CN113803190A - 一种固态燃料冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固态燃料冲压发动机，包括储箱，所述储箱包括燃料储箱和冷却剂储箱，所述燃料储箱装有固态燃料，所述冷却剂储箱装有冷却剂，所述冲压发动机还包括换热器，涡轮，燃料泵，冷却剂泵，喷注器，燃烧室，冷却通道，管道，所述固态燃料包括常温块状固态金属或者常温固态非金属含能材料。本发明的优点表现为：通过金属块及固态非金属含能材料直接作为冲压发动机燃料，不需要添加防沉降剂，减少喷注过程的燃料拉丝现象，提高燃烧效率，提高冲压发动机的净推力，火焰稳定性更高，提高了燃料的能量密度，且块状固态燃料在达到自身点火温度时，与空气接触后可以直接参与燃烧，减轻了燃烧室的结构质量，还提高了废热利用率。

Description

一种固态燃料冲压发动机

【技术领域】

本发明涉及飞行器动力技术领域，具体地说，是一种固态燃料冲压发动机。

【背景技术】

冲压喷气发动机是一种利用迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压的一种空气喷气发动机，冲压发动机的工作时，高速气流迎面向发动机吹来，在进气道内扩张减速，气压和温度升高后进入燃烧室与燃料混合燃烧，高温燃气随后经推进喷管膨胀加速，由喷口高速排出而产生推力。

目前冲压发动机的燃料多使用液体碳氢燃料、液氢、含金属颗粒凝胶燃料，这三种燃料体系分别存在如下问题：碳氢燃料燃料能量密度低，增加了飞行器体积；主动热防护过程中燃料受热容易积碳结胶，堵塞管路，缩短了飞行时间；低温情况下燃料供应困难。液氢燃料体积较大，增大了飞行器体积成本较高，增加了武器系统成本。含金属颗粒凝胶燃料添加了防沉降剂，导致燃料粘度增大，喷注过程中燃料拉丝现象严重，雾化效果大减，使凝胶组分燃烧效率降低；金属颗粒被凝胶组分包裹，无法与冲压来流直接接触，造成金属颗粒点火失败或低效燃烧；金属颗粒为固态，需要吸热块状固态为液态后才能快速反应，吸热块状固态过程较长，无法在极短时间的冲压燃烧过程中高效燃烧；低温情况下也存在燃料供应困难等问题。因此提供一种具有更高能量密度和更长工作时间的块状固态燃料冲压发动机具有重要意义。

【发明内容】

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种固态燃料冲压发动机，提高化学能燃料体系的能量密度和燃烧效率，同时提高废热利用率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种固态燃料冲压发动机包括储箱(1)，所述储箱包括燃料储箱(11)和冷却剂储箱(12)，所述燃料储箱(11)装有固态燃料(111)，所述冷却剂储箱(12)装有冷却剂，所述冲压发动机还包括换热器(2)，涡轮(3)，燃料泵(41)，冷却剂泵(42)，喷注器(5)，燃烧室(6)，冷却通道(8)，管道(10)，所述固态燃料(111)包括常温块状固态金属或者常温固态非金属含能材料。

