CN107044361A - 一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机及控制方法。本发明所提出的脉冲爆震火箭发动机包括氧化剂供给***、燃油供给***、隔离气供给***、射流供给***、信号控制***和爆震管。爆震管为一端封闭的圆直管，在其头部有燃料喷注孔和氧化剂喷注环缝，靠近头部有火花塞，爆震管内有螺旋式的爆震增强装置，在靠近爆震管尾部有射流喷注段，在爆震管尾部安装有尾喷管。该脉冲爆震火箭发动机使用液体燃料和氧气进行工作，尾部射流使用气体氧化剂。本发明可以同时缓解现阶段脉冲爆震火箭发动机液体燃料不能充分燃烧和非稳态工况下部分时间段内工质过膨胀的问题，具有较高的应用价值。

Description

一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机及控制方法
技术领域
本发明涉及爆震发动机技术领域，是一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机及控制方法。
背景技术
爆震波是一种有着极快的放热速率、极快的传播速度和极高的自增压能力的燃烧波，由于这些明显的优势，基于爆震燃烧而设计的动力***有着很高的循环效率，也因此在航空航天技术飞速发展的今天受到越来越多的重视。将爆震燃烧应用于推进装置的形式有很多种，其中结构简单、工作稳定且技术较为成熟的是脉冲爆震火箭发动机(pulsedetonation rocket engine，简称PDRE)。
PDRE拥有巨大的理论优势且具有很好的应用前景，但是在应用到工程实践时还存在一些制约其性能完全发挥的难题，如：由非稳态工作过程引起的喷管设计问题以及使用液态燃料时的富油燃烧问题。
发明内容
针对PDRE液体燃料富油燃烧和非稳态喷管设计问题，本发明提出一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机及控制方法。按照本发明所提出的控制方法，在本发明设计的爆震管尾部注入射流，可促进爆震燃烧后剩余的燃料继续燃烧并释放能量，提高燃料利用率的同时，减小发动机的非稳态排气过程中的过膨胀损失。这些新的发动机结构和控制方法可以有效改善液体燃料脉冲爆震火箭发动机的工作状况，并推进其工程实际应用。
本发明的技术方案为：
一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机，具体包括：氧化剂供给***、燃料供给***、隔离气供给***、射流供给***、信号控制***和爆震管六个个部分。如图1所示，氧化剂供给***包括第一氧化剂储气罐1-1，第一减压阀1-2，第一电控阀1-3和第一止回阀1-4；燃料供给***包括挤压气储气罐2-1，第二减压阀2-2，燃油储箱2-3和第二电控阀2-4；隔离气供给***包括隔离气储气罐3-1，第三减压阀3-2和第三电控阀3-3；射流供给***包括第二氧化剂储气罐4-1，第四减压阀4-2，第四电控阀4-3和第二止回阀4-4；此外还有主要的工作装置爆震管6，其上安装有火花塞5。爆震管6的具体结构如图2所示，爆震管主腔体6-1是长径比为24～26的光滑直管且一端封闭；在爆震管主腔体6-1的封闭端加工有燃料注入孔6-2和氧化剂注入环缝6-3；在爆震管主腔体6-1的管壁上距封闭端约2倍管径处的位置安装有火花塞5；在爆震管内部距封闭端约4倍管径处安装有爆震增强装置6-4，爆震增强装置6-4的长度约为10倍管径；在爆震管主腔体6-1管壁上距直管段出口约3倍管径处加工有射流段6-6；射流段6-6上加工有射流供给孔6-7；在射流段6-6内，主腔体6-1壁面上加工有射流环缝6-13，其方向与爆震管主腔体6-1的轴向夹角为30～50°并朝向出口方向；在爆震管主腔体6-1上，射流段6-6附近还安装有第一测压传感器6-5，第二测压传感器6-8和第三测压传感器6-9；在爆震管主腔体6-1尾部安装尾喷管6-10，尾喷管6-10为收缩扩张型喷管，喷管长度约为3倍管径，收缩段长约1倍管径，扩张段长约2倍管径，收缩比和扩张比范围分别为2.0-3.0和5.0-10.0；尾喷管6-10通过第一法兰6-12和第二法兰6-13与爆震管主腔体6-1连接；信号控制***主要包括控制单元7。
一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机的控制方法，可具体描述为：燃料使用液态燃料；氧化剂使用氧气；爆震管尾部注入气体氧化剂，氧气体积分数为30％～70％；调整燃料和氧化剂的供给压力、流量和可爆混合物的当量比；燃料注入孔6-2、氧化剂注入环缝6-3和射流喷注孔6-7按控制时序打开，燃料、氧化剂和补燃射流迅速填充满爆震管主腔体6-1；根据需要设定好火花塞5的点火频率，开始点火，此时爆震管6中将产生稳定的高频爆震波；在PDRE运行过程中，调节射流喷注孔6-7的供给流量和供入流体含氧量以改善爆震管6内的燃烧情况，使其更好地匹配尾喷管的工作状况。
