專利名稱：一種提高脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種提高脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率 的裝置。
背景技術(shù)：
脈沖爆震發(fā)動機是一種利用脈沖式爆震波產(chǎn)生推力的非穩(wěn)態(tài)的新概念發(fā)動機。爆 震波以每秒2000米左右的速度在可燃氣中傳播，能產(chǎn)生極高的增壓比(15-55倍)和燃氣 溫度(大于^OOK)。當高溫、高壓、高速燃氣從脈沖爆震發(fā)動機排出時就會產(chǎn)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(huán)效率比傳統(tǒng)的火箭發(fā)動 機高18% -20% ；不需要復雜的渦輪泵，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕；單位燃料消耗率低；推力調(diào)節(jié)比 大，響應快，調(diào)節(jié)過程簡單可靠；工作范圍寬。根據(jù)氧化劑的來源，可以將脈沖爆震發(fā)動機分 為火箭式和吸氣式兩種，火箭式脈沖爆震發(fā)動機由于自帶氧化劑，工作環(huán)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(fā)動機?？紤]到容積的限制，脈沖爆震火箭發(fā)動 機在實際應用中都采用液態(tài)燃料。脈沖爆震火箭發(fā)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(zhuǎn)閥，由于旋轉(zhuǎn)閥需要提供動力驅(qū)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(fā)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(huán)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(fā)動機常常無法在其電磁閥極限頻率下工作，限制了發(fā)動機頻率的提高。

實用新型內(nèi)容要解決的技術(shù)問題為了打破電磁閥對脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率的限制，提高脈沖爆震火箭發(fā)動 機的工作頻率，本實用新型提出了一種提高脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率的裝置，具體技 術(shù)方案如下技術(shù)方案—種提高脈沖爆震火箭發(fā)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(jié)構(gòu)，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(tài)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(tài)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(tài)主推進劑通道出 口相連；換熱器進口通過主推進劑質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(fā)動機工作頻率裝置的優(yōu)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(fā)動機工作頻率裝置的優(yōu)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(fā)動機工作頻率裝置的優(yōu)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(wǎng)；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(wǎng)。一種提高脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率裝置的優(yōu)選方案，其特征在于爆震管的 封閉端內(nèi)固定有噴注器，噴注器為圓柱形結(jié)構(gòu)，與爆震管內(nèi)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(cè)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(nèi)端面上還有一圈軸向環(huán)形凹槽，凹槽與噴注器側(cè)面 的兩個盲孔相通。一種提高脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率裝置的優(yōu)選方案，其特征在于次推進劑 旁路進口與噴注器內(nèi)端面的距離為4aQ π R2/f P，其中a為氣態(tài)燃料氧化劑混合物填充的占 空比，Q為氣態(tài)燃料氧化劑混合物的質(zhì)量流量，R為爆震管的半徑，f為發(fā)動機的工作頻率， P為氣態(tài)燃料氧化劑混合物在一個大氣壓下的密度。有益效果本實用新型通過液態(tài)燃料和氣態(tài)氧化劑啟動脈沖爆震火箭發(fā)動機，利用發(fā)動機工 作產(chǎn)生的余熱給液態(tài)燃料加溫，使液態(tài)燃料蒸發(fā)為氣態(tài)，通過推進劑分/合裝置使氣態(tài)燃 料和氣態(tài)氧化劑提前預混，而后通過兩路進口同時填充氣態(tài)燃料氧化劑混合物，使得電磁 閥處于高頻工作狀態(tài)時，在單次循環(huán)下，氣態(tài)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，從而使得脈沖爆震火箭發(fā)動機能夠充分適應電磁閥的頻率，更好的發(fā)揮 電磁閥的高頻性能，實現(xiàn)脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率的提高。

圖1 本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 推進劑分/合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(工作狀態(tài)1)；圖3 推進劑分/合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(工作狀態(tài)2)；圖4:噴注器結(jié)構(gòu)示意圖；其中1、爆震管；2、換熱器；3-1、主推進劑質(zhì)量流量計；3-2、次推進劑質(zhì)量流量 計；3-3、隔離氣質(zhì)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(wǎng)；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(tài)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。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例具體描述本實用新型實施例1 參照附圖1，本實施例所述的提高脈沖爆震火箭發(fā)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(nèi)徑為30mm，外徑為36mm，全長為800mm，爆震管1的封閉端內(nèi)固定有噴 注器9，噴注器9為圓柱形結(jié)構(gòu)，與爆震管1內(nèi)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(cè)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(nèi)端面上還有一圈軸向環(huán)形凹槽，凹槽與噴注器側(cè)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(jié)構(gòu)，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(nèi)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(zhì)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(nèi)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(fā)動機工作產(chǎn)生的余熱，使其自身溫度提高，快速 