CN111734550A - 一种内置式多级推力的水下动力系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内置式多级推力的水下动力系统及其控制方法，将固体火箭发动机和固体水冲压发动机融为一体，设计出了一种多级推力水下动力系统。助推段采用传统固体火箭发动机推进，能够实现航行体水下大推力加速，缩短了加速时间。续航段采用固体水冲压发动机推进，以环境中存在的海水为氧化剂，提高了发动机比冲和续航时间。本发明对固体水冲压发动机的补燃室和喷管进行了改进，水冲压发动机补燃室和喷管同时也为固体火箭发动机所用，实现“一室两用”、“一管两用”，大大节约了航行体内部空间，提高了航行体的整体性能。

Description

一种内置式多级推力的水下动力系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种内置式多级推力的水下动力系统及其控制方法，属于水下航行动力技术领域。

背景技术

进入二十一世纪，随着各种水下航行器的发展，水下航行器的速度要求越来越高，传统推进系统能够提供的水下航行速度不能满足新型潜航器任务的需求。所以，研究新型的高速水下动力系统具有重大意义。

传统的水下动力系统一般为螺桨推进和固体火箭发动机推进。由于螺桨推进速度慢，且提供能源的电池在长期储存上存在诸多困难，难以达到航行体水下高速航行的要求。固体火箭发动机具有推力大，结构简单，可靠性高等优点，但是工作时间较短，比冲较低，难以维持长时间的水下高速航行。

目前水下高速航行器大多采用水冲压发动机推进。水冲压发动机由于采用海水作为氧化剂，自身仅携带推进剂，所以具有比冲较高、工作时间长的特点，能够维持航行体长时间高速航行。但是水冲压发动机在开始工作前，航行体必须达到水冲压发动机工作所需的速度，航行体从静止加速到冲压所需速度的过程中，需要助推段固体火箭发动机提供的推力。传统的助推段发动机一般悬挂在续航段发动机侧面，这种结构会为加速阶段带来不必要的阻力。所以，将助推段固体火箭发动机与续航段水冲压发动机在结构上合理地结合，对于提高水下航行体的性能有重要意义。

发明内容

针对传统动力系统推进下的水下航行体速度较低的缺陷，本发明的目的是提供一种内置式多级推力的水下动力系统及其控制方法，可以实现大推力加速以及长时间持续高速航行的工作需求，大大提高航行体的水下航行能力。

本发明的目的是这样实现的：包括进水管路、燃气发生器、补燃室和尾喷管，进水管路包括主进水管、与主进水管连接的进水管缓冲室、与进水管缓冲室连接的一次进水管和二次进水管，一次进水管和二次进水管的端部分别与补燃室连通且在管路上设置有进水管球形阀，燃气发生器内设置有续航段药柱，燃气发生器的端部与补燃室连通，补燃室内设置有助推段推进剂，尾喷管设置在补燃室的端部。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述一次进水管和二次进水管分别有四个且交替设置，二次进水管的长度大于一次进水管的长度。

2.所述燃气发生器包括燃气发生器前封头、燃气发生器筒体、燃气发生器喷管，续航段药柱通过续航段药柱弹性垫与燃气发生器前封头连接。

3.补燃室包括与燃气发生器喷管连通的补燃室前盖、补燃室筒体，所述助推段推进剂两端由助推段药柱支撑件支撑，助推段药柱支撑件与补燃室筒体内壁固连。

4.尾喷管包括尾喷管收敛段、尾喷管扩张段，所述尾喷管收敛段前端与补燃室筒体通过法兰连接，后端与尾喷管扩张段在喷管喉口处采用螺纹连接。

5.一种内置式多级推力的水下动力系统的控制方法，包括所述内置式多级推力的水下动力系统，具体是：

(1)助推段加速阶段：主进水管、一次进水管、二次进水管不工作，一次进水管和二次进水管的阀门关闭，补燃室中助推段推进剂燃烧产生的燃气从尾喷管喷出产生推力；

(2)续航阶段：主进水管、一次进水管、二次进水管开始工作，一次进水管和二次进水管的阀门打开，燃气发生器中推进剂自持燃烧产生的高温燃气在补燃室中与冲压进入的海水掺混二次燃烧，产生的燃气从尾喷管喷出产生推力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种内置式多级推力的水下动力系统，针对传统喷气式推进装置将多根助推段发动机悬挂在续航段发动机侧面，为加速阶段带来额外阻力的问题，基于水冲压发动机的补燃室结构，将助推段固体火箭发动机的药柱改进成为三根内外燃管型药柱，实现了固体火箭发动机与水冲压发动机有机结合，减少了航行体加速阶段的阻力，节约了航行体的内部空间。本发明在助推段固体火箭发动机中采用DB/Al/AP固体推进剂，实现航行体水下大推力加速；在续航段水冲压发动机中采用纳米铝基固体推进剂，纳米铝颗粒能够增大与海水的接触面积，促进推进剂的燃烧；同时，高能金属基推进剂也能够大幅提高续航阶段发动机的比冲和续航时间。本发明针对助推段和续航段发动机共用补燃室时，同一个尾喷管需要同时满足助推和续航两个不同工作阶段需求的难题，提出了针对多级推力发动机喷管匹配的设计方法。在助推加速阶段，补燃室中助推发动机固体推进剂燃烧，产生的燃气从尾喷管喷出，为航行体提供推力。在续航阶段，燃气发生器中产生的高温燃气通过燃气发生器喷管进入补燃室，与海水反应，产生的高温燃气从尾喷管排出，产生推力。本发明提供的一种内置式多级推力的水下动力系统中将两种不同种类的发动机在结构上进行结合，实现了小空间内多级推进装置的合理布局；给出了不同工作阶段发动机的控制方案，确保了两种发动机结合后用的可行性和可靠性，极大地提高水下航行体的综合性能。

