CN114439645B - 一种宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机，该冲压组合发动机将空气涡轮火箭发动机、亚燃冲压发动机和水冲压发动机模式融合，通过发动机流道调节，能够在水、空介质内工作，可根据外部环境自主切换工作模式，使发动机具有宽速域工作能力。
Description
技术领域
本发明属于空水跨介质发动机领域，具体涉及一种宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机及其控制方法。
背景技术
冲压发动机是一种利用高速空气流的减速增压作用来完成增压燃烧，从而进行工作的空气喷气发动机，通常由进气道、燃烧室和喷管组成。飞行时，气流在通过进气道的过程中减速，静压提升，增压后的空气进入燃烧室与燃料混合组织燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出，产生推力。
冲压发动机的燃料比冲远高于现有的涡轮喷气发动机和压燃冲压发动机，能够实现更高的飞行速度以及飞行高度，同时降低空间运输成本，适用于高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等新型飞行器。
目前，已经公开的跨介质发动机主要包括两类：一类是涡轮发动机与喷水推进系统组合形成的跨介质发动机，这类发动机只能在空中亚声速飞行，在水下航速也较低，以此类发动机为动力的鱼雷等由于航速低，不利于快速抵近。另一类是以固体燃料为推进剂，包含固体冲压模态和水冲压模态，只能在超声速条件下工作是固体冲压发动机的固有特征，因此这类跨介质发动机的飞行速域较为有限；同时，固体燃气发生器内的固体燃料燃烧的调节能力有限，使得发动机在空中和水下的推力等特性调节范围较窄，不能保证发动机工作在较高的比冲状态下，影响飞行器的航程，也影响飞行器的任务剖面优化。
发明内容
为解决现有空水跨介质发动机存在飞行速域有限、性能不满足要求的问题，本发明提供一种宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机及其控制方法，该发动机具备多频次跃水空、Ma0～4.0速度飞行、水下高速工作能力。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机，包括进气道、ATR核心机、进气流道切换活门、混流器、燃烧室、水二次射流喷注器、喷管、火焰稳定器、冲压活门、燃烧室前活门、燃料贮箱、氧化剂贮箱和进水道；所述进气道由外壳体和设置在外壳体内部前端的进气道锥体形成，用于实现空气的捕获；所述ATR核心机设置在外壳体内部后端，且与外壳体形成冲压流道，所述进气流道切换活门设置在ATR核心机的前端，用于控制进气道中的空气进入ATR核心机流道进行燃烧；所述混流器设置在ATR核心机的后端，用于对空气和燃气进行混合；所述燃烧室、喷管设置在外壳体的后端，用于对混合后的空气和燃气进行燃烧并产生推力，所述火焰稳定器设置在燃烧室内，实现燃料喷注和火焰稳定；所述水二次射流喷注器设置在燃烧室、喷管之间，用于实现海水的喷射；所述冲压活门设置在冲压流道的后端，用于控制进气道中的空气通过冲压流道进入燃烧室；所述燃烧室前活门设置在混流器的进口端，用于控制ATR核心机中的燃气进入混流器；所述燃料贮箱、氧化剂贮箱设置在壳体内，用于提供燃烧时的燃料和氧化剂；所述进水道设置在外壳体内，其一端与进气道锥体的前锥体连接，另一端分别与混流器、水二次射流喷注器连接，前锥体能够移动打开，使得海水通过进水道进入燃烧室进行燃烧。
进一步地，还包括设置在进气道锥体上的超空泡系统和水介质发生器，所述水介质发生器分别与燃料贮箱、进水道连接，所述水介质发生器和超空泡系统产生水介质超空泡，并将其作用在进气道锥体前端，用于减小飞行器的阻力。
