專利名稱：帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于航空機械技術領域，尤其是涉及一種帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定 爆震發(fā)動機。
背景技術：
當前爆震燃燒技術被廣泛地應用于推進技術研究，研究最多的當屬脈沖爆震發(fā)動 機(Pulse Detonation Engine，簡稱PDE)，其工作原理是向爆震室內周期性充填可燃混氣， 觸發(fā)爆震燃燒后，產生高溫高壓的燃氣，通過尾噴管排出產生推力。上述發(fā)動機周期性工作 存在一定的弊端首先，高頻周期性點火觸發(fā)爆震的難度較大，可靠性及長壽命工作受到限 制；其次，間歇性冷態(tài)充填過程占用一個循環(huán)周期的時間較長，且不能產生正向推力。為了 實現緩燃向爆震的轉捩，爆震室內的助爆裝置帶來的推進性能損失較大；噴管出口非穩(wěn)態(tài) 流動特征導致高溫氣體的能量轉換存在一定難度。為了克服周期性點火帶來的不穩(wěn)定性，研究人員提出了一種在環(huán)形腔內組織爆震 燃燒的旋轉爆震發(fā)動機(Continuous Detonation Wave Engine，簡稱CDWE)，其一端(即推 力壁)封閉，一端開啟。通過推力壁(摻混頭部)上的孔向燃燒室供給熱混合物組分。這 種環(huán)形燃燒室中，可組織垂直于混合物主氣流方向上傳播的一個或幾個爆震波。實際上連 續(xù)爆震發(fā)動機的概念與爆震管束布局的脈沖爆震發(fā)動機的概念相近，不同點在與混合物的 供給壓力相當高，適合用于火箭的工作模式，且爆震波在環(huán)形腔內的傳播受到爆震波固有 的物理特性約束，爆震室的幾何特征尺寸受到嚴格的限制，成功組織爆震波在環(huán)形腔內的 傳播相當困難。鑒于PDE和CDTO存在的固有缺陷，研究人員試圖在爆震室內組織穩(wěn)定爆震燃 燒，以增加發(fā)動機燃燒室的容熱強度，然而受到來流條件不穩(wěn)定性影響，在爆震燃燒室內 試圖通過斜激波獲得駐定爆震非常困難，因此，斜爆震發(fā)動機(Oblique Detonation Wave Engine,簡稱0DWE)，在近年來的研究過程中進展緩慢。對于現有的飛行器，在超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內組織等壓超音速燃燒，在高飛行 的飛行馬赫數條件下，發(fā)動機燃燒室內燃燒要求的來流馬赫數降低幅度較大，即燃燒室入 口馬赫數不夠高，且來流靜溫升高的幅值較高，不利于燃料燃燒化學能的注入。

發(fā)明內容
對于磁流體(Magneto、Hydro-Dynamic,簡稱MHD)技術在沖壓發(fā)動機上的應用設 想，最早由蘇聯人提出。磁流體可以控制來流條件，可以實現能量分流和綜合利用。如果將 磁流體與斜爆震發(fā)動機相結合，將可能在未來推進技術領域產生革命性的突破。本發(fā)明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，即為了進一步拓寬高超聲 速飛行器的飛行馬赫數，解決在高飛行馬赫數條件下、燃燒室入口流場參數的主動控制及 燃燒室能量有效注入的問題，本發(fā)明提出了一種帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動 機。
根據本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，包括爆震燃 燒室，所述爆震燃燒室具有入口和出口 ；進氣道，所述進氣道與所述爆震燃燒室的入口相連 通，所述進氣道設計成使進入進氣道的來流空氣產生斜激波；尾噴管，所述尾噴管與所述爆 震燃燒室的出口相連通；等離子體發(fā)生器，所述等離子體發(fā)生器設置在所述進氣道內以對 來流空氣進行等離子化；磁流體發(fā)生器，所述磁流體發(fā)生器設在所述進氣道內且設在所述 等離子體發(fā)生器的氣體下游以產生磁場；磁流體加速器，所述磁流體加速器設在所述尾噴 管內；燃料噴射及點火裝置，所述燃料噴射及點火裝置設在所述爆震燃燒室內；以及控制 器，所述控制器通過控制磁流體發(fā)生器的磁場強度達到控制所述爆震燃燒室入口的流體參 數及條件以穩(wěn)定燃燒室內燃燒產生的爆震波的駐定傳播。本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，在爆震燃燒室內組 織駐定爆震燃燒，爆震燃燒要求的來流馬赫數降低幅度可更小，即駐定爆震燃燒室入口馬 赫數可更高，而來流靜溫升高的幅值不是太高，有利于燃料燃燒化學能的注入。另外，根據本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機還具有如 下附加技術特征在本發(fā)明的一個實施例中，所述進氣道內具有傾斜的通道?？蛇x地，所述磁流體發(fā)生器包括多個且分別設在所述進氣道的靠近所述爆震燃燒 室入口的通道內壁上。在本發(fā)明的一個實施例中，所述磁流體加速器設在所述所述尾噴管的靠近所述爆 震燃燒室出口的管壁上，可用于磁流體發(fā)生器2收集到的能量可進行有效釋放，增大排氣 速度，增加推力。在本發(fā)明的一個實施例中，所述尾噴管沿流體的流向橫截面積逐漸變大，以利于 從燃燒室A燃燒產生的高溫高壓燃氣在噴射入尾噴管C中后膨脹做功，從而產生飛行器所 需推力。根據本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，具有以下優(yōu)占.
