專利名稱：一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及發動機技術領域，具體為一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的方 法及裝置。
背景技術：
脈沖爆震發動機是一種利用脈沖式爆震波產生推力的非穩態的新概念發動機。爆 震波以每秒2000米左右的速度在可燃氣中傳播，能產生極高的增壓比(15-55倍)和燃氣 溫度(大于2800K)。當高溫、高壓、高速燃氣從脈沖爆震發動機排出時就會產生推力。由于 爆震波傳播速度極快，其后的燃燒過程接近等容燃燒過程。熱循環效率比傳統的火箭發動 機高18% -20% ；不需要復雜的渦輪泵，結構簡單，重量輕；單位燃料消耗率低；推力調節比 大，響應快，調節過程簡單可靠；工作范圍寬。根據氧化劑的來源，可以將脈沖爆震發動機分 為火箭式和吸氣式兩種，火箭式脈沖爆震發動機由于自帶氧化劑，工作環境易于控制，一般 認為它的實際應用會先于吸氣式脈沖爆震發動機。考慮到容積的限制，脈沖爆震火箭發動 機在實際應用中都采用液態燃料。脈沖爆震火箭發動機是間歇式工作，主/次推進劑以及隔離氣體的填充都是由閥 來控制，在實際運用中，一般采用電磁閥和旋轉閥，由于旋轉閥需要提供動力驅動，體積和 重量都較大，且氣密性很差，極大的限制了實際應用；而電磁閥體積小巧，工作頻率較高，控 制簡單，因此得到廣泛的應用。研究表明，脈沖爆震火箭發動機的工作頻率對其性能有著重 要的影響，其工作頻率受推進劑填充量的制約當電磁閥在高頻下工作時，受其開啟時間的 限制，在單個循環下，燃料的流量減小，往往使得推進劑的填充量無法滿足爆震波形成所需 要的最小值，所以發動機常常無法在其電磁閥極限頻率下工作，限制了發動機頻率的提高。
發明內容
要解決的技術問題為了打破電磁閥對脈沖爆震火箭發動機工作頻率的限制，提高脈沖爆震火箭發動 機的工作頻率，本發明提出了一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的方法及裝置，具體 技術方案如下技術方案—種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的方法，其特征在于包括以下步驟，步驟1 將液態燃料和氣態氧化劑通入脈沖爆震火箭發動機的爆震管進行摻混填 充、點火，并用隔離氣吹除高溫殘余物，使脈沖爆震火箭發動機開始工作；其中摻混填充過 程的占空比為0. 15-0. 4，點火占空比為0. 01，隔離過程的占空比為0. 15-0. 4 ；步驟2 采用脈沖爆震火箭發動機工作余熱加熱液態燃料，當液態燃料溫度升高 到蒸發溫度，變為氣態燃料時，使其與氣態氧化劑混合；步驟3 在脈沖爆震火箭發動機的爆震管上同時采用兩路進口進行氣態燃料氧化 劑混合物填充，兩路進口的距離為4aQ π R2/f P，其中a為氣態燃料氧化劑混合物填充的占
4空比，Q為氣態燃料氧化劑混合物的質量流量，R為爆震管的半徑，f為發動機的工作頻率， P為氣態燃料氧化劑混合物在一個大氣壓下的密度；填充過程的占空比為0. 15-0. 4，點火 占空比為0. 01，隔離過程的占空比為0. 15-0. 4。一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的裝置，包括爆震管、點火器，其特征在 于還包括有換熱器、推進劑分/合裝置、主推進劑電磁閥、次推進劑電磁閥、隔離氣電磁 閥；換熱器為封閉套筒結構，套接在爆震管爆震波形成段的外表面；推進劑分/合裝置包括 有預混腔、液態主推進劑通道和兩個進口、兩個出口，預混腔也有兩個進口和兩個出口，其 中一個進口和一個出口分別與推進劑分/合裝置的一個進口和一個出口直接相連，推進劑 分/合裝置的另一個進口通過三通閥與預混腔的另一進口及液態主推進劑通道進口相連， 推進劑分/合裝置的另一個出口通過三通閥與預混腔的另一出口及液態主推進劑通道出 口相連；換熱器進口通過主推進劑質量流量計與外部主推進劑通道相連，換熱器出口與推 進劑分/合裝置中接有三通閥的進口相連；推進劑分/合裝置中沒有三通閥的進口通過次 推進劑質量流量計與外部次推進劑通道相連，沒有三通閥的出口與次推進劑電磁閥相連， 次推進劑電磁閥再通過三通閥與爆震管上的次推進劑進口和次推進劑旁路進口相連，推進 劑分/合裝置中接有三通閥的出口通過主推進劑電磁閥與爆震管上的主推進劑進口相連， 且在連接管道上還接有熱電偶；隔離氣電磁閥一端與爆震管上的隔離氣進口相連，另一端 通過隔離氣質量流量計與外部隔離氣通道相連。