渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，輪火箭組合沖壓發(fā)動機，包括共用進(jìn)氣道且共用尾噴管的空氣渦輪沖壓發(fā)動機和火箭基循環(huán)組合發(fā)動機，進(jìn)氣道的管道上設(shè)置有進(jìn)氣道導(dǎo)向器；進(jìn)氣道導(dǎo)向器，用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機低速啟動時，轉(zhuǎn)向并封閉火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的入口，以使得進(jìn)氣道與空氣渦輪沖壓發(fā)動機內(nèi)部連通；還用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機速度大于等于馬赫時，轉(zhuǎn)向并封閉空氣渦輪沖壓發(fā)動機的入口，以將進(jìn)氣道與火箭基循環(huán)組合發(fā)動機內(nèi)部連通，以啟動沖壓發(fā)動機。解決了現(xiàn)有兩種動力系統(tǒng)都不能單獨并完全滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器系統(tǒng)超高聲速、超高空、高機動及高空域等方面動力要求的問題。
【專利說明】
渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于火箭運載器動力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機及其工作方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]空氣渦輪沖壓發(fā)動機(ATR)實現(xiàn)了燃?xì)鉁u輪與沖壓噴氣發(fā)動機兩種基本推進(jìn)方式的有機組合，它集合了類似火箭燃燒室的燃?xì)獍l(fā)生器，是一種帶有壓氣機和渦輪的推進(jìn)系統(tǒng)。其性能介于渦噴發(fā)動機和火箭發(fā)動機之間，方案結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、合理，工作范圍寬廣，在亞聲速工作狀態(tài)下像渦輪噴氣發(fā)動機，在超聲速狀態(tài)下類似于有風(fēng)扇增壓的沖壓發(fā)動機。區(qū)別于常規(guī)渦噴發(fā)動機，它的渦輪前端溫度由燃?xì)獍l(fā)生器決定，這就使得ATR發(fā)動機能不受渦輪材料溫度極限的限制而具有更高的速度特性。它能夠從亞聲速和超聲速狀態(tài)下，不需要特殊的材料和苛刻的渦輪機效率即能達(dá)到2?3的巡航馬赫數(shù)。受到驅(qū)動渦輪后的燃?xì)獾臍堄酂嶂档南拗?，ATR發(fā)動機的比沖較渦噴低，但是遠(yuǎn)大于火箭發(fā)動機。常規(guī)渦噴發(fā)動機的推重比有限(一般最大達(dá)到10)，但是ATR發(fā)動機可以通過提高燃?xì)獍l(fā)生器的流量，產(chǎn)生大的靜推力，推重比比渦噴發(fā)動機大，加速性能優(yōu)越。但由于渦輪葉片材料限制，燃?xì)鉁囟炔荒芴?，造成發(fā)動機整體比沖較低。
[0003]火箭基循環(huán)組合發(fā)動機(RBCC)是將火箭發(fā)動機和吸氣式發(fā)動機有機結(jié)合在一個流道中的組合發(fā)動機。它能有效利用火箭發(fā)動機推重比和吸氣式發(fā)動機比沖高的優(yōu)勢，克服火箭發(fā)動機低比沖和吸氣沖壓式發(fā)動機低速難以啟動的缺陷。自身攜帶部分氧化劑，也充分利用空氣中的氧氣，通過模態(tài)切換，實現(xiàn)在不同的飛行馬赫數(shù)和高度時均能以最優(yōu)的方式進(jìn)行工作，達(dá)到經(jīng)濟性和高效性的最佳結(jié)合。組合了 3種不同的動力循環(huán)，分別是火箭發(fā)動機循環(huán)、沖壓發(fā)動機循環(huán)、超燃沖壓發(fā)動機循環(huán)。根據(jù)飛行狀態(tài)的不同調(diào)整發(fā)動機的工作模態(tài)。對于單級入軌運載器的動力系統(tǒng)，組合循環(huán)動力裝置將經(jīng)歷5個工作模態(tài):火箭引射模態(tài)(Ma O?2.5，火箭發(fā)動機全工況工作)、亞燃沖壓(Ma 2.4?5，火箭發(fā)動機關(guān)閉)、超燃沖壓(Ma 5?8，火箭發(fā)動機關(guān)閉)、超燃沖壓/火箭(Ma8到低真空狀態(tài)，火箭發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機同時工作)和純火箭(低真空狀態(tài)工作直至入軌，火箭發(fā)動機工作)ο因此RBCC是單級人軌可重復(fù)使用航天器很有希望的一種推進(jìn)裝置。