采用本发明提出的带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机及其控制方法，在爆震管出口附近引入补燃射流，可促进爆震燃烧后的剩余燃料充分燃烧，有效缓解使用液态燃料的PDRE在组织燃烧过程中的燃烧不充分问题；促进燃料充分燃烧同时提高PDRE的推力及燃料比冲；补燃射流的引入使得爆震管尾部的可爆混合物当量比大幅下降，减弱爆震波在爆震管尾部的强度，这样可以减少爆震波在喷管喉部的反射，进而减少对发动机上游流场的干扰；通过引入射流工质还可以调整尾喷管入口来流的状态，如加大在排气过程末段时的工质流量以减少喷管扩张段气流负压对推力的影响，使其更加适应PDRE的非稳态工作过程，进而提高尾喷管的增推效果；此外，由于在发动机出口段的燃烧过程都是在贫油工况下进行，使用本发明还可以减少PDRE污染物的排放。
本发明提出的带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机简单实用，控制方法简洁，而整体方案对提高PDRE的性能有良好的作用。
附图说明
附图1：一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机的供给***
附图2：一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机的爆震管结构
附图3：实施例1供给***的控制时序
附图4：实施例1爆震管内压力随时间变化曲线
附图5：实施例2供给***的控制时序
附图6：实施例2爆震管内压力随时间变化曲线
图中，1-1为第一氧化剂储气罐，1-2为第一减压阀，1-3第一为电控阀，1-4为第一止回阀，2-1为挤压气储气罐，2-2为第二减压阀，2-3为燃油储箱，2-4为第二电控阀，3-1为隔离气储气罐，3-2为第三减压阀，3-3为第三电控阀，4-1为第二氧化剂储气罐，4-2为第四减压阀，4-3为第四电控阀，4-4为第二止回阀，5为火花塞，6为爆震管，6-1为爆震管主腔体，6-2为燃料喷注孔，6-3为氧化剂喷注环缝，5为火花塞，6-4为爆震增强装置，6-5为第一测压传感器，6-6为射流喷注段，6-7为射流喷注孔，6-8为第二测压传感器，6-9为第三测压传感器，6-10为尾喷管，6-11为第二法兰，6-12为第一法兰，6-13为射流喷注环缝。
具体实施方式
现结合具体实施例、附图对本发明做进一步的描述：
实施例1：
一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机，具体包括：氧化剂供给***、燃料供给***、隔离气供给***、射流供给***、信号控制***和爆震管六部分。如图1所示，氧化剂供给***包括第一氧化剂储气罐1-1，第一减压阀1-2，第一电控阀1-3和第一止回阀1-4；燃料供给***包括挤压气储气罐2-1，第二减压阀2-2，燃油储箱2-3和第二电控阀2-4；隔离气供给***包括隔离气储气罐3-1，第三减压阀3-2和第三电控阀3-3；射流供给***包括第二氧化剂储气罐4-1，第四减压阀4-2，第四电控阀4-3和第二止回阀4-4；此外还有主要的工作装置爆震管6，其上安装有火花塞5。爆震管6的具体结构如图2所示，爆震管主腔体6-1是直径为24mm，管长为600mm的光滑直管且一端封闭；在爆震管主腔体6-1的封闭端加工有燃料注入孔6-2和氧化剂注入环缝6-3；在爆震管主腔体6-1的管壁上距封闭端50mm安装火花塞5；在爆震管主腔体6-1内部距封闭端100mm安装有爆震增强装置6-4，其长度为240mm；在爆震管主腔体6-1管壁上距直管段出口24mm加工有射流段6-6，射流段6-6上有射流喷注孔6-7，射流段6-6内有射流喷注环缝6-13，射流喷注环缝6-13的方向与爆震管主腔体6-1的轴向夹角为45°并朝向爆震管6的出口方向，环缝宽度为2mm；在爆震管主腔体6-1上，与射流段6-6距离50mm的上下游各安装第一测压传感器6-5和第二测压传感器6-8；在爆震管主腔体6-1上，与射流段6-6距离100mm的下游安装第三测压传感器6-9；在爆震管6尾部安装尾喷管6-10，尾喷管6-10为收缩扩张型喷管，喷管长度为70mm，收缩段长24mm，扩张段长46mm，收缩比和扩张比分别为2.3和10.0；信号控制***包括控制单元7。
一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机的控制方法，可具体描述为：使用煤油作燃料，使用氧气体积分数为40％的富氧空气作氧化剂，隔离气使用氮气，射流使用氧气体积分数为50％的富氧空气，采用如图3所示的控制时序；检查装置无误后，调整燃料和氧化剂的供给压力为0.5MPa和1.0MPa，可爆混合物当量比为1.5；按照图3的工作时序设置第一电控阀1-3、第二电控阀2-4、第三电控阀3-3、第四电控阀4-3和火花塞5的具体工作参数，并由控制单元7统一控制；射流的初始压力为1.0MPa；通过控制单元7启动发动机，开始点火，此时爆震管6中将产生稳定的高频爆震波。通过第一测压传感器6-5、第二测压传感器6-8和第三测压传感器6-9测得的爆震管主腔体6-1内的压力分别标记为p1，p2和p3，测量结果如图4所示。从图4可以看出，由第一测压传感器6-5测得的压力峰值均高于5MPa，而在射流段6-6之后，由第二测压传感器6-8和第三测压传感器6-9测得的压力峰值都只有4MPa左右。这个现象成功证明了射流补燃方案对缓解发动机出口尾气压力脉动的有益效果。同时，与不加射流的工况相比，带有补燃装置的发动机平均推力增加了84.1％。
