CN113513427B - 一种冷却转能量空天发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷却转能量空天发动机，其能量室(燃烧室)内有点火或能量发射装置，对工质进行点火或赋予能量；能量室内壁分布小孔，小孔通过导管等装置输入工质；能量室通过内喷管与内喷口相连；能量室外壁及内喷管外壁有温度探测器，用温度信号线与温控器连通；在能量室和内喷管上套装冷却罩，且它们之间有空腔，形成外喷管及外喷口；冷却罩内壁分布有小孔喷管，其一端用冷却水管与水压调控器和恒温水箱相连接。所述冷却罩及管路等装置将散热转化成推进能量，增加了发动机结构及材料强度，为其使用新技术和高能工质创造了条件，大幅提高能量室内工质的能量密度和做功温度，增加比冲量，能长时间运行，重复使用，适用于各种空间任务。
Description
技术领域
本发明涉及一种空天发动机。
背景技术
目前，真正意义的空天发动机是不存在的，现有所谓空天飞机也没有实现星际飞行，只是实现了地面、在气层及大气层以外的近地轨道的往返飞行，且这种往返有用大型飞机带入高空，再由自身火箭发动机送入太空，也有直接用大型火箭送入太空，再由自身火箭发动机送入太空进行活动，当前各国竭力研发且最为先进的空天飞行所采用的发动机是涡轮喷气发动机+冲压喷气发动机+火箭发动机的组合动力方式。无论哪种方式，当前发动机其结构强度及所用材料强度是有上限，需要将发动的温度控制在一定范围，如果使用高能量工质(燃料)，其工作温度会大幅提高，其结构强度及材料强度无法达到要求，需强化散热功能，能量损失严重，造成比冲量小、效率低下。还有其组合动力方式使其结构和操控复杂、体积和重量大。重要的是其工作时间用秒计算，不能长时间运行，且不能重复使用等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷却转动能空天发动机，以解决发动机效率低、比冲量小的技术问题；解决发动机工作时间短，不能重复使用，结构和操控难度大、体积过大等技术问题；解决难以保障发动机结构及材料强度的问题；解决发动机使用新技术高能工质，散热能量损失严重的技术问题。解决发动机难以大幅提高能量室(燃烧室)及内喷管工作温度，不能使用高能量工质的问题。同时解决适用范围小的技术问题；
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种冷却转能量空天发动机，包括燃烧室、燃烧室内壁小孔、点火装置、内喷管、内喷口、工质导管、工质恒温储存箱、液氧储存箱、工质压缩调控器、温度探测器、温度信号线、温控器、冷却罩、冷却罩小孔喷管、外喷管、外喷口、冷却水管道、水压调控器和恒温水箱；燃烧室有均匀分布的小孔，小孔另一端与工质导管连通，工质导管通过工质压缩调控器与煤油工质恒温储存箱、液氧储存箱连通；燃烧室与内喷管连通，内喷管对应的内喷口喷出能量做功；燃烧室内安装有点火装置；燃烧室的外壁和内喷管的外壁有温度探测器用温度信号线与温控器相连接(或用红外测温等间接测温装置)，同时在燃烧室的外壁和内喷管的外壁外套装有冷却罩，且冷却罩与能量室的外壁及内喷管的外壁之间留有一定空腔，从而形成套筒式外喷管及外喷口，并喷出气体做功；冷却罩内壁均匀分布有小孔喷管，冷却罩小孔喷管连接冷却水管道，冷却水管道与水压调控器相连接，温控器与水压调控器连接，水压调控器与恒温水箱连接。