一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率裝置的優選方案，其特征在于換熱器燃 料進口在換熱器靠近爆震管的外噴口的一端，換熱器燃料出口在換熱器遠離爆震管的外噴 口的一端。一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率裝置的優選方案，其特征在于預混腔兩 個進口的軸線夾角為60度。一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率裝置的優選方案，其特征在于主推進劑 電磁閥與爆震管上主推進劑進口相連的管道中裝有防回火網；次推進劑電磁閥與爆震管上 次推進劑旁路進口相連的管道中裝有防回火網。一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率裝置的優選方案，其特征在于爆震管的 封閉端內固定有噴注器，噴注器為圓柱形結構，與爆震管內壁緊配合，噴注器中心有軸向通 孔，通孔外端與爆震管的主推進劑進口相連，噴注器側面有兩個盲孔，分別于爆震管的次推 進劑進口和隔離氣進口相連，噴注器內端面上還有一圈軸向環形凹槽，凹槽與噴注器側面 的兩個盲孔相通。一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率裝置的優選方案，其特征在于次推進劑 旁路進口與噴注器內端面的距離為4aQ π R2/f P，其中a為氣態燃料氧化劑混合物填充的占 空比，Q為氣態燃料氧化劑混合物的質量流量，R為爆震管的半徑，f為發動機的工作頻率， P為氣態燃料氧化劑混合物在一個大氣壓下的密度。有益效果本發明通過液態燃料和氣態氧化劑啟動脈沖爆震火箭發動機，利用發動機工作產 生的余熱給液態燃料加溫，使液態燃料蒸發為氣態，通過推進劑分/合裝置使氣態燃料和 氣態氧化劑提前預混，而后通過兩路進口同時填充氣態燃料氧化劑混合物，使得電磁閥處 于高頻工作狀態時，在單次循環下，氣態燃料氧化劑混合物的填充量也能夠滿足形成爆震
5波的所需量，從而使得脈沖爆震火箭發動機能夠充分適應電磁閥的頻率，更好的發揮電磁 閥的高頻性能，實現脈沖爆震火箭發動機工作頻率的提高。
圖1 本發明的結構示意圖；圖2 推進劑分/合裝置的結構示意圖(工作狀態1)；圖3 推進劑分/合裝置的結構示意圖(工作狀態2)；圖4:噴注器結構示意圖；其中1、爆震管；2、換熱器；3-1、主推進劑質量流量計；3-2、次推進劑質量流量 計；3-3、隔離氣質量流量計；4、外部主推進劑通道；5、外部次推進劑通道；6、熱電偶；7、 推進劑分/合裝置；8、點火器；9、噴注器；10-1、次推進劑電磁閥；10-2、主推進劑電磁閥； 10-3、隔離氣電磁閥；11、防回火網；12、外部隔離氣通道；13、外殼；14、預混腔；15、推進劑 分/合裝置第一進口 ；16、預混腔進口 ；17、推進劑分/合裝置第二進口 ；18、L型三通閥；19、 液態主推進劑通道；20、T型三通閥；21、推進劑分/合裝置第二出口 ；22、推進劑分/合裝置 第一出口 ；23、次推進劑三通閥；24、旁路進口。