进一步的，

所述常温块状固态金属为铝、镁、铁、锆、硼中的一种或多种组合。

进一步的，

所述常温固态非金属含能材料为石蜡。

进一步的，

所述燃料储箱(11)放置于所述换热器(2)内，所述换热器(2)与所述第燃料储箱(11)之间形成换热通道。

进一步的，

所述换热器(2)入口连接所述冷却剂储箱(12)，所述换热器(2)出口连接所述燃料泵(41)和所述冷却剂泵(42)。

进一步的，

所述冷却通道(8)设于所述燃烧室(6)两侧壁面处，所述喷注器(5)连接于所述燃烧室(6)一侧的冷却通道(8)且延伸入所述燃烧室(6)内部。

进一步的，

所述喷注器(5)通过液体喷注的形式喷射固态燃料(111)，所述固态燃料(111)的流量可通过所述燃烧泵(41)控制。

进一步的，

所述管道(10)包括开式循环管道(101)和闭式循环管道(102)。

进一步的，

所述换热器(2)、燃料泵(41)、喷注器(5)依次通过开式循环管道(101)连接，用于燃料开式循环。

进一步的，

所述冷却剂储箱(12)、冷却剂泵(42)、冷却通道(8)依次通过闭式循环管道(102)连接，用于冷却剂闭式循环。

本发明实现的有益效果在于：1)本发明使用固态燃料，其燃烧产物沸点高，可以提高冲压发动机的净推力，且块状固态燃料增加了燃料的体积热值和传热能力，火焰稳定性更高，提高了燃料的能量密度；2)通过金属块及石蜡直接作为冲压发动机燃料，不需要添加防沉降剂，减少喷注过程的燃料拉丝现象，提高燃烧效率；3)通过使用金属块及石蜡为燃料，其在达到自身点火温度时，与空气接触后可以直接参与燃烧，减轻了燃烧室的结构质量；4)通过喷嘴液体喷注液态燃料的形式，节省了燃料的升温时间及点或延迟时间；5)通过冷却循环使块状固态燃料液化，利用飞行过程中和空气摩擦热量及燃烧产物的高热量，提高废热的利用率。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本说明书各实施例中涉及的技术方案对应附图加以简单说明，显而易见的，本说明书中所描述的附图仅仅是本发明的一些可能的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出任何创造性劳动的基础上，可以依据以下附图获得与本发明技术方案相同或相似的其他附图。

附图1是本发明的一种固态燃料冲压发动机在一实施例中的结构示意图；

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.储箱，11.燃料储箱，111.固态燃料，12.冷却剂储箱，2.换热器，3.涡轮，4.动力装置，41.燃料泵，42.冷却剂泵，5.喷注器，6.燃烧室，7.进气道，8.冷却通道，9.尾喷管,10.管道，101.开式循环管道，102.闭式循环管道

【具体实施方式】

下面将结合附图及具体实施例，对本发明所描述的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，本说明书中所描述的实施例仅是本发明的一部分可行技术方案，本领域普通技术人员基于本发明的实施例，在没有付出任何创造性劳动的基础上得到的其他实施例，应当视为属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所使用的“第一”“第二”等描述仅仅用于描述目的，不应当理解为其指示或隐含指示所限定的技术特征的数量，由此，本说明书各实施例中限定有“第一”“第二”的特征可以表明包括至少一个该被限定的技术特征。

在本申请的描述中，需要理解的是，属于“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所述的方位或位置，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、一特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本发明的一种固态燃料冲压发动机，是对现有的冲压发动机的燃料体系进行改进使其具有更高的能量密度和燃烧效率，同时减轻燃烧室重量。下面对冲压发动机的结构进行具体描述，冲压发动机结构包括燃料储箱11，冷却剂储箱12，换热器2，涡轮3，燃料泵41，冷却剂泵42，喷注器5，燃烧室6，进气道7，冷却通道8，尾喷管9，所述换热器2、喷注器5依次通过开式循环管道101连接，用于燃料开式循环，所述第二储箱12、冷却剂泵42、冷却通道8依次通过闭式循环管道102连接，用于冷却剂闭式循环。所述燃料储箱11放置于换热器2中，且所述金属储箱11内装有固态燃料111，所述固态燃料111可以为常温块状固态金属和常温固态非金属含能材料，常温块状固态金属的种类包括但不限于铝、镁、铁、锆、硼等任一种或任意几种的组合，所述常温固态非金属含能材料的种类包括但不限于石蜡。所述换热器2入口连接所述冷却剂储箱12，所述冷却剂储箱12中的冷却剂的种类包括但不限于高压气体(例如二氧化碳、氦气)、液体(例如水)、固体(例如钠、钾)等任一种或任意几种的组合，所述换热器2出口连接所述燃料泵41和所述冷却剂泵42，所述涡轮3设置在所述燃料泵41和所述冷却剂泵42之间，用于驱动燃料泵41和冷却剂泵42转动，所述冷却通道8设于燃烧室6两侧壁面处，所述喷注器5连接于燃烧室6一侧的冷却通道8且延伸入燃烧室内部中，所述喷注器5的形式包括但不限于直流式、多股碰撞式、离心式。

