冲偏低，同等条件下，其比冲仅仅是具有机械喷管的发动机的比冲的80％-90％。本质上，这是由于高温高压燃气在无喷管发动机工作过程利用的气体壅塞效应并不能完全保证所有燃气在脱离壅塞处时全部达到临界状态，燃气得不到充分的加速，且随着工作过程的进行，燃气壅塞处孔道变大，内部压力损失将不断增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构。
实现本发明目的的技术方案为：一种增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构，包括碗状增压药柱与基础药柱；碗状增压药柱设置于无喷管发动机燃烧室头部且与一面燃烧室壁面贴合，未与燃烧室壁面接触的另一表面呈内凹碗状；基础药柱填充于发动机内部且与燃烧室壁面紧密贴合，基础药柱内部具有尾部扩张段的内孔构成发动机燃气通道；碗状增压药柱的内凹碗状表面与基础药柱头部表面贴合，二者组成为完整的无喷管发动机推进剂药柱。
进一步地，所述碗状增压药柱与基础药柱贴合的内凹碗状表面开口朝向发动机燃烧尾部，同时该药柱的最小内径大于基础药柱内孔直径。
进一步地，所述碗状增压药柱、基础药柱与燃烧室壁面同为轴对称几何体且轴线重合。
进一步地，在相同的高温高压环境中，所述碗状增压药柱的燃烧速度高于基础药柱的燃烧速度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明通过增设碗状增压药柱提升了发动机工作后期的内部压强，改善了在压力损失较大时的燃气加速效果，提升了无喷管发动机的比冲性能；(2)本发明利用了工作过程中的燃面推移，在无喷管发动机内压较低的工作后期进行增压，在控制内部最大压强的同时有效提升工作过程的平均压强，改善了发动机对燃气的加速效果，在同等壳体条件下比不具备碗状增压药柱的发动机具有更好的比冲性能。采用的碗状增压药柱呈内凹状，前期燃面小，可以减缓内部压强二次上升的趋势；后期燃面大，并且燃面的增速比非内凹面更高，可以更好地减缓内部压强损失。(3)本发明仅仅通过增设药柱进行发动机的优化改进，原发动机壳体不必进行重新设计更换，应用成本低。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1是本发明的增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构示意图。
图2是本发明的药柱实例几何参数示意图。
图3是本发明的增设碗状增压药柱的无喷管发动机药柱燃面推移示意图。
图4是本发明的增设碗状增压药柱前后发动机头部压强曲线对比图。
具体实施方式
结合图1，一种增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构，包括碗状增压药柱1与基础药柱2；
所述碗状增压药柱1处在无喷管发动机燃烧室头部，与燃烧室壁面3紧密贴合，未与燃烧室壁面3接触部分表面呈内凹碗状；
所述基础药柱2充分填充发动机内部，与燃烧室壁面紧密贴合，基础药柱2内部具有尾部扩张段的内孔构成发动机燃气通道4；
碗状增压药柱1上未与燃烧室壁面3接触的内凹碗状表面与基础药柱2头部表面紧密贴合，二者组成为完整的无喷管发动机推进剂药柱。
所述碗状增压药柱1与基础药柱2贴合的内凹碗状表面开口朝向发动机燃烧尾部，同时该药柱的最小内径大于基础药柱2内孔直径。
所述碗状增压药柱1、基础药柱2与燃烧室壁面3同为轴对称几何体且轴线重合。
在相同的高温高压环境中，所述碗状增压药柱1的燃烧速度高于基础药柱2的燃烧速度。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
结合图1，以一台无喷管发动机从点火开始的完整工作过程为例，无喷管发动机装药药柱包括碗状增压药柱1与基础药柱2；所述碗状增压药柱1处在无喷管发动机燃烧室头部，与燃烧室壁面3紧密贴合，未与燃烧室壁面3接触部分表面呈内凹碗状；所述基础药柱2充分填充发动机内部，与燃烧室壁面紧密贴合，基础药柱2内部具有尾部扩张段的内孔构成发动机燃气通道4；
所述碗状增压药柱1与基础药柱2贴合的内凹碗状表面开口朝向发动机燃烧尾部，同时该药柱的最小内径大于基础药柱2内孔直径。碗状增压药柱1上未与燃烧室壁面3接触的内凹碗状表面与基础药柱2头部表面紧密贴合，二者组成为完整的无喷管发动机推进剂药柱。