进一步地，所述喷管为拉瓦尔喷管，喉部尺寸根据发动机工况调节使发动机处于较高的性能。
进一步地，所述燃料为液体燃料，所述氧化剂为液体氧化剂，其中，发动机的燃料具体为硼氢化镁凝胶推进剂，氧化剂具体采用高氯酸羟胺。
进一步地，所述燃料贮箱、氧化剂贮箱分别相对设置在外壳体的内壁上。
同时，本发明还提供一种上述宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机的控制方法：
在ATR工作模式下，进气道捕获空气，进气流道切换活门和冲压活门关闭冲压流道，使空气进入ATR核心机；燃料和氧化剂在ATR核心机的燃气发生器内燃烧产生高温燃气推动ATR核心机的涡轮和压气机压缩空气；燃烧室前活门打开，压缩后的空气与涡轮增压后的燃气在混流器内混合，在燃烧室内组织燃烧，并通过喷管实现内能向动能的转换，产生推力；
在冲压工作模式下，进气道捕获空气，进气流道切换活门和燃烧室前活门关闭ATR核心机的流道，冲压活门打开冲压流道，使空气进入燃烧室与火焰稳定器喷入的燃料组织燃烧，燃气通过喷管实现内能向动能的转换，产生推力；
在水冲压工作模式下，进气道的唇口关闭，燃烧室前活门和冲压活门关闭ATR核心机流道和冲压流道；进气道的前锥体向上游移动打开进水道，进水道捕获海水并提高海水的压力；海水进入燃烧室与火焰稳定器喷入的燃料组织燃烧，燃气通过喷管实现内能向动能的转换，产生推力。
与现有技术相比，本发明有益效果为：
1.发动机工作速域宽，巡航速度快。本发明冲压组合发动机通过结构调节和气动匹配，一套动力系统实现了亚声速、跨声速和超声速飞行及水下高速航行的能力。发动机包含了ATR模态、亚燃冲压模态和水冲压模态，发动机的工作马赫数范围达到为0-Ma4，可以降低发射要求，能够适应各种复杂的任务模式；同时发动机的超声速高空巡航能力使得飞行器能够快速抵达目标区域。
2.适应复杂的任务模式。发动机采用可与水和空气反应的液体推进剂，推进剂供应系统可以精确调节推进剂供应压力和流量，配合可调进气道、可调喷管和可调进水道，能够灵活的调节发动机推力和工作状态，最大程度上使发动机工作在较高的比冲性能条件下，满足飞行器复杂任务模式对发动机状态的需要。
3.高度一体化，集成度高。本发明冲压组合发动机将推重比高、单位推力大的ATR发动机、高空巡航性能高的冲压发动机与水冲压发动机在气动、结构、控制和供应方面高度一体化设计，发动机将三种动力形式有机组合，实现了热力循环和结构的一体化设计，发动机共用核心组件和子系统，结构紧凑。同时，进水道与进气道集成设计，共用进气道、喷管和燃烧室等关键部件，使得整体结构重量轻，结构简单。
4.统一的推进剂。本发明冲压组合发动机不同于通常的ATR发动机和水冲压发动机各采用一套推进剂系统，本发明采用能够与空气和水反应的推进剂，降低了供应系统的复杂性和结构重量，实现了供应系统一体化。
附图说明
图1为本发明宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机ATR工作模式的结构示意图；
图2为本发明宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机冲压工作模式的结构示意图；
图3为本发明宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机水冲压工作模式的结构示意图。
附图标记：1-进气道，2-进气流道切换活门，3-ATR核心机，4-燃料贮箱，5-燃烧室前活门，6-混流器，7-火焰稳定器，8-燃烧室，9-水二次射流喷注器，10-喷管，11-氧化剂贮箱，12-进水道，13-外壳体，14-进气道锥体，15-冲压流道，16-前锥体，17-冲压活门，18-水介质发生器，19-超空泡系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机及其控制方法，该冲压组合发动机将空气涡轮火箭发动机、亚燃冲压发动机和水冲压发动机模式融合，通过发动机流道调节，能够在水、空介质内工作，可根据外部环境自主切换工作模式，使发动机具有宽速域工作能力。该发动机采用能够既能与水反应，也能与空气反应的燃料，如含金属粉末的硼氢化镁凝胶推进剂等，氧化剂采用高氯酸羟胺等氧化性物质。