参阅附图1一种块状固态燃料冲压发动机在一实施例中的结构示意图，附图中箭头表示的是冷却剂和块状固态燃料流动的方向。在一个优选的实施例中，所述燃料储箱11中填充块状固态金属铝，所述冲压发动机被火箭高速助推，冲压空气进入进气道7中经压缩升温后，气动摩擦生热，冲压空气和高温燃气流经冷却通道8时将一部分热量传递给冷却剂储箱12，对所述冷却剂储箱12中的冷却剂进行加热，使所述冷却剂达到高温后，流动至所述换热器2与所述燃料储箱11之间的换热通道中对燃料储箱11中的块状固态金属铝进行持续换热，所述块状固态金属铝被高温冷却剂加热后融化为液态金属铝，冷却剂从所述换热器2中流出后进入所述涡轮3中推动涡轮3转动，所述涡轮3带动冷却剂泵42和燃料泵41转动，所述冷却剂泵42驱动所述冷却剂沿冷却通道-换热器-冷却通道的回路进行闭式循环，所述冷却剂在冷却通道8内吸热，降低所述燃烧室6壁面温度，在所述换热器2内放热，使得金属铝块熔融，为燃烧室6提供燃料，所述燃料泵41驱动液态金属铝进行开式循环，通过所述喷注器5喷注进燃烧室6中与冲压空气进行燃烧释放出热量，经过尾喷管9排出产生推力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固态燃料冲压发动机，包括储箱(1)，所述储箱包括燃料储箱(11)和冷却剂储箱(12)，所述第一储箱装有固态燃料(111)，所述冷却剂储箱(12)装有冷却剂，所述冲压发动机还包括换热器(2)，涡轮(3)，燃料泵(41)，冷却剂泵(42)，喷注器(5)，燃烧室(6)，冷却通道(8)，管道(10)，其特征在于，所述固态燃料(111)包括常温块状固态金属或者常温固态非金属含能材料。

2.根据权利要求1所述的一种固态燃料冲压发动机，其特征在于，所述常温块状固态金属为铝、镁、铁、锆、硼中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的一种固态燃料冲压发动机，其特征在于，所述常温固态非金属含能材料为石蜡。

4.根据权利要求1所述的一种固态燃料冲压发动机，其特征在于，所述燃料储箱(11)放置于所述换热器(2)内，所述换热器(2)与所述燃料储箱(11)之间形成换热通道。

5.根据权利要求4所述的一种固态燃料冲压发动机，其特征在于，所述换热器(2)入口连接所述冷却剂储箱(12)，所述换热器(2)出口连接所述燃料泵(41)和所述冷却剂泵(42)。

6.根据权利要求1所述的一种固态燃料冲压发动机，其特征在于，所述冷却通道(8)设于所述燃烧室(6)两侧壁面处，所述换热器(2)连接于所述燃烧室(6)一侧的冷却通道(8)且延伸入所述燃烧室(6)内部。

7.根据权利要求6所述的一种固态燃料冲压发动机，其特征在于，所述喷注器(5)通过液体喷注的形式喷射固态燃料(111)，所述固态燃料(111)的流量可通过所述燃料泵(41)控制。

8.根据权利要求1所述的一种固态燃料冲压发动机，其特征在于，所述管道(10)包括开式循环管道(101)和闭式循环管道(102)。

9.根据权利要求8所述的一种固态燃料冲压发动机，其特征在于，所述换热器(2)、燃料泵(41)、喷注器(5)依次通过开式循环管道(101)连接，用于燃料开式循环。

10.根据权利要求9所述的一种固态燃料冲压发动机，其特征在于，所述冷却剂储箱(12)、冷却剂泵(42)、冷却通道(8)依次通过闭式循环管道(102)连接，用于冷却剂闭式循环。

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