所述碗状增压药柱1、基础药柱2与燃烧室壁面3同为轴对称几何体且轴线重合。
在相同的高温高压环境中，所述碗状增压药柱1的燃烧速度高于基础药柱2的燃烧速度。
结合图1与图2，该实例药柱总轴向长度为1210mm，其中内通道段轴向长度为1100mm，具有22°扩张角的尾部扩张段轴向长度为110mm。碗状增压药柱1处在发动机头部，最大厚度为69mm。基础药柱2与碗状增压药柱的贴合面为一长轴为200mm、短轴为69mm的四分之椭圆弧，呈现出内凹碗状。
结合图1与图3，增设碗状增压药柱的无喷管发动机内部燃面推移具有显著的特点。发动机工作过程初期，碗状增压药柱1未参与燃烧，发动机内部药柱燃面推移相对均匀。发动机工作过程中期，碗状增压药柱1靠近发动机头部壁面率先被点燃，该处推进剂的高燃速使得燃面推移速度加快，产生一个逐渐沿轴向增长的锥形燃面。由于燃面呈锥形，燃面与发动机内燃气通道4的接触面积比传统药柱更大且随时间的推移增长。这说明碗状增压药柱能够在发动机压强损失较大的发动机工作中后期通过增加燃面与增加推进剂燃烧速度两种方式增加燃烧产物的生成速率，以此减缓压强损失。
结合图1与图4，在增设碗状增压药柱的无喷管发动机完成点火，处在工作过程的初期时，药柱燃烧时的燃面推移距离较小，碗状增压药柱1被基础药柱2包裹，尚未被点燃。此时发动机的工作状况与普通无喷管发动机相同，头部压强曲线基本重合。在发动机工作持续一段时间后，发动机内部压强已经经历了一段时间的稳定下降，此时基础药柱2的燃面在持续的燃烧中不断退移，使原本被基础药柱2包裹的碗状增压药柱1暴露在高温高压的内流场中，开始燃烧。由于碗状增压药柱1燃速快，释放燃烧产物的速率高，发动机内部的压强损失得到补充，内部压强将第二次上升，出现第二个发动内部压强峰。在合理的增压药柱设置的情况下，第二个内部压强峰值将不会大于第一个内部压强峰值。在第二个内部压强峰后，发动机内部压强稳步下降，直至发动机工作结束。总体上看，增设碗状增压药柱的无喷管发动机在工作过程中的内部最大压强与传统无喷管发动机几乎没有区别，但是比后者具备更高的平均内部压强，更加稳定地维持了发动机后期内流场的燃气加速能力，具有更好的推进性能。实例计算显示，增设碗状增压药柱的无喷管发动机比不具有增压药柱的传统发动机总冲提升了1.56％。
以上所述仅为本发明的优选实施例，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。
本发明采用了增设药柱的方式控制了燃烧产物的生成速率，在不增加燃烧室最大内压的情况下提高了平均工作压强，从而获得了比原发动机更好的比冲性能。该发明可应用在助推器比冲改良、燃烧室内压控制等领域，具有很好的工程应用前景。

Claims (4)

1.一种增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构，其特征在于，包括碗状增压药柱(1)与基础药柱(2)；其中
所述碗状增压药柱(1)设置于无喷管发动机燃烧室头部且与一面燃烧室壁面(3)贴合，未与燃烧室壁面(3)接触的另一表面呈内凹碗状；
所述基础药柱(2)填充于发动机内部且与燃烧室壁面紧密贴合，
基础药柱(2)内部具有尾部扩张段的内孔构成发动机燃气通道(4)；
碗状增压药柱(1)的内凹碗状表面与基础药柱(2)头部表面贴合，二者组成为完整的无喷管发动机推进剂药柱。
2.根据权利要求1所述的增设碗状增压药柱的无喷管发动机装药结构，其特征在于，所述碗状增压药柱(1)与基础药柱(2)贴合的内凹碗状表面开口朝向发动机燃烧尾部，同时该药柱的最小内径大于基础药柱(2)内孔直径。
3.根据权利要求1所述的无喷管发动机三燃速变厚度组合药柱结构，其特征在于，所述碗状增压药柱(1)、基础药柱(2)与燃烧室壁面(3)同为轴对称几何体且轴线重合。
4.根据权利要求1所述的无喷管发动机三燃速变厚度组合药柱结构，其特征在于，在相同的高温高压环境中，所述碗状增压药柱(1)的燃烧速度高于基础药柱(2)的燃烧速度。
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