所述的一种冷却转能量空天发动机，燃烧室变成一个能量室，在其内安装的点火装置变成一个能量发射装置，该能量发射装置由若干电弧阵列组成，能量室内壁作为对应电极，其电弧赋予工质能量，温度为6000℃以上，使工质升到极高温度或直接使其生成等离子体，形成高温高压气态或离子态物质，从内喷管和内喷口喷出做功；能量发射装置用能量传输管道或电线与能量发生装置，即微型核反应堆发电装置连通；工质恒温储存箱内的工质由液氧和煤油，变成不导电的液化气体。
不导电的液化气体为蒸馏水或液化氮。
能量发射装置的若干电弧阵列设置在喷管与能量室内壁小孔处，喷管头部有针头形状电极，其尖部用于放电；其另一端连通能量传输管道或电线的同时，也与工质导管相连接。
能量发射装置是一个能量扩散器，其一端与电磁轨道相连接，电磁轨道另一端与金属粉供给装置相连接，所述金属粉供给装置按照需要随时对电磁轨道内进行金属粉供给；电磁轨道内放有金属粉A23及金属粉B23-1，电磁轨道内有单项阀门，电磁轨道由电流控制器控制；所述电流控制器根据需要对电磁轨道供电使其产生强大电磁力，推动电磁轨道内的金属粉A23，猛烈撞击电磁轨道22内的金属粉B23-1，使其巨大能量产生巨大高温，并在能量发射装置的地方进行扩散，对能量室内的做功工质，赋予能量做功；所述电磁轨道内有单项阀门设在能量室边缘和金属粉A23及金属粉B23-1撞击时的前方，防止气体回流到电磁轨道22内。
所述电磁轨道有多条，对能量室交替进行供给能量。
所述能量室或燃烧室采用间歇式供电或点火和间歇式提供做功的工质的方式。
内、外喷口为可转向和可变径的结构。
温度探测器对能量室外壁和内喷管外壁进行温度探测，并通过温度信号线将温度信号传给温控器，当能量室外壁和内喷管外壁在即将达到可承受最高温度时，水压调控器根据温控器信号，通过冷却水管道从恒温水箱当中，调出适量的水通过冷却罩小孔喷管，对能量室外壁和内喷管外壁进行降温的同时，产生做功气体经外喷管和外喷口喷出做功。
本发明的优点：
该空天发动机是将各种发动机的优点结合在一起。去除借助大气当中的运载工具，完全自主飞行，它去除涡轮喷气发动机+冲压喷气发动机+火箭发动机的组合动力方式之间的转换风险，减化了结构和操控难度；它减小体积，重量轻、减少材料用量，制造、维及修使用成本，同时了增加空天飞机内部空间和有效载荷；冷却罩、外喷管及外喷口的设计，极大降低了发动机温控制难度，并使其将散热转化成为推进能量，极大保障了发动机的结构及材料强度，大幅提高能量室(燃烧室)和内喷管内气体温度，从而极大提高比冲量和推进效率，也为其使用新技术及高能量工质提供了条件，极大增加了工质的能量密度；能量室(燃烧室)内安装的电弧、等离子、能量场等新技术能量发射装置，使发动机所用的工质储存和添加变的简单容易。同时，能量发生装置能够储存很多能量，所用工质要求低且单一，其工质只是水或各种气体(如氢气)等，在宇宙空间较容易获得，为其长期运行提供了可能，并可重复使用，真正实现星际飞行，可执行各种空间任务。
附图说明
图1是本发明结构及化学能运行示意图。
图2是本发明结构及非化学能电弧赋能运行示意图。
图3是本发明结构及非化学能电磁赋能运行示意图。
附图编号：1、能量室(燃烧室)，2、能量室内壁小孔，3、点火或能量发射装置，4、内喷管，5、内喷口，6、工质(推进剂)导管，7、工质恒温储存箱，7-1、液氧储存箱，8、工质压缩调控器，9、温度探测器，10、温度信号线，11、温控器，12、冷却罩，13、冷却罩小孔喷管，14、外喷管，15、外喷口，16、冷却水管道，17、水压调控器，18、恒温水箱，19、能量传输管道，20、能量发生装置，21、电流控制器，22、电磁轨道，23、金属粉A，23-1、金属粉B，24单项阀门，25、金属粉供给装置。