^ \\\ ·(1)采用磁流體能量旁路系統(tǒng)，可以實現爆震燃燒室進口流場的主動控制，可滿足 不同飛行條件下燃燒室進口參數的要求。(2)利用駐定爆震燃燒比傳統(tǒng)等壓燃燒速度快的特點，根據本發(fā)明的駐定爆震發(fā) 動機的爆震燃燒室的進口馬赫數可以比傳統(tǒng)的發(fā)動機的燃燒室的進口馬赫數更高，即在高 超聲速條件下飛行，來流馬赫數降低幅度要小，且靜溫上升可允許燃燒室內更多的能量注 入。(3)爆震燃燒熵增低，熱循環(huán)效率高，穩(wěn)定的爆震燃燒在磁流體技術支持下可以達 到。(4)依靠斜激波壓縮未燃混氣直接進入化學反應過程放熱的過程，使得所需燃燒 室的長度可以大大縮短。由于爆震燃燒速度快，由此爆震室容熱強度比傳統(tǒng)燃燒模式大幅 度提高。(5)從技術上可進一步拓寬飛行馬赫數。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1是根據本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機的示意 圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，術語“內側”、“外側”、“上”、“下”等指示的方位或位置關系為 基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定 的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。下面參考圖1描述根據本發(fā)明實施例的一種帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆 震發(fā)動機。如圖1所示，根據本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機包 括爆震燃燒室A、進氣道B和尾噴管C，其中，爆震燃燒室A具有入口 Al和出口 A2，進氣道B 與爆震燃燒室A的入口 Al相連通，即形成在從飛行器前緣到爆震燃燒室A的入口 Al之間 的通道，其中進氣道B設計成使進入進氣道B的來流空氣產生斜激波?？蛇x地，進氣道B內 具有傾斜的通道，如圖1所示。尾噴管C與爆震燃燒室A的出口 A2相連通，即形成在從爆 震燃燒室A的出口 A2到飛行器后緣之間的通道，如圖中所示。根據本發(fā)明實施例的駐定爆 震發(fā)動機進一步包括等離子體發(fā)生器1、磁流體發(fā)生器2、磁流體加速器3、燃料噴射及點火 裝置4和控制器5。等離子體發(fā)生器1設置在進氣道B內以對來流空氣進行等離子化。磁流體發(fā)生器 2設在進氣道B內且設在等離子體發(fā)生器1的氣體下游以產生磁場。這樣，高超聲速來流經 過進氣道B的斜激波壓縮作用，流速降低，靜溫上升，在斜激波壓縮過程中，通過等離子體 發(fā)生器1對來流空氣進行等離子化。等離子空氣流經過帶有磁流體發(fā)生器1的進氣道(即 電磁通道)，通過控制磁流體發(fā)生器1產生的磁場的強度的大小，來實現流場參數的主動控 制。磁流體發(fā)生器1能夠提取來流的能量并用于后續(xù)的控制器5的供電、燃燒室A內的點 火即尾噴管C內的氣流加速，還可以用于其它機載負荷。另外，可通過磁流體發(fā)生器1調節(jié) 爆震燃燒室A的進口氣流速度，使得爆震燃燒室A內部混氣流速恰好滿足該條件下爆震撥 的傳播速度，從而可獲得容熱強度極高的爆震燃燒室。在本發(fā)明的一個示例中，磁流體發(fā)生器2包括多個且分別設在進氣道B的靠近爆 震燃燒室A入口 Al的通道內壁上。磁流體加速器3設在尾噴管C內。在本發(fā)明的一個示例中，磁流體加速器3設在 尾噴管C的靠近爆震燃燒室A出口 A2的管壁Cl上，可用于磁流體發(fā)生器2收集到的能量 可進行有效釋放，增大排氣速度，增加推力。 燃料噴射及點火裝置4設在爆震燃燒室A內，且控制器5通過控制磁流體發(fā)生器