如图1至图3所示，本发明宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机包括进气道1、ATR核心机3、进气流道切换活门2、混流器6、燃烧室8、水二次射流喷注器9、喷管10、火焰稳定器7、冲压活门17、燃烧室前活门5、燃料贮箱4、氧化剂贮箱11、超空泡系统19、水介质发生器18和进水道12；进气道1由外壳体13和设置在外壳体13内部前端的进气道锥体14形成，用于实现空气的捕获；ATR核心机3设置在外壳体13内部后端，且与外壳体13形成冲压流道15，进气流道切换活门2设置在ATR核心机3的前端，用于控制进气道1中的空气进入ATR核心机3流道进行燃烧；混流器6设置在ATR核心机3的后端，用于对空气和燃气进行混合；燃烧室8、喷管10设置在外壳体13的后端，用于对混合后的空气和燃气进行燃烧并产生推力，火焰稳定器7设置在燃烧室8内，实现燃料喷注和火焰稳定；水二次射流喷注器9设置在燃烧室8、喷管10之间，用于实现海水的喷射；冲压活门17设置在冲压流道15的后端，用于控制进气道1中的空气通过冲压流道15进入燃烧室8；燃烧室前活门5设置在混流器6的进口端，用于控制ATR核心机3中的燃气进入混流器6；燃料贮箱4、氧化剂贮箱11设置在壳体内，且相对设置在外壳体13的内壁上，用于提供燃烧时的燃料和氧化剂；进水道12设置在外壳体13内，其一端与进气道锥体14的前锥体16连接，另一端分别与混流器6、水二次射流喷注器9连接，前锥体16能够移动打开，使得海水通过进水道12进入燃烧室8进行燃烧。水介质发生器18设置在进气道锥体14内，超空泡系统19设置在进气道锥体14的前端，且与水介质发生器18连接；水介质发生器18分别与燃料贮箱4和进水道12连接，用于产生水介质超空，用于减小飞行器的阻力。
上述喷管10为拉瓦尔喷管，喉部尺寸根据发动机工况调节使发动机处于较高的性能。
如图1所示，在ATR工作模式下，进气道1起到捕获空气的作用，进气流道切换活门2和冲压活门17关闭冲压流道15，使空气进入ATR核心机3；燃料和氧化剂在ATR核心机3的燃气发生器内燃烧产生高温燃气推动ATR核心机3的涡轮和压气机压缩空气；燃烧室前活门5打开，压缩后的空气与涡轮增压后的燃气在混流器6内混合，在燃烧室8内组织燃烧，并通过喷管10实现内能向动能的转换，产生推力。
如图2所示，在冲压工作模式下，进气道1起到捕获空气的作用，进气流道切换活门2和燃烧室前活门5关闭ATR核心机3流道，冲压活门17打开冲压流道15，使空气进入燃烧室8与火焰稳定器7喷入的燃料组织燃烧，火焰稳定器7起到燃料喷注和火焰稳定的作用，燃气通过喷管10实现内能向动能的转换，产生推力。
如图3所示，在水冲压工作模式下，进气道1的唇口关闭，燃烧室前活门5和冲压活门17关闭ATR核心机3流道和冲压流道15。前锥体16向上游移动打开进水道12，进水道12捕获海水并提高海水的压力，海水进入燃烧室8与火焰稳定器7喷入的燃料组织燃烧，火焰稳定器7起到燃料喷注和火焰稳定的作用，燃气通过喷管10实现内能向动能的转换，产生推力。
本发明冲压组合发动机能够实现空水跨介质工作，工作速域宽。该冲压组合发动机将适宜爬升加速的ATR发动机、巡航比冲较高的冲压发动机和适宜水下高速巡航的水冲压发动机有效组合，具备了空水跨介质工作能力，工作空中飞行马赫数0～Ma4，水下航速0～100m/s。