具体实施方式
如图1所示：为本发明实施例1的结构示意图，一种冷却转能量空天发动机，其能量室(燃烧室)1，有均匀分布的小孔2，小孔2另一端与工质导管(推进剂)6连通，工质导管6与工质压缩调控器8及工质恒温储存箱7(含液氧储存箱7-1)连通；能量室(燃烧室)1与内喷管4联通，内喷管4对应的内喷口5喷出能量做功；能量室(燃烧室)1内安装有点火或能量发射装置3，只是一点火装置；能量室(燃烧室)1的外壁和内喷管4的外壁有温度探测器9用温度信号线10与温控器11相连接(温度探测器9可以是红外测温等间接测温装置)，同时在能量室1的外壁和内喷管4的外壁套装有冷却罩12，且冷却罩12与能量室1的外壁及内喷管4的外壁之间留有一定空腔，从而形成套筒式外喷管14及外喷口15，并喷出气体做功；冷却罩12内壁均匀分布有小孔喷管13，冷却罩小孔喷管13根据需要与能量室1的外壁和内喷管4外壁更近，冷却罩小孔喷管13另一端连接冷却水管道16，冷却水管道16与水压调控器17相连接，温控器11与水压调控器17连接，水压调控器17与恒温水箱18连接。
所述能量室(燃烧室)1，是用耐高温强度高材料制成，能量室1内壁均匀分布有小孔2起到均匀供给做工工质作用的同时给能量室1内壁一定降温作用；
所述能量室(燃烧室)1内壁小孔2的另一端与工质导管(推进剂)6连通，工质导管6与工质压缩调控器8及工质恒温储存箱7(含液氧储存箱7-1)连通。其中，工质压缩调控器8起到调节进入能量室(燃烧室)1内工质量的作用，从而达到调节发动机功率大小的作用，而工质恒温储存箱7(含液氧储存箱7-1)则保证工质性状不发生变化。
所述能量室(燃烧室)1与内喷管4相连，内喷管4匹配相应的内喷口5并喷出能量做功。内喷管4匹和内喷口5是用耐高温强度高材料制成，且内喷口设计有可转向和可变径功能；
所述能量室(燃烧室)1内，安装的点火或能量发射装置3，在实施例1中，是安装的点火装置3，能量室内壁小孔2喷入的是氧气、煤油等化学燃烧推进剂，由点火装置3点火，其气体经由内喷管4和内喷口5喷出做功。
所述能量室(燃烧室)1和内喷管4外层匹配套装有冷却罩12，且冷却罩12也要用耐高温强度高材料制成，且冷却罩12与能量室1及内喷管4外层之间留有空腔，从而形成套筒式外喷管14及外喷口15。外喷口15设计也要可转向和可变径；
所述能量室(燃烧室)1和内喷管4外层有温度探测器9，其用温度信号线10与温控器11相连接。温度控制器11要将能量室(燃烧室)1和内喷管4控制在可承受的最高温度附近，在即将达到此最高温度时才喷水降温，从而保证能量室(燃烧室)1和内喷管4强度的前提下，其外壁处于合适的高温状态，这样即赋予冷却水最大的能量，又能节省水，还增加发动机比冲量；
所述冷却罩12内壁均匀分布有小孔喷管13，冷却罩小孔喷管13根据需要与能量室(燃烧室)1和内喷管4外壁更近，冷却罩小孔喷管13另一端连接冷却水管道16，冷却水管道16与水压调控器17相连接，温控器11与水压调控器17连接，水压调控器17与恒温水箱18连接。由于对能量室1和内喷管4外外壁进行降温。解决了散热且不损失能量问题的同时，可增加内喷管4长度或缩小口径等方式，使能量室(燃烧室)1和内喷管4内部做功温度极大提高，从而极大提高比冲量。
所述恒温水箱18中的水也可以是各种液化气体以及其他各种流动性好能带走热量的物质。
