CN115263609A - 一种模块化二次爆震发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化二次爆震发动机，预爆震组件包括第一燃料进气管、燃料腔、氧化剂腔、第一氧化剂进气管、预爆管和点火器，氧化剂腔同轴套设在燃料腔的外部，第一燃料进气管与燃料腔连通，第一氧化剂进气管与氧化剂腔连通，燃料腔的出口端和氧化剂腔的出口端均与预爆管的进口端连通；主爆震组件，主爆震组件包括主爆室组件、第二燃料进气管、第二氧化剂进气管和扩张尾喷管，第二燃料进气管和第二氧化剂进气管均设置在主爆室组件外壁，主爆室组件的进口端和预爆管的出口端连通，主爆室组件的出口端和扩张尾喷管的进口端连通。通过模块化设计，可改变发动机推力，二次爆震可提高推力，自冷却燃烧室可延长使用寿命。

Description

一种模块化二次爆震发动机

技术领域

本说明书涉及爆震发动机技术领域，具体涉及一种模块化二次爆震发动机。

背景技术

脉冲爆震发动机是一种利用间歇性的爆震波产生的高温、高压燃气来作为推力的新概念推进装置。其根据是否采用大气作为工质，可以分为吸气式脉冲爆震发动机和火箭式脉冲爆震发动机。脉冲爆震发动机较之常规的推进系统有着独特的优点，如热循环效率高、推重比大、工作范围宽、结构简单、质量轻，尤其是分别能以吸气式和火箭式两种模态作为工作的方式。

脉冲爆震发动机在火箭发动机上的应用受到了相当多的关注、其中部分原因在于：(1)火箭发动机使用的燃料(氢气)的可爆性较好；(2)由于火箭发动机自带燃料和氧化剂，因此在各种飞行条件下燃料的喷入不再是一个问题，如果脉冲爆震火箭发动机排气过程总的喷管效率与火箭发动机相当，那么脉冲爆震火箭发动机爆震阶段的性能比常规火箭发动机的性能有显著的增加。

现有技术的脉冲爆震火箭发动机存在以下几点缺点：1.不是模块化设计，不能更改燃烧室长度及尾喷管扩张比，不能更改发动机推力。2.没有补充燃料进行二次爆震来提高推力。3.没有冷却结构，燃烧室的温度过高，会降低燃烧室的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种模块化二次爆震发动机，以达到模块化设计可改变发动机推力，二次爆震可提高推力，自冷却燃烧室可延长使用寿命的目的。

本说明书实施例提供以下技术方案：

一种模块化二次爆震发动机，包括：

预爆震组件，预爆震组件包括第一燃料进气管、燃料腔、氧化剂腔、第一氧化剂进气管、预爆管和点火器，氧化剂腔同轴套设在燃料腔的外部，第一燃料进气管设置在燃料腔的外壁并与燃料腔连通，第一氧化剂进气管设置在氧化剂腔的外壁并与氧化剂腔连通，燃料腔的出口端和氧化剂腔的出口端均与预爆管的进口端连通，点火器设置在预爆管的外壁；

主爆震组件，主爆震组件包括主爆室组件、第二燃料进气管、第二氧化剂进气管和扩张尾喷管，第二燃料进气管和第二氧化剂进气管均设置在主爆室组件外壁，主爆室组件的进口端和预爆管的出口端连通，主爆室组件的出口端和扩张尾喷管的进口端连通。

进一步地，氧化剂腔和燃料腔通过螺纹可拆卸的连接。

进一步地，预爆管和主爆室组件通过法兰可拆卸的连接，主爆室组件和扩张尾喷管通过法兰可拆卸的连接。

进一步地，主爆室组件包括主爆室内环、主爆室外环、主爆室燃料通道组和稳压腔，主爆室外环同轴套设在主爆室内环的外部，稳压腔为主爆室外环和主爆室内环上游位置的环状间隙，主爆室燃料通道组设置在主爆室外环和主爆室内环间隙的下游位置。

进一步地，主爆室燃料通道组包括燃料通道和氧化剂通道，燃料通道和氧化剂通道均为主爆室内环外壁的凹槽和主爆室外环内壁的凹槽配合形成的密封管状通道，燃料通道的进口端与第二燃料进气管连接，燃料通道的出口端与稳压腔连接，氧化剂通道的进口端与第二氧化剂进气管连接，氧化剂通道的出口端与稳压腔连接。