具體實施例方式下面結合實施例具體描述本發明實施例1 參照附圖1，本實施例所述的提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的裝置包括有爆 震管1、換熱器2和推進劑分/合裝置7。采用航空煤油作為主推進劑，氧氣作為次推進劑， 氮氣作為隔離氣體。爆震管1內徑為30mm，外徑為36mm，全長為800mm，爆震管1的封閉端內固定有噴 注器9，噴注器9為圓柱形結構，與爆震管1內壁緊配合，噴注器9中心有軸向通孔，通孔外 端與爆震管1的主推進劑進口相連，噴注器側面有兩個盲孔，分別于爆震管的次推進劑進 口和隔離氣進口相連，噴注器內端面上還有一圈軸向環形凹槽，凹槽與噴注器側面的兩個 盲孔相通。通過噴注器9，可以使主推進劑、次推進劑和隔離氣在噴注器9后方摻混。點火 器8安裝在距離噴注器9后端20mm的爆震管管壁上。換熱器2為封閉套筒結構，全長為750mm，套接在爆震管爆震波形成段的外表面， 在本實施例中，換熱器2—端與爆震管1的外噴口對齊；換熱器2的換熱腔內徑為36mm，外 徑為46mm，外壁厚度為3mm ；換熱器燃料進口在換熱器靠近爆震管的外噴口的一端，通過連 接管道與主推進劑質量流量計3-1和外部主推進劑通道4依次焊接串連，換熱器燃料出口 在換熱器遠離爆震管的外噴口的一端，主推進劑在換熱器2的換熱腔內流動方向與爆震波 傳播方向相反，主推進劑在換熱腔中吸收發動機工作產生的余熱，使其自身溫度提高，快速 達到蒸發溫度，變成氣態，同時使發動機得到冷卻。推進劑分/合裝置7包括有外殼13、預混腔14、液態主推進劑通道19和兩個進口、 兩個出口。預混腔14為封閉的矩形空腔結構，焊接固定在外殼13底部，預混腔14也有兩 個進口和兩個出口，且兩個進口的軸線夾角為60度，使得從兩個進口進入的氣態主推進劑 和氣態次推進劑在預混腔14中以碰撞方式預混。
預混腔14的其中一個進口和一個出口分別與推進劑分/合裝置7的第一進口 15 和第一出口 22直接焊接相連；推進劑分/合裝置7的第二進口 17通過L型三通閥18與預 混腔14的另一進口 16以及液態主推進劑通道19的進口相連；推進劑分/合裝置7的第二 出口 21通過T型三通閥20與預混腔14的另一出口以及液態主推進劑通道19出口相連。推進劑分/合裝置7的第二進口 17通過連接管道與換熱器2的燃料出口相連； 推進劑分/合裝置7的第一進口 15通過連接管道與次推進劑質量流量計3-2和外部次推 進劑通道5依次串連；推進劑分/合裝置7的第二出口 21通過連接管道與主推進劑電磁 閥10-2和爆震管1上的主推進劑進口依次串連，且在第二出口 21與主推進劑電磁閥10-2 之間的連接管道上還接有J型熱電偶6，用于測量主推進劑的溫度，J型熱電偶6的測溫范 圍從-200到600度；推進劑分/合裝置7的第一出口 22通過連接管道與次推進劑電磁閥 10-1相連，次推進劑電磁閥10-1通過次推進劑三通閥23分別與爆震管1上的次推進劑進 口和旁路進口 24相連；旁路進口 24與噴注器9內端面的距離為aQ/P f π R2，其中a為氣態 燃料氧化劑混合物填充的占空比，Q為氣態燃料氧化劑混合物的質量流量，R為爆震管的半 徑，f為發動機的工作頻率，P為氣態燃料氧化劑混合物在一個大氣壓下的密度。在主推進 劑電磁閥10-2與爆震管上主推進劑進口的連接管道中裝有防回火網11，次推進劑電磁閥 10-1與旁路進口 24的連接管道中裝有防回火網11，防止發動機工作時產生回火，而使主推 進劑電磁閥10-2、次推進劑電磁閥10-1及其他重要裝置燒壞。隔離氣電磁閥一端與爆震管1上的隔離氣進口相連，另一端通過連接管道與隔離 氣質量流量計3-3和外部隔離氣通道12依次串接。本裝置開始工作時，參照附圖2，推進劑分/合裝置7內的L型三通閥18和T型 三通閥20接通推進劑分/合裝置7的第二進口 17、液態主推進劑通道19和推進劑分/合 裝置7的第二出口 21，使從外部主推進劑通道4流入的液態主推進劑經過換熱器2在推進 劑分/合裝置7內不與氣態次推進劑混合，而是直接通過主推進劑電磁閥10-2進入噴注器 9 ；氣態次推進劑也直接通過推進劑分/合裝置7和次推進劑電磁閥10-1進入噴注器9，此 時次推進劑三通閥23接通次推進劑電磁閥10-1與爆震管1上的次推進劑進口，將旁路進 口 24封閉；本實施例中，這一階段，在一個工作周期中，主推進劑、次推進劑和點火的占空 比為0. 