本发动机起动做功时，工质恒温储存箱7(含液氧储存箱7-1)，由工质压缩调控器8控制，经工质(推进剂)导管6，由能量室内壁小孔2，向能量室(燃烧室)1喷入化学工质氧气和煤油，由点火装置3，点火做功。其做功气体由内喷管4和内喷口5喷出。与此同时温度探测器9，对能量室(燃烧室)1和内喷管4外壁进行温度探测，并通过温度信号线10将温度信号传导给温控器11，水压调控器17根据温控器11信号，通过冷却水管道16从恒温水箱18当中，调出适量的水通过冷却罩小孔喷管13，对能量室1和内喷管4外外壁进行降温的同时，产生做功气体经外喷管14和外喷口15喷出做功。本发动机在点火后的过程中，由工质压缩调控器8控制其运行功率的大小。
如图2所示：为本发明实施例2的结构示意图，本实施例2的其它结构与实施例1相同，只是能量室(燃烧室)1内安装的点火或能量发射装置3内不是点火装置，而是由数量很多的电弧陈组成的能量发射装置；能量发射装置3用能量传输管道(电线)19与能量发生装置(微型核反应堆发电装置)20连通。工质恒温储存箱7内的工质不在是液氧和煤油，而是不导电的蒸馏水或液化气体。同时，其启动做功方式更为简单。
所述能量室(燃烧室)1内安装能量发射装置3，是由很多电极组成的一种高能高压电弧阵，能量室(燃烧室)1内壁作为对应电极，其电弧赋予工质能量，温度可大达6000至上万摄氏度，使工质升到极高温度或直接使其生成等离子体，形成高温高压气态或离子态物质，从内喷管4和内喷口5喷出做功。为保障产生电弧的电极，不被高温损坏，可将电极设计成工质喷管与能量室内壁小孔2，同时起到向能量室(燃烧室)1传送工质的作用，这样电弧阵的放电部位即是电极又是工质喷管，从而在电极放电时，工质同时进对其降温。电极喷管头部为注射器针头形状，其尖部用于放电；其另一端联通能量传输管道(电线)19的同时，也与工质导管6相连接。
所述能量室(燃烧室)1，因采用耐高温强度高材料及冷却转能量设计，为其高温运行提供优良条件，在此基础上，还可采用间歇式供电和间歇式推动送做工作工质的方式，为其超高温运行提供条件，从而达到更高的运行速度。(这有点像活塞式发动机在间歇做功过程中，铝制的活塞也能承受瞬间2000度以上的温度)
所述能量室内壁小孔2喷入流体工质为不导电的雾化的蒸馏水或液化气体，因工质温很高，其单位数量工质所带能量非常大，因此工质用量会很少。可以说这种用能量发射装置赋能的方式，比化学能的方式要大的多，其能量上线不受限制。
所述能量发生装置20是一种微型核反应堆发电装置，现核裂变微型反应堆技很成熟，太空中本身就存在巨量辐射，因此只要保障大气及船舱内没有辐射，其他时间及空间不用考虑辐射问题。待微型热核堆成熟后为了提高效率，可将其更换为微型热核堆。
本发动机起动运行时，能量发射装置3已经按所需电量通电，形成电弧阵，对已经进入能量室(燃烧室)1内的工质(不导电的蒸馏水或液化氮，或等其他液化气体)，赋予能量启动做功。
如图3所示：为本发明实施例3的结构示意图，本实施例3的其它结构与实施例2相同，只是能量室(燃烧室)1内的能量发射装置3只是一个能量扩散器，其一端与电磁轨道22相连接，电磁轨道22另一端与金属粉供给装置25相连接，电磁轨道22内放有金属粉A23及金属粉B23-1，电磁轨道22内有单项阀门24，电磁轨道22由电流控制器21控制。同时，其启动运行方式有所不同。