5的磁場強度達到控制爆震燃燒室A的入口 Al的流體參數及其他能量分配系統(tǒng)，例如磁流體 加速器、機載負荷、等離子發(fā)生器、燃燒室點火裝置等，以穩(wěn)定燃燒室A內燃燒產生的爆震 波的駐定傳播。如圖1中所示，尾噴管C沿流體的流向(即如圖1中的從左到右的方向)橫截面 積逐漸變大，以利于從燃燒室A燃燒產生的高溫高壓燃氣在噴射入尾噴管C中后膨脹做功， 從而產生飛行器所需推力。下面將參考圖1描述根據本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震 發(fā)動機的工作過程。首先，高超聲速來流進入進氣道B，經過進氣道B的斜激波壓縮作用后，流速降低， 靜溫上升。在斜激波壓縮過程中，當來流條件滿足空氣離子化條件(一般飛行器的飛行馬赫 數Ma > 4)時，打開等離子體發(fā)生器1 (例如通過電火花或激光照射等方式打開)，通過等離 子體發(fā)生器1對來流空氣進行等離子化，等離子空氣流經過帶有磁流體發(fā)生器1的進氣道 (即電磁通道)后帶電。然后根據爆震燃燒室進口 Al處的混氣靜壓壓力和溫度需求，通過控制器5調節(jié)磁 流體磁場強度，使流經電磁通道的氣流滿足在爆震燃燒室A內觸發(fā)駐定爆震燃燒的條件， 同時，控制器控制燃料噴注及高能直接觸發(fā)爆震波點火(例如爆炸點火或等離子點火)。這樣，通過控制器5適時控制爆震燃燒室A的入口參數條件，可穩(wěn)定爆震波在燃燒 室A內的駐定傳播，燃燒所產生的高溫、高壓燃氣通過尾噴管C膨脹做功，從而產生飛行器 所需推力。其中磁流體發(fā)生器2從來流空氣中汲取的能量可用于等離子體發(fā)生器持續(xù)工 作、等離子點火和其他機載負荷，多余的能量可通過磁流體加速器3實現排氣速度的調高， 以增大發(fā)動機的推力。本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，在爆震燃燒室內組 織駐定爆震燃燒，相比于在現有的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內組織等壓超音速燃燒，要求的 來流馬赫數降低幅度可以更小，即駐定爆震燃燒室入口馬赫數可以更高，而來流靜溫升高 的幅值不是太高，有利于燃料燃燒化學能的注入。下面將具體地描述控制器5的實時控制爆震燃燒室A的入口參數條件的方式?？刂破?根據爆震燃燒室進口 Al處的混氣的溫度、壓力和組分等物性參數，獲得 爆震波在來流混氣中傳播的C-KChapman-Jouguet理想定常爆震波)速度。如果C-J速度大于爆震燃燒室進口混氣流速，說明即使觸發(fā)了爆震燃燒，爆震波 也不會駐定在燃燒室A內傳播，而是向來流方向傳播，即爆震波將傳出爆震燃燒室進口邊 界。此時控制器5將發(fā)出指令，降低磁流體發(fā)生器2產生的磁場強度，以提高爆震燃燒室進 口氣流馬赫數，同時計算程序會考慮氣流溫度的變化而得出新的C-J速度。如此循環(huán)迭代， 直到C-J速度與爆震燃燒室混氣流近似相等，此時控制器即發(fā)出點火信號。如果C-J速度小于爆震燃燒室進口混氣流速，則以上控制過程做出反向調節(jié)。此外，在根據本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機的正常 工作過程中，還需根據飛行高度和飛行速度等飛行參數，通過磁流體發(fā)生器適時調整爆震 燃燒室的進口參數，從而可達到組織駐定爆震燃燒的目的。根據本發(fā)明實施例的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，具有以下優(yōu)