[0004]雖然RBCC火箭引射模態(tài)可應(yīng)用于飛行器從零速起飛直到進(jìn)氣道沖壓模式啟動，但是這一工作過程中，引射所產(chǎn)生的推力增益并不大，要產(chǎn)生一個大的推力使發(fā)動機加速必定要使火箭流量增大，其比沖低，氧化劑攜帶量較大。然而ATR發(fā)動機在零速啟動后，主動抽吸空氣，能產(chǎn)生較大的推力，推重比大，其比沖性能較火箭高一個數(shù)量級。兩種動力系統(tǒng)不能單獨同時滿足在全空域及速度域上大推力，高比沖的特性要求。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機及其工作方法，以解決現(xiàn)有RBCC火箭引射模態(tài)下從零速起飛時大推力火箭流量大、比沖低的缺點，以及發(fā)動機從引射模態(tài)到亞燃沖壓模態(tài)過程中加速慢的問題。
[0006]本發(fā)明采用第一種技術(shù)方案:渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，包括共用進(jìn)氣道且共用尾噴管的空氣渦輪沖壓發(fā)動機和火箭基循環(huán)組合發(fā)動機，進(jìn)氣道的管道上設(shè)置有進(jìn)氣道導(dǎo)向器；
[0007]進(jìn)氣道導(dǎo)向器，用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機低速啟動時，轉(zhuǎn)向并封閉火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的入口，以使得進(jìn)氣道與空氣渦輪沖壓發(fā)動機內(nèi)部連通;還用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機速度大于等于2馬赫時，轉(zhuǎn)向并封閉空氣渦輪沖壓發(fā)動機的入口，以將進(jìn)氣道與火箭基循環(huán)組合發(fā)動機內(nèi)部連通，以啟動沖壓發(fā)動機。
[0008]進(jìn)一步的，進(jìn)氣道導(dǎo)向器為鉸接在進(jìn)氣道中部的擋板，進(jìn)氣道導(dǎo)向器連接有電機動作機構(gòu)，并通過電機動作機構(gòu)以控制進(jìn)氣道導(dǎo)向器的轉(zhuǎn)動。
[0009]進(jìn)一步的，空氣渦輪沖壓發(fā)動機內(nèi)部從進(jìn)氣道一側(cè)起，依次設(shè)置有渦輪增壓系統(tǒng)和ATR燃燒室，渦輪增壓系統(tǒng)包括共軸設(shè)置的壓氣機和渦輪，渦輪通過節(jié)流閥連接有燃?xì)獍l(fā)生器。
[0010]進(jìn)一步的，火箭基循環(huán)組合發(fā)動機包括與進(jìn)氣道連通設(shè)置的RBCC補燃室。
[0011 ]進(jìn)一步的，雙模沖壓燃燒室上設(shè)有支板主火箭和燃料噴嘴。
[0012]本發(fā)明采用的第二種技術(shù)方案是，上述渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機的工作方法，按照以下步驟實施:
[0013]步驟1、空氣渦輪沖壓發(fā)動機在剛啟動，或者在速度小于2馬赫的低速條件下，進(jìn)氣道導(dǎo)向器轉(zhuǎn)向并封閉火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的入口，發(fā)動機處于ATR狀態(tài)；
[0014]步驟2、通過渦輪增壓系統(tǒng)對進(jìn)入共用進(jìn)氣道的空氣進(jìn)行增壓，將經(jīng)過增壓后的空氣和渦輪增壓系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓燃?xì)膺M(jìn)行摻混，摻混燃?xì)庠贏TR燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，最后通過尾噴管排出，產(chǎn)生推力；
[0015]步驟3、當(dāng)空氣渦輪沖壓發(fā)動機的速度超過2馬赫時，進(jìn)氣道導(dǎo)向器轉(zhuǎn)向并封閉空氣渦輪沖壓發(fā)動機的入口，火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的進(jìn)氣道打開并開始工作。
[0016]進(jìn)一步的，步驟2中，渦輪增壓系統(tǒng)的具體工作過程為:通過燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生高壓燃?xì)庖则?qū)動渦輪做功，渦輪帶動壓氣機來對進(jìn)入共用進(jìn)氣道的空氣進(jìn)行增壓。
[0017]本發(fā)明有益效果是:將此兩種形式的發(fā)動機進(jìn)行有機集成為渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，它具有自加速、大推力、高比沖、超高空超高速工作域等特點，應(yīng)用上著重點在于運載平臺上，由于RBCC液體火箭的存在，可以實現(xiàn)大氣層外的飛行，以此作為動力系統(tǒng)可實現(xiàn)飛行器的全空域和速度域飛行，可作為單機入軌天地往返飛行器或者超高空發(fā)射平臺。