本发明冲压组合发动机实现了高度一体化，发动机采用了统一的推进剂，氧化剂仅用于使用时间较短的ATR工作模式，燃料既能够与水反应又能够与空气反应，大幅简化了推进供应系统。
以下对本发明冲压组合发动机的工作模式进行详细描述，上述工作模式具体包括空中工作模式、入水工作模式、水下工作模式和出水工作模式。
1)空中工作模式
飞行器从飞机上分离后，调整姿态，信息处理系统根据飞行状态发送发动机推进剂供应系统启动指令，随后向发动机发送点火预令；发动机空气路打开，根据飞行状态和推力需求，调整进气道1和喷管10位置，建立正常空气流动；电爆阀起爆，氮气经减压器和过滤器充填燃料贮箱4和氧化剂贮箱11，燃料流量调节阀控制流量，打开燃气发生器前的燃料截止阀，燃气发生器起动并产生高温燃气，燃气驱动涡轮，ATR核心机3起动，涡轮增压后的燃气与空气组织燃烧；随着飞行马赫数和高度的提高，发动机按照飞行器要求的推力对燃气发生器工况、进气道型面、喷管喉道进行调节。到达Ma2.5，发动机进入模态转换过程，作动系统驱动进气流道切换活门逐渐打开冲压流道，空气同时进入ATR核心机流道和冲压流道15，燃料喷注器前的截止阀打开，点火器通电，冲压点火，当冲压流道15能够正常工作并提供必要的推力时，关闭燃气发生器，并对燃气发生器进行吹除，ATR流道关闭。
冲压发动机接力后，以较高的比冲性能巡航，发动机根据飞行控制系统提供的飞行参数，燃料调节阀调节燃料流量，伺服系统调节发动机型面，使发动机能够达到飞行要求的推力，并保持较高的性能。
2)入水工作模式
到达预定目标位置或飞行器有入水需要时，飞行器开始下压，降低高度和飞行速度。发动机根据飞行控制系统提供的飞行参数对模态转换进行控制，当飞行马赫数降低到Ma2.7，进气道、ATR核心机流道逐渐打开，发动机系统对燃气发生器进行吹除等点火前处理流程，燃气发生器点火，ATR核心机起动；当飞行马赫数降低到Ma2.5，冲压喷注器前阀门关闭，冲压流道关闭，ATR核心机完全接力；发动机按照飞行器要求的推力对燃气发生器工况、进气道型面、喷管喉道进行调节；入水前，飞行器调整姿态，在水面滑行，关闭ATR核心机和气路流道，同时打开进水道12，利用滑行速度对水增压，喷入燃烧室8的水与喷注器喷入的燃料组织燃烧，高温燃气从喷管10喷入水中，产生推力；同时，利用水介质推进剂与水反应产生的燃气产生超空泡，燃气由水介质发生器产生水介质超空泡，出气口设置在锥尖处，利于超空泡技术降低飞行器的阻力。
3)水下工作模式
水下巡航过程中，飞行器依靠调整姿态和翼面来控制巡航深度，发动机的推力由水介质推进剂和水的供应量调节来控制，推进剂流量由供应系统中的流量调节阀调节，水流量由进水道12中设置的流阻元件进行调节。
4)出水工作模式
出水工作模式包含两种情况。当飞行器需要调整水下航行姿态时，飞行器利用惯性以较小的角度出水，发动机不关机，继续以水下工作模式工作；飞行器在空中利用短暂的出水时间依靠姿控发动机调整姿态，再次入水，继续以水下工作模式。
当飞行器需要再次升空飞行时，飞行器以较小的角度出水，保证进水口在水面以下、进气口在水面以上。飞行器出水后，飞行器阻力明显减小，关闭超空泡供气管阀门，飞行器在水面滑行加速；在此过程中，发动机空气路打开，根据飞行状态和推力需求，调整进气道1和喷管10位置，建立正常流动，打开燃气发生器前的燃料主阀，推进剂进入燃气发生器产生高温，燃气驱动涡轮ATR核心机3起动，点火器点燃补燃室；飞行器速度和推力达到起飞要求后，飞行器起飞脱离水面，并关闭水冲压流道15，ATR核心机推动飞行器加速爬升，后续的模态转换和冲压巡航过程与空中工作模式一致。
Claims (4)
1.一种宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机，其特征在于：包括进气道(1)、ATR核心机(3)、进气流道切换活门(2)、混流器(6)、燃烧室(8)、水二次射流喷注器(9)、喷管(10)、火焰稳定器(7)、冲压活门(17)、燃烧室前活门(5)、燃料贮箱(4)、氧化剂贮箱(11)和进水道(12)；