30,0. 30和0. 01，相位為0、0和108°，填充、點火且爆震波傳出爆震管1完成后，隔 離氣電磁閥10-3工作，將隔離氣通入爆震管1，本實施例中隔離氣的占空比為0. 30，相位為 252°，隔離氣吹除高溫殘余物后，繼續下一個工作周期。在本裝置工作過程中，J型熱電偶6 —直在檢測主推進劑的溫度，隨著發動機的運 行，發動機工作時產生的余熱通過換熱器2對主推進劑進行加溫，當主推進劑溫度達到其 蒸發溫度時，參照附圖3，改變推進劑分/合裝置7內的L型三通閥18和T型三通閥20的 接通狀態，將推進劑分/合裝置7的第二進口 17、預混腔進口 16和推進劑分/合裝置7的 第二出口 21接通，使得經過換熱器2的氣態主推進劑與氣態次推進劑在預混腔14中提前 摻混，此時從推進劑分/合裝置第二出口 21以及推進劑分/合裝置第一出口 22中流出的 氣態燃料氧化劑混合物狀態相同。此時，由于從外部主推進劑通道4流入的液態主推進劑 通過換熱器2加溫變為氣態后，流量降低，所以需要通過檢測主推進劑質量流量計3-1，提 高主推進劑供給壓力，保持主推進劑的固定流量。同時，改變次推進劑三通閥23的接通狀態，將次推進劑電磁閥10-1與旁路進口24接通，爆震管1上的次推進劑進口封閉。本實施例中，此工作狀態下，氣態燃料氧化劑混 合物、點火和隔離氣的占空比為0. 30,0. 01和0. 30，主推進劑電磁閥10-2，次推進劑電磁 閥10-1，點火和隔離氣電磁閥10-3的相位為0、0、108°和252°，如此發動機循環進行工 作。且本實施例中旁路進口 24與噴注器9內端面的距離為aQ/pf π R2，其中，a = 0. 3，Q =26. 5g/s, R = 15mm, f = 50, P = 1. 429g/L，得到距離為 L = 197mm。
這樣在發動機持續工作過程中，由于兩路進口同時填充氣態燃料氧化劑混合物， 使得電磁閥處于高頻工作狀態時，在單次循環下，氣態燃料氧化劑混合物的填充量也能夠 滿足形成爆震波的所需量，因此，在發動機持續工作過程，電磁閥的工作頻率可以比發動機 開始工作時提高，從而使得脈沖爆震火箭發動機能夠充分適應電磁閥的頻率，更好的發揮 電磁閥的高頻性能，實現脈沖爆震火箭發動機工作頻率的提高。
權利要求
一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的方法，其特征在于包括以下步驟，步驟1將液態燃料和氣態氧化劑通入脈沖爆震火箭發動機的爆震管進行摻混填充、點火，并用隔離氣吹除高溫殘余物，使脈沖爆震火箭發動機開始工作；其中摻混填充過程的占空比為0.15 0.4，點火占空比為0.01，隔離過程的占空比為0.15 0.4；步驟2采用脈沖爆震火箭發動機工作余熱加熱液態燃料，當液態燃料溫度升高到蒸發溫度，變為氣態燃料時，使其與氣態氧化劑混合；步驟3在脈沖爆震火箭發動機的爆震管上同時采用兩路進口進行氣態燃料氧化劑混合物填充，兩路進口的距離為aQ/ρfπR2，其中a為氣態燃料氧化劑混合物填充的占空比，Q為氣態燃料氧化劑混合物的質量流量，R為爆震管的半徑，f為發動機的工作頻率，ρ為氣態燃料氧化劑混合物在一個大氣壓下的密度；填充過程的占空比為0.15 0.4，點火占空比為0.01，隔離過程的占空比為0.15 0.4。