【【附圖說明】】
[0018]圖1為本發(fā)明渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中，1.進(jìn)氣道，2.進(jìn)氣道導(dǎo)向器，3.支板主火箭，4.RBCC補燃室，5.尾噴管，6.ATR燃燒室，7.渦輪，8.節(jié)流閥，9.燃?xì)獍l(fā)生器，10.壓氣機，11.燃料噴嘴。
【【具體實施方式】】
[0020]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0021]本發(fā)明提供了一種渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，如圖1所示，包括共用進(jìn)氣道I且共用尾噴管5的空氣渦輪沖壓發(fā)動機和火箭基循環(huán)組合發(fā)動機，共用進(jìn)氣道I和尾噴管5可以起到減小空氣阻力的作用。
[0022]進(jìn)氣道I的管道上設(shè)置有進(jìn)氣道導(dǎo)向器2，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2，用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機低速啟動時，轉(zhuǎn)向并封閉火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的入口，以使得進(jìn)氣道I與空氣渦輪沖壓發(fā)動機內(nèi)部連通;還用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機速度大于等于2馬赫時，轉(zhuǎn)向并封閉空氣渦輪沖壓發(fā)動機的入口，以將進(jìn)氣道I與火箭基循環(huán)組合發(fā)動機內(nèi)部連通，并將速度提升到6馬赫。其中，2-3馬赫發(fā)動機為亞燃模態(tài)，5-6馬赫后發(fā)動機啟動超然模態(tài)。
[0023]其中，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2為鉸接在進(jìn)氣道I中部的擋板，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2連接有電機動作機構(gòu)，并通過電機動作機構(gòu)以控制進(jìn)氣道導(dǎo)向器2的轉(zhuǎn)動。當(dāng)達(dá)到?jīng)_壓工作馬赫數(shù)時，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將空氣渦輪沖壓發(fā)動機工作模式轉(zhuǎn)換到火箭基循環(huán)組合發(fā)動機工作模式，而不存在中間過渡狀態(tài)，工作穩(wěn)定。
[0024]空氣渦輪沖壓發(fā)動機內(nèi)部從進(jìn)氣道I一側(cè)起，依次設(shè)置有渦輪增壓系統(tǒng)和ATR燃燒室6，渦輪增壓系統(tǒng)包括共軸設(shè)置的壓氣機10和渦輪7，渦輪7通過節(jié)流閥8連接有燃?xì)獍l(fā)生器9 ο
[0025]火箭基循環(huán)組合發(fā)動機包括與進(jìn)氣道I連通設(shè)置的RBCC補燃室4ABCC補燃室4就是RBCC發(fā)動機燃燒室后的一個供補燃實現(xiàn)二次燃燒的腔室，類似于航空發(fā)動機中的加力燃燒室。
[0026]雙模沖壓燃燒室4上設(shè)有支板主火箭3和燃料噴嘴11。支板主火箭3就是RBCC火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的火箭部分，實現(xiàn)發(fā)動機工作過程中對燃料的點火，起穩(wěn)定燃燒的作用。噴嘴11是實現(xiàn)液體燃料的二次噴注，可提高推力，其燃燒的火焰羽流又可作為誘導(dǎo)火焰和主火焰穩(wěn)定器，有助于穩(wěn)定燃燒。
[0027]本發(fā)明渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機的工作方法如下:
[0028]步驟1、渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機在剛啟動，或者在Ma〈2的低速條件下，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2轉(zhuǎn)向并封閉火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的入口，發(fā)動機處于ATR狀態(tài)；