附图说明

图1是本发明一种内置式多级推力的水下动力系统立体图；

图2是本发明一种内置式多级推力的水下动力系统剖视图；

图3是补燃室A-A剖面图；

图4是助推段药柱支撑件示意图；

其中，1-燃气发生器，2-补燃室，3-尾喷管，4-主进水管，5-一次进水管，6-二次进水管，7-入水缓冲室，8-一次进水管阀门，9-二次进水管阀门，10-续航段药柱，11-续航段药柱弹性垫，12-助推段推进剂，13-助推段药柱支撑件，14-燃气发生器前封头，15-燃气发生器筒体，16-燃气发生器喷管，17-补燃室前盖，18-补燃室筒体，19-尾喷管收敛段，20-尾喷管扩张段。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明包括进水管路，燃气发生器、补燃室和尾喷管；所述进水管路包括主进水管4，入水缓冲室7，一次进水管5，二次进水管6，一次进水管阀门8和二次进水管阀门9；所述燃气发生器1包括燃气发生器前封头14，燃气发生器筒体15，燃气发生器喷管16，续航段药柱10，续航段药柱弹性垫11；所述补燃室2包括补燃室前盖17，补燃室筒体18，助推段推进剂12，助推段药柱支撑件13；助推段推进剂包括三个药柱，所述尾喷管3包括尾喷管收敛段19，尾喷管扩张段20；所述主进水管4一端与航行体进水口连接，另一端与入水缓冲室7连接。一次进水管6和二次进水管7一端连接入水缓冲室7，另一端伸入补燃室2内部；所述燃气发生器前封头14、燃气发生器喷管16采用法兰连接与燃气发生器筒体15连接；所述续航段药柱10嵌于燃气发生器筒体15内部，并通过续航段药柱弹性垫11与燃气发生器前封头14连接；所述补燃室前盖17前端与燃气发生器喷管16采用螺纹连接，后端与补燃室筒体18之间采用法兰连接；所述助推段推进剂12的三根药柱的两端由助推段药柱支撑件13支撑，助推段药柱支撑件22与补燃室筒体18内壁通过焊接的方式连接；所述尾喷管收敛段19前端与补燃室筒体18通过法兰连接，后端与尾喷管扩张段20在喷管喉口处采用螺纹连接；主进水管4的一侧与入水缓冲室7中心的开口通过螺纹连接；四根一次进水管5和四根二次进水管6的一端与入水缓冲室7侧面八个开口通过螺纹连接，另一端与补燃室2侧面上的八个开口通过螺纹连接。

在助推段固体火箭发动机中采用DB/Al/AP固体推进剂，能够实现航行体水下大推力加速。在续航段水冲压发动机中采用铝基固体推进剂，推进剂中含有质量分数为70～90％的铝以及7.5～20％的过氯酸铵(AP)，推进剂通过在燃气发生器中自持燃烧产生的高温燃气携带大量铝液滴进入补燃室，与海水进一步反应，实现二次燃烧，大幅提高续航阶段发动机性能。将续航段补燃室作为助推段固体推进剂的燃烧室，实现“一室两用”，节约了航行体内部空间。根据设计指标以及助推段、续航段补燃室的压力，对尾喷管进行了匹配设计，所设计的尾喷管能够同时满足助推和续航阶段的推力要求，实现“一管两用”。续航段采用二次燃烧的方案，续航段铝基固体推进剂在燃气发生器中自持燃烧后，高温金属液滴进入补燃室再与海水进行反应，极大提高推进剂燃烧效率。续航段补燃室采用分两次进水的方法，避免了续航段发动机因过量入水导致熄火的问题，保证发动机持续工作。

一种内置式多级推力的水下动力系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)助推段加速阶段，主进水管4、一次进水管5、二次进水管6不工作，一次进水管阀门8和二次进水管阀门9关闭，补燃室2中助推段推进剂12燃烧产生的燃气从尾喷管3喷出产生推力；