2.一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的裝置，包括爆震管(1)、點火器(8)，其特 征在于還包括有換熱器(2)、推進劑分/合裝置(7)、主推進劑電磁閥(10-2)、次推進劑電 磁閥(10-1)和隔離氣電磁閥(10-3)；換熱器(2)為封閉套筒結構，套接在爆震管爆震波形 成段的外表面；推進劑分/合裝置(7)包括有預混腔(14)、液態主推進劑通道(19)和兩個 進口、兩個出口，預混腔(14)也有兩個進口和兩個出口，其中一個進口和一個出口分別與 推進劑分/合裝置(7)的一個進口和一個出口直接相連，推進劑分/合裝置(7)的另一個 進口通過三通閥與預混腔(14)的另一進口及液態主推進劑通道(19)進口相連，推進劑分/ 合裝置(7)的另一個出口通過三通閥與預混腔的另一出口及液態主推進劑通道(19)出口 相連；換熱器(2)進口通過主推進劑質量流量計(3-1)與外部主推進劑通道(4)相連，換熱 器(2)出口與推進劑分/合裝置(7)中接有三通閥的進口相連；推進劑分/合裝置(7)中 沒有三通閥的進口通過次推進劑質量流量計(3-2)與外部次推進劑通道(5)相連，沒有三 通閥的出口與次推進劑電磁閥(10-1)相連，次推進劑電磁閥(10-1)再通過三通閥與爆震 管(1)上的次推進劑進口和次推進劑旁路進口相連，推進劑分/合裝置(7)中接有三通閥 的出口通過主推進劑電磁閥(10-2)與爆震管(1)上的主推進劑進口相連，且在連接管道上 還接有熱電偶(6)；隔離氣電磁閥(10-3) —端與爆震管(1)上的隔離氣進口相連，另一端 通過隔離氣質量流量計(3-3)與外部隔離氣通道(12)相連。
3.根據權利要求2所述的一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的裝置，其特征在 于換熱器燃料進口在換熱器靠近爆震管的外噴口的一端，換熱器燃料出口在換熱器遠離 爆震管的外噴口的一端。
4.根據權利要求2所述的一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的裝置，其特征在 于預混腔兩個進口的軸線夾角為60度。
5.根據權利要求2所述的一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的裝置，其特征在 于主推進劑電磁閥(10-2)與爆震管上主推進劑進口相連的管道中裝有防回火網；次推進 劑電磁閥(10-1)與爆震管上次推進劑旁路進口相連的管道中裝有防回火網。
6.根據權利要求2所述的一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的裝置，其特征在 于爆震管⑴的封閉端內固定有噴注器(9)，噴注器(9)為圓柱形結構，與爆震管⑴內 壁緊配合，噴注器(9)中心有軸向通孔，通孔外端與爆震管⑴的主推進劑進口相連，噴注 器側面有兩個盲孔，分別于爆震管的次推進劑進口和隔離氣進口相連，噴注器內端面上還有一圈軸向環形凹槽，凹槽與噴注器側面的兩個盲孔相通。
7.根據權利要求6所述的一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的裝置，其特征在 于次推進劑旁路進口與噴注器(9)內端面的距離為aQ/Pfn R2，其中a為氣態燃料氧化劑 混合物填充的占空比，Q為氣態燃料氧化劑混合物的質量流量，R為爆震管的半徑，f為發動 機的工作頻率，P為氣態燃料氧化劑混合物在一個大氣壓下的密度。
全文摘要
本發明提出了一種提高脈沖爆震火箭發動機工作頻率的方法及裝置。將液態燃料和氣態氧化劑通入爆震管進行摻混填充、點火，并用隔離氣吹除高溫殘余物，使發動機開始工作；采用發動機工作余熱加熱液態燃料，當液態燃料蒸發變為氣態燃料時，與氣態氧化劑混合；在發動機的爆震管上同時采用兩路進口進行氣態燃料氧化劑混合物填充，兩路進口的距離為4aQπR2/fρ。裝置包括爆震管、換熱器和推進劑分/合裝置，首先推進劑分/合裝置分別輸送液態燃料和氣態氧化劑使發動機工作，而后換熱器將用發動機工作余熱加熱液態燃料，當其變為氣態后，與氣態氧化劑在推進劑分/合裝置內混合通過兩路進口輸入到爆震管，實現脈沖爆震發動機工作頻率的提高。
文檔編號F02K9/58GK101984240SQ201010544929
公開日2011年3月9日 申請日期2010年11月11日 優先權日2010年11月11日
發明者朱旭東, 穆揚, 范瑋, 袁成 申請人:西北工業大學