[0029]步驟2、通過燃?xì)獍l(fā)生器9產(chǎn)生高壓燃?xì)庖则?qū)動渦輪7做功，渦輪7帶動壓氣機10來壓縮空氣，以對進(jìn)入共用進(jìn)氣道I的空氣進(jìn)行增壓，經(jīng)過增壓后的空氣為旋流，能促進(jìn)其與渦輪7后的高壓燃?xì)膺M(jìn)行摻混，將經(jīng)過增壓后的空氣和渦輪增壓系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓燃?xì)膺M(jìn)行摻混，摻混燃?xì)庠贏TR燃燒室6內(nèi)進(jìn)行燃燒，最后通過尾噴管5排出，產(chǎn)生推力；
[0030]步驟3、當(dāng)渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機的速度Ma>2時，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2轉(zhuǎn)向并封閉空氣渦輪沖壓發(fā)動機的入口，啟動RBCC發(fā)動機，增壓空氣與支板火箭10的富燃燃?xì)膺M(jìn)行摻混燃燒，RBCC流道中的燃料噴嘴11進(jìn)行燃料二次噴注，既提高推力，火焰羽流又可作為誘導(dǎo)火焰和主火焰穩(wěn)定器，有助于穩(wěn)定燃燒，在RBCC補燃室4中進(jìn)一步燃燒，最后經(jīng)噴管7排出，產(chǎn)生推力并持續(xù)工作，可以將本發(fā)明渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機的速度提升到6馬赫。
[0031 ]在低速條件下，發(fā)動機呈ATR模式。由于初始來流空氣總壓較低，在ATR燃燒室6中組織燃燒極為困難且效率很低，因此通過空氣渦輪沖壓發(fā)動機的壓氣機10對來流空氣增壓來提高燃燒室入口空氣壓力及溫度;通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥8提高燃?xì)獍l(fā)生器9的流量來提高來流空氣總溫總壓以及增大空氣流量，起到增大發(fā)動機推力的作用，以使渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機加速。空氣渦輪沖壓發(fā)動機讓渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機加速到大約2馬赫，然后進(jìn)氣導(dǎo)向器2轉(zhuǎn)向并封閉所述空氣渦輪沖壓發(fā)動機的入口，轉(zhuǎn)換為RBCC模式，其中火箭的流量由推力需求來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0032]本發(fā)明的渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，簡稱TRCR，它與固體火箭發(fā)動機、固沖發(fā)動機以及渦噴發(fā)動機相比，具備以下優(yōu)勢和特點:
[0033]1、具備自啟動和零速加速的能力，能像渦噴發(fā)動機一樣工作在亞聲速和超聲速條件下，加速段能有較大的推重比，比沖高；
[0034]2、發(fā)動機在全程工作中，ATR模式可通過調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器的流量和RBCC模式可調(diào)節(jié)支板主火箭的開關(guān)及流量大小來實現(xiàn)推力調(diào)節(jié)，以此進(jìn)行機動飛行，具備變彈道、長航程的特點；
[0035]3、工作范圍寬廣O?Ma8+，全空域，對飛行狀態(tài)的變化不敏感。
[0036]本發(fā)明渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機在低速下，工作主要靠火箭基循環(huán)組合發(fā)動機，比沖低，引射狀態(tài)的推力增益小，而空氣渦輪沖壓發(fā)動機由于存在主動增壓的過程，可以有大的推力比沖，因此想到并聯(lián)實現(xiàn)綜合性能的提升;其次，在更高的空域直至真空中，火箭模態(tài)逐漸成為唯一工作模式，因此，本發(fā)明的渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機的飛行高度更高無限制，飛行速度更大。
[0037]另外，本發(fā)明的渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機作為兩級入軌飛行器第一級的動力裝置，可以使用空氣渦輪沖壓發(fā)動機和支板主火箭3進(jìn)行水平起飛，達(dá)到一定高度15km左右，使用火箭基循環(huán)組合發(fā)動機亞燃沖壓進(jìn)行加速，在更高海拔時，飛行速度達(dá)到Ma>5時實現(xiàn)超燃沖壓模式，達(dá)到分離高度后釋放上面級，最后進(jìn)行滑翔返回。在整個工作過程中，該渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機充分利用了空氣中的氧氣，極大的提高了發(fā)動機的比沖。因此，渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機TRCR具有自加速、長航程、變彈道、高比沖等特點，作為臨近空間或天地往返運載器動力系統(tǒng)，具有非常好的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項】