達到蒸發(fā)溫度，變成氣態(tài)，同時使發(fā)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(tài)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(jié)構(gòu)，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(tài)主推進劑 和氣態(tài)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(tài)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(tài)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、裝置7的第一進口 15通過連接管道與次推進劑質(zhì)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 M相連；旁路進口 M與噴注器9內(nèi)端面的距離為aQ/Pf π R2，其中a為氣態(tài)燃料氧化 劑混合物填充的占空比，Q為氣態(tài)燃料氧化劑混合物的質(zhì)量流量，R為爆震管的半徑，f為發(fā) 動機的工作頻率，P為氣態(tài)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(wǎng)11，次推進劑電磁閥10-1與旁 路進口 M的連接管道中裝有防回火網(wǎng)11，防止發(fā)動機工作時產(chǎn)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(zhì)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(nèi)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(tài)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(tài)主推進劑經(jīng)過換熱器2在推進 劑分/合裝置7內(nèi)不與氣態(tài)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(tài)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 M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(xù)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(fā)動機的運 行，發(fā)動機工作時產(chǎn)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(fā)溫度時，參照附圖3，改變推進劑分/合裝置7內(nèi)的L型三通閥18和T型三通閥20的 接通狀態(tài)，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(jīng)過換熱器2的氣態(tài)主推進劑與氣態(tài)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(tài)燃料氧化劑混合物狀態(tài)相同。此時，由于從外部主推進劑通道4流入的液態(tài)主推進劑 通過換熱器2加溫變?yōu)闅鈶B(tài)后，流量降低，所以需要通過檢測主推進劑質(zhì)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(tài)，將次推進劑電磁閥10-1與旁路進口 M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(tài)下，氣態(tài)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(fā)動機循環(huán)進行工 作。且本實施例中旁路進口 M與噴注器9內(nèi)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. 4^g/L，得到距離為 L = 197mm。這樣在發(fā)動機持續(xù)工作過程中，由于兩路進口同時填充氣態(tài)燃料氧化劑混合物， 使得電磁閥處于高頻工作狀態(tài)時，在單次循環(huán)下，氣態(tài)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(fā)動機持續(xù)工作過程，電磁閥的工作頻率可以比發(fā)動機 開始工作時提高，從而使得脈沖爆震火箭發(fā)動機能夠充分適應電磁閥的頻率，更好的發(fā)揮 電磁閥的高頻性能，實現(xiàn)脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率的提高。
權(quán)利要求1.一種提高脈沖爆震火箭發(fā)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O)、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(jié)構(gòu)，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(tài)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(tài)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(tài)主推進劑通道(19)出口相連；換熱器( 進口通過 主推進劑質(zhì)量流量計(3-1)與外部主推進劑通道(4)相連，換熱器( 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(zhì)量流量計(3- 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(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(zhì)量流量計(3-3) 與外部隔離氣通道(12)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高脈沖爆震火箭發(fā)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高脈沖爆震火箭發(fā)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高脈沖爆震火箭發(fā)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(wǎng)；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(wǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率的裝置，其特征在 于爆震管⑴的封閉端內(nèi)固定有噴注器(9)，噴注器(9)為圓柱形結(jié)構(gòu)，與爆震管⑴內(nèi) 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(cè)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(nèi)端面上還 有一圈軸向環(huán)形凹槽，凹槽與噴注器側(cè)面的兩個盲孔相通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高脈沖爆震火箭發(fā)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(nèi)端面的距離為aQ/Pfn R2，其中a為氣態(tài)燃料氧化劑 混合物填充的占空比，Q為氣態(tài)燃料氧化劑混合物的質(zhì)量流量，R為爆震管的半徑，f為發(fā)動 機的工作頻率，P為氣態(tài)燃料氧化劑混合物在一個大氣壓下的密度。
專利摘要本實用新型提出了一種提高脈沖爆震火箭發(fā)動機工作頻率的裝置。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(tài)燃料和氣態(tài)氧化劑使發(fā)動機工作，而后換熱器將用發(fā)動機工作余熱加熱液態(tài)燃料，當其變?yōu)闅鈶B(tài)后，與氣態(tài)氧化劑在推進劑分/合裝置內(nèi)混合通過兩路進口輸入到爆震管，兩路進口的距離為4aQπR2/fρ，實現(xiàn)脈沖爆震發(fā)動機工作頻率的提高。
文檔編號F02K9/58GK201843703SQ201020607999
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者朱旭東, 穆?lián)P, 范瑋, 袁成 申請人:西北工業(yè)大學