(1)采用磁流體能量旁路系統(tǒng)，可以實現爆震燃燒室進口流場的主動控制，可滿足 不同飛行條件下燃燒室進口參數的要求。(2)利用駐定爆震燃燒比傳統(tǒng)等壓燃燒速度快的特點，根據本發(fā)明的駐定爆震發(fā) 動機的爆震燃燒室的進口馬赫數可以比傳統(tǒng)的發(fā)動機的燃燒室的進口馬赫數更高，即在高 超聲速條件下飛行，來流馬赫數降低幅度要小，且靜溫上升可允許燃燒室內更多的能量注 入。(3)爆震燃燒熵增低，熱循環(huán)效率高，穩(wěn)定的爆震燃燒在磁流體技術支持下可以達 到。(4)依靠斜激波壓縮未燃混氣直接進入化學反應過程放熱的過程，使得所需燃燒 室的長度可以大大縮短。由于爆震燃燒速度快，由此爆震室容熱強度比傳統(tǒng)燃燒模式大幅 度提高。(5)從技術上可進一步拓寬飛行馬赫數。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、 “示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結 構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的 示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特 點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本 發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
一種帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，其特征在于，包括爆震燃燒室，所述爆震燃燒室具有入口和出口；進氣道，所述進氣道與所述爆震燃燒室的入口相連通，所述進氣道設計成使進入進氣道的來流空氣產生斜激波；尾噴管，所述尾噴管與所述爆震燃燒室的出口相連通；等離子體發(fā)生器，所述等離子體發(fā)生器設置在所述進氣道內以對來流空氣進行等離子化；磁流體發(fā)生器，所述磁流體發(fā)生器設在所述進氣道內且設在所述等離子體發(fā)生器的氣體下游以產生磁場；磁流體加速器，所述磁流體加速器設在所述尾噴管內；燃料噴射及點火裝置，所述燃料噴射及點火裝置設在所述爆震燃燒室內；以及控制器，所述控制器通過控制磁流體發(fā)生器的磁場強度達到控制所述爆震燃燒室入口的流體參數及條件以穩(wěn)定燃燒室內燃燒產生的爆震波的駐定傳播。
2.根據權利要求1所述的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，其特征在于， 所述進氣道內具有傾斜的通道。
3.根據權利要求2所述的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，其特征在于， 所述磁流體發(fā)生器包括多個且分別設在所述進氣道的靠近所述爆震燃燒室入口的通道內 壁上。
4.根據權利要求1所述的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，其特征在于， 所述磁流體加速器設在所述所述尾噴管的靠近所述爆震燃燒室出口的管壁上。
5.根據權利要求1所述的帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，其特征在于， 所述尾噴管沿流體的流向橫截面積逐漸變大。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有磁流體能量旁路系統(tǒng)的駐定爆震發(fā)動機，包括爆震燃燒室，具有入口和出口；與所述入口連通的進氣道，進氣道設計成使來流空氣產生斜激波；與所述出口連通的尾噴管；設置在進氣道內的等離子體發(fā)生器；磁流體發(fā)生器，設在進氣道內且在等離子體發(fā)生器的氣體下游；設在尾噴管內的磁流體加速器；設在爆震燃燒室內的燃燒噴射及點火裝置；以及控制器，所述控制器用于控制爆震燃燒室入口的流體參數及其他能量分配系統(tǒng)。根據本發(fā)明實施例的駐定爆震發(fā)動機，在燃燒室內組織駐定爆震燃燒，燃燒要求的來流馬赫數降低幅度可更小，即駐定爆震燃燒室入口馬赫數可更高，而來流靜溫升高的幅值不是太高，有利于燃料燃燒化學能的注入。
文檔編號F02K7/10GK101975122SQ20101053181
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權日2010年11月4日
發(fā)明者張義寧, 谷滿倉, 郭昆, 郭昊雁, 陳寶延 申請人:北京動力機械研究所