所述进气道(1)由外壳体(13)和设置在外壳体(13)内部前端的进气道锥体(14)形成，用于实现空气的捕获；
所述ATR核心机(3)设置在外壳体(13)内部后端，且与外壳体(13)形成冲压流道(15)，所述进气流道切换活门(2)设置在ATR核心机(3)的前端，用于控制进气道(1)中的空气进入ATR核心机(3)流道进行燃烧；
所述混流器(6)设置在ATR核心机(3)的后端，用于对空气和燃气进行混合；
所述燃烧室(8)、喷管(10)设置在外壳体(13)的后端，用于对混合后的空气和燃气进行燃烧并产生推力，所述火焰稳定器(7)设置在燃烧室(8)内，实现燃料喷注和火焰稳定；
所述冲压活门(17)设置在冲压流道(15)的后端，用于控制进气道(1)中的空气通过冲压流道(15)进入燃烧室(8)；所述燃烧室前活门(5)设置在混流器(6)的进口端，用于控制ATR核心机(3)中的燃气进入混流器(6)；
所述水二次射流喷注器(9)设置在燃烧室(8)、喷管(10)之间，用于实现海水的喷射；
所述燃料贮箱(4)、氧化剂贮箱(11)设置在外壳体(13)内，用于提供燃烧时的燃料和氧化剂；
所述进水道(12)设置在外壳体(13)内，其一端与进气道锥体(14)的前锥体(16)连接，另一端分别与混流器(6)、水二次射流喷注器(9)连接，前锥体(16)能够移动打开，使得海水通过进水道(12)进入燃烧室(8)进行燃烧；
所述燃料为液体燃料，所述氧化剂为液体氧化剂；
还包括设置在进气道锥体(14)上的超空泡系统(19)和水介质发生器(18)，所述水介质发生器(18)分别与燃料贮箱(4)、进水道(12)连接，所述水介质发生器(18)和超空泡系统(19)产生水介质超空泡，并将其作用在进气道锥体(14)前端，用于减小飞行器的阻力；
在ATR工作模式下，进气道(1)捕获空气，进气流道切换活门(2)和冲压活门(17)关闭冲压流道(15)，使空气进入ATR核心机(3)；燃料和氧化剂在ATR核心机(3)的燃气发生器内燃烧产生高温燃气推动ATR核心机(3)的涡轮和压气机压缩空气；燃烧室前活门(5)打开，压缩后的空气与涡轮增压后的燃气在混流器(6)内混合，在燃烧室(8)内组织燃烧，并通过喷管(10)实现内能向动能的转换，产生推力；
在冲压工作模式下，进气道(1)捕获空气，进气流道切换活门(2)和燃烧室前活门(5)关闭ATR核心机(3)的流道，冲压活门(17)打开冲压流道(15)，使空气进入燃烧室(8)与火焰稳定器(7)喷入的燃料组织燃烧，燃气通过喷管(10)实现内能向动能的转换，产生推力；
在水冲压工作模式下，进气道(1)的唇口关闭，燃烧室前活门(5)和冲压活门(17)关闭ATR核心机(3)流道和冲压流道(15)；进气道(1)的前锥体(16)向上游移动打开进水道(12)，进水道(12)捕获海水并提高海水的压力；海水进入燃烧室(8)与火焰稳定器(7)喷入的燃料组织燃烧，燃气通过喷管(10)实现内能向动能的转换，产生推力。
2.根据权利要求1所述的宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机，其特征在于：所述喷管(10)为拉瓦尔喷管，喉部尺寸根据发动机工况调节。
3.根据权利要求2所述的宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机，其特征在于：所述燃料为硼氢化镁凝胶推进剂，所述氧化剂为采用高氯酸羟胺。
4.根据权利要求3所述的宽域多频次跃水空涡轮冲压组合发动机，其特征在于：所述燃料贮箱(4)、氧化剂贮箱(11)分别相对设置在外壳体(13)的内壁上。
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