所述电流控制器21由能量发生装置(微型核反应堆发电装置)20供应强大电流，再电流控制器21根据需要对电磁轨道22供电使其产生强大电磁力，推动电磁轨道22内的金属粉A23，猛烈撞击电磁轨道22内的金属粉B23-1，使其巨大能量产生巨大高温，并在能量发射装置3的地方进行扩散，对能量室(燃烧室)1内的做工工质，赋予能量做功。
所述电磁轨道22可以有多条，对能量室(燃烧室)1交替进行供给能量。
所述电磁轨道22内有单项阀门24在能量室(燃烧室)1边缘和金属粉A23及金属粉B23-1撞击时的前方，防止气体回流到电磁轨道22内。
所述金属粉供给装置25，按照需要随时对电磁轨道22内进行供给。
本发动机起动做功时，电磁轨道22内提前准备了金属粉A23和金属粉B23-1，由电磁轨道其猛烈撞击，产生巨大能量，对已经进入能量室(燃烧室)1内的工质(不导电的蒸馏水或液化气体)，赋予能量启动做功。
本发明因其冷却转能量设计，为其高能量工质在能量室(燃烧室)1内运行提供了可能；能量发生装置20因是微型核反应堆发电装置所储能量巨大，能够为其发动机工质源源不断的赋予能量。能量室(燃烧室)1内安装能量发射装置3，如电弧、等离子、能量场等发射能量的设计，使其放弃了用量大、储存且添加困难的化学工质，而改用储存、添加简单容易，且成分单一作的工质，水或各种气体(如氢气)等，这些工质在宇宙空间是比较容易获得，为空天发动机长期运行提供了可能；所涉及到的能量传输管道19和能量发生装置20两设备，是针对能量室(燃烧室)1内安装能量发射装置3，如电弧、等离子、能量场等发射器所设计，此设计为将来反物质为工质的新技术预留了拓展空间。反物质的特性决定其要砂飞船以外的大型设备上制取，用磁约束方式将正负两种物质储存，直接送入能量室(燃烧室)1内且不可接触其内壁，正负两种物质直接接触在其量室(燃烧室)1的空间内发生湮灭反应，并产生超大能量推动发动机做功。
Claims (3)
1.一种冷却转能量空天发动机，其特征在于，包括燃烧室、燃烧室内壁小孔、点火装置、内喷管、内喷口、工质导管、煤油工质恒温储存箱、液氧储存箱、工质压缩调控器、温度探测器、温度信号线、温控器、冷却罩、冷却罩小孔喷管、外喷管、外喷口、冷却水管道、水压调控器和恒温水箱；燃烧室内壁有均匀分布的小孔，小孔另一端与工质导管连通，工质导管通过工质压缩调控器与煤油工质恒温储存箱、液氧储存箱连通；燃烧室与内喷管连通，内喷管对应的内喷口喷出能量做功；燃烧室内安装有点火装置；燃烧室的外壁和内喷管的外壁有温度探测器用温度信号线与温控器相连接，同时在燃烧室的外壁和内喷管的外壁外套装有冷却罩，且冷却罩与燃烧室的外壁及内喷管的外壁之间留有一定空腔，从而形成套筒式外喷管及外喷口，并喷出气体做功；冷却罩内壁均匀分布有小孔喷管，冷却罩小孔喷管连接冷却水管道，冷却水管道与水压调控器相连接，温控器与水压调控器连接，水压调控器与恒温水箱连接；温度探测器对燃烧室外壁和内喷管外壁进行温度探测，并通过温度信号线将温度信号传给温控器，当燃烧室外壁和内喷管外壁在即将达到可承受最高温度时，水压调控器根据温控器信号，通过冷却水管道从恒温水箱当中，调出适量的水通过冷却罩小孔喷管，对燃烧室外壁和内喷管外壁进行降温的同时，产生做功气体经外喷管和外喷口喷出做功。
2.根据权利要求1所述的一种冷却转能量空天发动机，其特征在于，所述燃烧室采用间歇式供电或点火和间歇式提供做功的工质的方式。
3.根据权利要求1所述的一种冷却转能量空天发动机，其特征在于，内、外喷口为可转向和可变径的结构。
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