(2)续航阶段，主进水管4、一次进水管5、二次进水管6开始工作，一次进水管阀门8和二次进水管阀门9打开，燃气发生器1中推进剂自持燃烧产生的高温燃气在补燃室2中与冲压进入的海水掺混二次燃烧，产生的燃气从尾喷管3喷出产生推力。

本发明也可以这样描述：

在进水管路中，主进水管4与入水缓冲室7中心的开口通过螺纹连接，四根一次进水管5和四根二次进水管6的一端与入水缓冲室7侧面八个开口通过螺纹连接，另一端与补燃室2侧面上的八个开口通过螺纹连接。

在燃气发生器1中，燃气发生器前封头14和燃气发生器喷管16均通过法兰连接与燃气发生器筒体15相连。续航段药柱10通过续航段药柱弹性垫11与燃气发生器前封头14连接，并嵌于燃气发生器筒体15内部。

在补燃室2中，补燃室前盖17前端与燃气发生器喷管16通过螺纹连接，后端与补燃室筒体18之间采用法兰连接。

在尾喷管3中，尾喷管收敛段19前端与补燃室筒体18通过法兰连接，后端与尾喷管扩张段20在喷管喉口处采用螺纹连接。

参考图2、图3和图4，补燃室2内部的助推段推进剂12两端由助推段药柱支撑件13支撑，助推段药柱支撑件22焊接在补燃室筒体18内壁上。

助推加速阶段，航行体由静止开始加速。一次进水管阀门8和二次进水管阀门9关闭，进水管路不工作；助推段推进剂12点火燃烧，产生高温燃气由尾喷管3喷出，产生推动力。

续航阶段，助推段推进剂12燃烧完毕，补燃室2空出；续航段药柱10在燃气发生器1中自持燃烧，过氯酸铵(AP)分解放热，纳米铝颗粒吸热液化，随高温燃气从燃气发生器喷管16喷出，进入补燃室2；一次进水管阀门8和二次进水管阀门9打开，进水管路开始工作，通过进水管路进入补燃室2的海水与纳米铝颗粒发生二次反应，燃烧产生的燃气通过尾喷管3向外排出，为续航阶段提供推动力。

综上，本发明将固体火箭发动机和固体水冲压发动机融为一体，设计出了一种多级推力水下动力系统。助推段采用传统固体火箭发动机推进，能够实现航行体水下大推力加速，缩短了加速时间。续航段采用固体水冲压发动机推进，以环境中存在的海水为氧化剂，提高了发动机比冲和续航时间。本发明对固体水冲压发动机的补燃室和喷管进行了改进，水冲压发动机补燃室和喷管同时也为固体火箭发动机所用，实现“一室两用”、“一管两用”，大大节约了航行体内部空间，提高了航行体的整体性能。

Claims (6)

1.一种内置式多级推力的水下动力系统，其特征在于：包括进水管路、燃气发生器、补燃室和尾喷管，进水管路包括主进水管、与主进水管连接的进水管缓冲室、与进水管缓冲室连接的一次进水管和二次进水管，一次进水管和二次进水管的端部分别与补燃室连通且在管路上设置有进水管球形阀，燃气发生器内设置有续航段药柱，燃气发生器的端部与补燃室连通，补燃室内设置有助推段推进剂，尾喷管设置在补燃室的端部。

2.根据权利要求1所述的一种内置式多级推力的水下动力系统，其特征在于：所述一次进水管和二次进水管分别有四个且交替设置，二次进水管的长度大于一次进水管的长度。

3.根据权利要求1或2所述的一种内置式多级推力的水下动力系统，其特征在于：所述燃气发生器包括燃气发生器前封头、燃气发生器筒体、燃气发生器喷管，续航段药柱通过续航段药柱弹性垫与燃气发生器前封头连接。

4.根据权利要求3所述的一种内置式多级推力的水下动力系统，其特征在于：补燃室包括与燃气发生器喷管连通的补燃室前盖、补燃室筒体，所述助推段推进剂两端由助推段药柱支撑件支撑，助推段药柱支撑件与补燃室筒体内壁固连。

5.根据权利要求4所述的一种内置式多级推力的水下动力系统，其特征在于：尾喷管包括尾喷管收敛段、尾喷管扩张段，所述尾喷管收敛段前端与补燃室筒体通过法兰连接，后端与尾喷管扩张段在喷管喉口处采用螺纹连接。

6.一种内置式多级推力的水下动力系统的控制方法，其特征在于：包括所述内置式多级推力的水下动力系统，具体是：

(1)助推段加速阶段：主进水管、一次进水管、二次进水管不工作，一次进水管和二次进水管的阀门关闭，补燃室中助推段推进剂燃烧产生的燃气从尾喷管喷出产生推力；

(2)续航阶段：主进水管、一次进水管、二次进水管开始工作，一次进水管和二次进水管的阀门打开，燃气发生器中推进剂自持燃烧产生的高温燃气在补燃室中与冲压进入的海水掺混二次燃烧，产生的燃气从尾喷管喷出产生推力。

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