进一步地，主爆室组件燃料通道组包括一条燃料通道和一条氧化剂通道，一条燃料通道和一条氧化剂通道互不连通且呈螺旋状分布。

进一步地，主爆室组件燃料通道组包括多条燃料通道和多条氧化剂通道，多条燃料通道与多条氧化剂通道均不连通且呈螺旋状分布。

进一步地，主爆震组件还包括带转轴的挡板，带转轴的挡板可转动的设置在稳压腔和主爆室内环内部主爆室的通道之间，通过调整带转轴的挡板的位置可使稳压腔与主爆室连通或阻断。

进一步地，主爆室内环的内壁上设置有螺纹增强装置。

进一步地，预爆管的内壁上设置有螺纹增强装置。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

预爆管内壁上设有Shchelkin螺纹增强装置，燃料和氧化剂经过双螺旋槽进入稳压腔，提高混合率并冷却主爆室组件壁面，提高燃料的喷注温度。爆震波进入主爆室组件，随着爆震波的向外传播，主爆室组件内压力逐渐降低，当主爆室组件前端压力小于稳压腔压力时，受压差作用，挡板向主爆室组件内转动，气体进入主爆室组件，预爆管传出的爆震波点燃主爆室组件内的气体，在主爆室组件内形成二次爆震波。主爆室组件内壁上设有Shchelkin螺纹增强装置。尾部装有钟形喷管产生更高的冲量。模块化设计能更换不同扩张比的尾喷管及不同长度的主爆室组件，从而更改推力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的整体径向截面示意图；

图2是图1的A-A部分的轴向截面示意图；

图3是图1的B位置放大示意图；

图4是本发明实施例主爆室组件内环结构示意图；

图5是本发明实施例带转轴的挡板结构示意图；

图6是本发明实施例燃料和氧化剂的螺旋流向示意图；

图7是本发明实施例挡板转动前的示意图；

图8是本发明实施例挡板转动后的示意图。

附图标记说明：1、第一燃料进气管；2、燃料腔；3、氧化剂腔；4、第一氧化剂进气管；5、预爆管；6、点火器；7、主爆室内环；8、主爆室外环；9、第二燃料进气管；10、尾喷管；11、第二氧化剂进气管；12、螺纹增强装置；13、带转轴的挡板；1301、挡板斜面；14、燃料通道；15、氧化剂通道；16、稳压腔。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

以下对本说明书的实施例的专业术语做解释：

爆震：是激波和火焰(化学反应)耦合的燃烧模式，其化学反应速率快、火焰传播快，可达1000+km/s、能够产生极高的压力和温度。爆震波产生极高的燃气压力(大于1.5～5.5MPa)，极高的燃气温度(大于2800K)；

火箭式脉冲爆震发动机：氧化剂供给方式为自供，是利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机；

预爆管：燃料混合物燃烧后在管中发生爆燃向爆震的转变过程，最终形成爆震波；

主爆室：二次爆震的燃烧室，促进爆震的成功转变，进而产生更大的推力；

钟形喷管：在初始扩散区内采用了一个快速膨胀或径向流动的部分，然后在尾喷管出口处引导为一个均匀的轴向流动。采用钟形喷管可以得到较高的喷管效率并缩短喷管的长度；

以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

如图1、图2、图3所示，本实施例的爆震发动机包括第一燃料进气管1、燃料腔2、氧化剂腔3、第一氧化剂进气管4、预爆管5、点火器6、主爆室内环7、主爆室外环8、第二燃料进气管9、扩张尾喷管10、第二氧化剂进气管11、螺纹增强装置12、带转轴的挡板13、燃料通道14、氧化剂通道15和稳压腔16。

第一燃料进气管1、燃料腔2、氧化剂腔3、第一氧化剂进气管4、预爆管5和点火器6组成了预爆震组件。氧化剂腔3同轴套设在燃料腔2外部，燃料腔2的出口端设置有直流喷孔，直流喷孔的外壁和氧化剂腔3的内壁之前留有气体环缝。

主爆室内环7、主爆室外环8、第二燃料进气管9、扩张尾喷管10、第二氧化剂进气管11、带转轴的挡板13、燃料通道14、氧化剂通道15和稳压腔16组成了主爆震组件。主爆室组件分为主爆室内环7和主爆室外环8，主爆室外环8同轴套设在主爆室内环7外部。主爆室内环7内部为主爆室，主爆室内环7的内壁上设置有螺纹增强装置12。螺纹增强装置12为Shchelkin螺纹增强装置，当点火能量较低，爆燃向爆震转换时间和距离都会变长，使用Shchelkin螺纹增强装置进行扰流，缩短爆燃向爆震转变的时间及距离。