1.渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，其特征在于，包括共用進(jìn)氣道(I)且共用尾噴管(5)的空氣渦輪沖壓發(fā)動機和火箭基循環(huán)組合發(fā)動機，所述進(jìn)氣道(I)的管道上設(shè)置有進(jìn)氣道導(dǎo)向器⑵； 所述進(jìn)氣道導(dǎo)向器(2)，用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機低速啟動時，轉(zhuǎn)向并封閉所述火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的入口，以使得所述進(jìn)氣道(I)與所述空氣渦輪沖壓發(fā)動機內(nèi)部連通;還用于在所述空氣渦輪沖壓發(fā)動機速度大于等于2馬赫時，轉(zhuǎn)向并封閉所述空氣渦輪沖壓發(fā)動機的入口，以將所述進(jìn)氣道(I)與所述火箭基循環(huán)組合發(fā)動機內(nèi)部連通，以啟動所述沖壓發(fā)動機。2.如權(quán)利要求1所述的渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，其特征在于，所述進(jìn)氣道導(dǎo)向器(2)為鉸接在所述進(jìn)氣道(I)中部的擋板，所述進(jìn)氣道導(dǎo)向器(2)連接有電機動作機構(gòu)，并通過電機動作機構(gòu)以控制所述進(jìn)氣道導(dǎo)向器(2)的轉(zhuǎn)動。3.如權(quán)利要求1或2所述的渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，其特征在于，所述空氣渦輪沖壓發(fā)動機內(nèi)部從進(jìn)氣道(I) 一側(cè)起，依次設(shè)置有渦輪增壓系統(tǒng)和ATR燃燒室(6)，所述渦輪增壓系統(tǒng)包括共軸設(shè)置的壓氣機(10)和渦輪(7)，所述渦輪(7)通過節(jié)流閥(8)連接有燃?xì)獍l(fā)生器(9) ο4.如權(quán)利要求1或2所述的渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，其特征在于，所述火箭基循環(huán)組合發(fā)動機包括與所述進(jìn)氣道(I)連通設(shè)置的RBCC補燃室(4)。5.如權(quán)利要求4所述的渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機，其特征在于，所述雙模沖壓燃燒室(4)上設(shè)有支板主火箭(3)和燃料噴嘴(11)。6.如權(quán)利要求1-5所述的渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機的工作方法，其特征在于，按照以下步驟實施: 步驟1、空氣渦輪沖壓發(fā)動機在剛啟動，或者在速度小于2馬赫的低速條件下，進(jìn)氣道導(dǎo)向器(2)轉(zhuǎn)向并封閉所述火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的入口，發(fā)動機處于ATR狀態(tài)； 步驟2、通過渦輪增壓系統(tǒng)對進(jìn)入共用進(jìn)氣道(I)的空氣進(jìn)行增壓，將經(jīng)過增壓后的空氣和渦輪增壓系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓燃?xì)膺M(jìn)行摻混，摻混燃?xì)庠贏TR燃燒室(6)內(nèi)進(jìn)行燃燒，最后通過尾噴管(5)排出，產(chǎn)生推力； 步驟3、當(dāng)空氣渦輪沖壓發(fā)動機的速度超過2馬赫時，進(jìn)氣道導(dǎo)向器(2)轉(zhuǎn)向并封閉所述空氣渦輪沖壓發(fā)動機的入口，火箭基循環(huán)組合發(fā)動機的進(jìn)氣道打開并開始工作。7.如權(quán)利要求6所述的渦輪火箭組合沖壓發(fā)動機的工作方法，其特征在于，所述步驟2中，所述渦輪增壓系統(tǒng)的具體工作過程為:通過燃?xì)獍l(fā)生器(9)產(chǎn)生高壓燃?xì)庖则?qū)動渦輪(7)做功，所述渦輪(7)帶動壓氣機(10)來對進(jìn)入共用進(jìn)氣道(I)的空氣進(jìn)行增壓。
【文檔編號】F02K7/18GK106050472SQ201610538339
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】劉洋, 祝珊, 李江, 劉凱
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)