其中，燃料腔2和氧化剂腔3通过螺纹连接，预爆管5和主爆室组件、主爆室组件和扩张尾喷管10均通过法兰连接。两种连接方式均方便拆卸，易于更换不同参数的部件。

参考图1，预爆震时，燃料通过第一燃料进气管1进入燃料腔2，氧化剂通过第一氧化剂进气管4进入氧化剂腔3。燃料和氧化剂采用同轴直流式(燃料通过中心的直流喷孔流入预爆管5，氧化剂通过燃料腔2的直流喷孔和氧化剂腔3的气体环缝流入预爆管5)进入预爆管5的入口段混合，经点火器6点燃后，进入预爆管5的出口段，预爆管5的出口段的内壁上设置有螺纹增强装置12。燃料和氧化剂的混合物先进行缓燃燃烧，然后发生爆燃向爆震转变，最终形成爆震波进入主爆室组件。本实施例可以通过调节燃料、氧化剂的供给压力和流量来调整预爆管5内可爆混合物的当量比分配或调整燃料腔与氧化剂腔的容积比更改当量比分配。

参考图2，燃料通道14和氧化剂通道15的螺旋槽由主爆室内环7外壁的螺旋槽结构和主爆室外环8内壁的螺旋槽结构嵌套组合形成。点火前，燃料和氧化剂通过燃料通道14和氧化剂通道15组成的双螺旋槽进入稳压腔16，使其充分混合均匀。此时，稳压腔的压力等于转轴的扭转力和主爆室的压力之和。燃料通道14和氧化剂通道15设在主爆室内环7的外壁面上。主爆室组件工作时会产生热量，此热量可以加热燃料与氧化剂并通过流动的燃料与氧化剂消耗一部分热量，同时，燃料通道14和氧化剂通道15的孔形空洞设计也可以进行壁面冷却。主爆室组件分为主爆室内环7和主爆室外环8，通过内环和外环的配合降低螺纹槽的加工难度，达到降低成本的目的。燃料通道14和氧化剂通道15的螺旋设计即可降低燃烧室壁的温度，又可提高燃料的温度。燃料和氧化剂加热后，具有更高的能量，缩短混合物燃烧后产生爆震波的时间，进入主爆室组件时燃烧更加充分，提高工作稳定性，增加燃烧室的使用寿命。

主爆震时，主爆室组件的入口端设置有稳压腔16，稳压腔16为主爆室内环7和主爆室外环8同轴套设形成的腔室。燃料通道14和氧化剂通道15位于主爆室组件的出口端，主爆室位于主爆室内环7内部。

通过预爆震组件实现第一次爆震，通过主爆震组件补充燃料及氧化剂，在主爆室组件进行二次爆震，进一步提高了推力。

参考图3、图4、图5，燃料主爆室的入口端设置有带转轴的挡板13。参考图7，带转轴的挡板13转动前，带转轴的挡板13与主爆室组件入口端的圆弧面接触，后端有与圆弧面相切的30°挡板斜面1301。当爆震波进入主爆室组件，随着爆震波的向外传播，主爆室组件内压力逐渐降低，当主爆室组件前端压力小于稳压腔压力时，受压差作用，带转轴的挡板13向主爆室组件内转动直至被挡板斜面1301挡住，气体进入主爆室组件，预爆管传出的爆震波点燃主爆室组件内的气体，在主爆室组件内形成充分发展的爆震波。主爆室爆震产物向主爆震室的两端传播。参考图8，当爆震产物传播至主爆室前端时，此时主爆室前端的压力大于稳压腔内的压力，带转轴的挡板13向稳压腔16内转动，直至与主爆室内环7入口端密封。至此，主爆室组件前端完全密封，一方面起到封闭端承力面的作用，增大推力，另一方面可以有效防止火焰向前端传导。

随着主爆室组件的燃气不断排出，主爆室组件的压力逐渐降低。当主爆震室压力下降到小于稳压腔16压力时，带转轴的挡板13向主爆室组件内侧转动，气体进入主爆室组件，起到隔离气体的作用，将燃气进一步从主爆室组件内排出。

重新向预爆震组件内填充燃料和氧化剂，主爆室的阀门始终处于打开状态，点火起爆，开始下一个工作循环。

参考图6，图6为燃料和氧化剂的流向图，燃料通道14和氧化剂通道15均为螺旋槽，两个通道组成了互不相交的双螺旋槽。补充的燃料通过燃料通道14、补充的氧化剂通过氧化剂通道15进入稳压腔16，使其充分混合均匀。本实施例的燃料通道14和氧化剂通道15为双螺旋槽。在另一些实施例中，将双螺旋槽可为多螺旋槽，通过更改燃料通道14和氧化剂通道15的数量比，达到更改主爆室组件内当量比分配的目的。

从主爆震排出的爆解产物携带大量内能、需要喷管将内能转变为动能，以改善发动机性能。1998年Cambier和Tegner研究了5种不同扩张喷管对基于准一维多循环模拟和二维单脉冲爆震数值模拟性能的影响。单脉冲爆震计算结果表明，扩张尾喷管10可以增加冲量，扩张尾喷管10采用钟形喷管能够产生更高的冲量。

本实施例为模块化发动机，可通过更改不同长度的主爆室组件及不同扩张比的尾喷管，提高发动机推力，实现需求的推力。通过调节燃料、氧化剂、补充燃料、补充氧化剂的供给压力和流量，可调整爆震管内可爆混合物的当量比分配。或调整燃料腔与氧化剂腔的容积比更改当量比分配。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种模块化二次爆震发动机，其特征在于，包括：

预爆震组件，所述预爆震组件包括第一燃料进气管(1)、燃料腔(2)、氧化剂腔(3)、第一氧化剂进气管(4)、预爆管(5)和点火器(6)，氧化剂腔(3)同轴套设在燃料腔(2)的外部，第一燃料进气管(1)设置在燃料腔(2)的外壁并与燃料腔(2)连通，第一氧化剂进气管(4)设置在氧化剂腔(3)的外壁并与氧化剂腔(3)连通，燃料腔(2)的出口端和氧化剂腔(3)的出口端均与预爆管(5)的进口端连通，点火器(6)设置在预爆管(5)的外壁；

主爆震组件，主爆震组件包括主爆室组件、第二燃料进气管(9)、第二氧化剂进气管(11)和扩张尾喷管(10)，第二燃料进气管(9)和第二氧化剂进气管(11)均设置在所述主爆室组件外壁，所述主爆室组件的进口端和预爆管(5)的出口端连通，主爆室组件的出口端和扩张尾喷管(10)的进口端连通。

2.根据权利要求1所述的模块化二次爆震发动机，其特征在于，氧化剂腔(3)和燃料腔(2)通过螺纹可拆卸的连接。

3.根据权利要求1所述的模块化二次爆震发动机，其特征在于，预爆管(5)和所述主爆室组件通过法兰可拆卸的连接，所述主爆室组件和扩张尾喷管(10)通过法兰可拆卸的连接。

4.根据权利要求1所述的模块化二次爆震发动机，其特征在于，所述主爆室组件包括主爆室内环(7)、主爆室外环(8)、主爆室燃料通道组和稳压腔(16)，主爆室外环(8)同轴套设在主爆室内环(7)的外部，稳压腔(16)为主爆室外环(8)和主爆室内环(7)上游位置的环状间隙，主爆室燃料通道组设置在主爆室外环(8)和主爆室内环(7)间隙的下游位置。

5.根据权利要求4所述的模块化二次爆震发动机，其特征在于，所述主爆室燃料通道组包括燃料通道(14)和氧化剂通道(15)，燃料通道(14)和氧化剂通道(15)均为主爆室内环(7)外壁的凹槽和主爆室外环(8)内壁的凹槽配合形成的密封管状通道，燃料通道(14)的进口端与第二燃料进气管(9)连接，燃料通道(14)的出口端与稳压腔(16)连接，氧化剂通道(15)的进口端与第二氧化剂进气管(11)连接，氧化剂通道(15)的出口端与稳压腔(16)连接。

6.根据权利要求5所述的模块化二次爆震发动机，其特征在于，所述主爆室组件燃料通道组包括一条燃料通道(14)和一条氧化剂通道(15)，一条燃料通道(14)和一条氧化剂通道(15)互不连通且呈螺旋状分布。

7.根据权利要求5所述的模块化二次爆震发动机，其特征在于，主爆室组件燃料通道组包括多条燃料通道(14)和多条氧化剂通道(15)，多条燃料通道(14)与多条氧化剂通道(15)均不连通且呈螺旋状分布。

8.根据权利要求4所述的模块化二次爆震发动机，其特征在于，所述主爆震组件还包括带转轴的挡板(13)，带转轴的挡板(13)可转动的设置在稳压腔(16)和主爆室内环(7)内部主爆室的通道之间，通过调整带转轴的挡板(13)的位置可使稳压腔(16)与所述主爆室连通或阻断。

9.根据权利要求4所述的模块化二次爆震发动机，其特征在于，主爆室内环(7)的内壁上设置有螺纹增强装置(12)。

10.根据权利要求1所述的模块化二次爆震发动机，其特征在于，预爆管(5)的内壁上设置有螺纹增强装置(12)。

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