实施例2：
一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机，其结构同实施例1。
一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机的控制方法，可具体描述为：使用煤油作燃料，使用氧气体积分数为40％的富氧空气作氧化剂，隔离气使用氮气，射流使用氧气体积分数为50％的富氧空气，采用如图5所示的控制时序；检查装置无误后，调整燃料和氧化剂的供给压力分别为0.5MPa和1.0MPa，可爆混合物当量比为1.5；按照图5的工作时序设置第一电控阀1-3、第二电控阀2-4、第三电控阀3-3、第四电控阀4-3和火花塞5的具体工作参数，并由控制单元7统一控制；射流的初始压力为1.0MPa；通过控制单元7启动发动机，开始点火，此时爆震管6中将产生稳定的高频爆震波。通过第一测压传感器6-5、第二测压传感器6-8和第三测压传感器6-9测得的爆震管主腔体6-1内的压力分别标记为p1，p2和p3，测量结果如图6所示。从图6可以看出，与实施例1相同，加入射流后爆震管主腔体6-1内的压力峰值出现下降。同时，与不加射流的工况相比，发动机的平均推力增加了77.7％。
结合实施例1和实施例2，现对本发明的优势做进一步的描述：脉冲爆震火箭发动机开始工作后，爆震波迅速产生并向爆震管6开口端传播，由于现阶段脉冲爆震火箭发动机中液体燃料的雾化及与氧化剂的掺混尚不完善，燃烧产物中会残留部分燃料，通过控制射流流量和氧含量可以促进爆震燃烧产物中的剩余燃油进一步燃烧，同时缓解排气过程末段尾气在流经喷管扩张段时造成的过膨胀问题，进而提高了发动机的推力和燃料比冲；此时由于可燃混合物的当量比较低，爆震波强度将减弱，进而削弱尾喷管喉部反射激波的强度，减少对爆震管封闭端流场的干扰，有益于PDRE的稳定运行，且贫油燃烧减少了污染物的排放；在PDRE的运行过程中，调节射流注入孔6-4的供给流量和供入流体含氧量以改善爆震管6内的燃烧情况，如在排气过程的末段加大射流流量，可以有效减少工质过膨胀给发动机推力带来的损失。

Claims (6)

1.一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机，其特征在于：该脉冲爆震火箭发动机包括氧化剂供给***、燃料供给***、隔离气供给***、射流供给***、信号控制***和爆震管六个部分。氧化剂供给***包括第一氧化剂储气罐1-1，第一减压阀1-2，第一电控阀1-3和第一止回阀1-4；燃料供给***包括挤压气储气罐2-1，第二减压阀2-2，燃油储箱2-3和第二电控阀2-4；隔离气供给***包括隔离气储气罐3-1，第三减压阀3-2和第三电控阀3-3；射流供给***包括第二氧化剂储气罐4-1，第四减压阀4-2，第四电控阀4-3和第二止回阀4-4；主燃烧室为爆震管6，其具体结构为爆震管主腔体6-1，燃料喷注孔6-2，氧化剂喷注环缝6-3，火花塞5，爆震增强装置6-4，第一测压传感器6-5，射流喷注段6-6，射流喷注孔6-7，射流喷注环缝6-13，第二测压传感器6-8，第三测压传感器6-9，尾喷管6-10、第一法兰6-12和第二法兰6-11。射流喷注环缝6-13位于在射流喷注段6-6内，其喷注方向与爆震管主腔体6-1的轴向夹角成30～50°，并朝向爆震管主腔体6-1的尾部方向；在爆震管主腔体6-1尾部安装尾喷管6-10，尾喷管为收扩喷管；尾喷管6-10通过第一法兰6-12和第二法兰6-11与爆震管主腔体6-1连接；信号控制***主要包括控制单元7。
2.一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机，其特征在于：燃料使用液态燃料；氧化剂使用氧气；爆震管尾部注入的射流为含氧量30％-70％的氧化剂。
3.一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机，其特征在于：通过在爆震管尾部喷注氧化剂射流，可促进爆震管尾部的剩余燃料继续燃烧放热，提高工质的做功能力，增加脉冲爆震火箭发动机的推力和燃料比冲。
4.一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机的控制方法，其特征在于：通过在爆震管尾部注入不同含氧量和流量的射流，可有效地调节尾气的流动状况，使其避免在喷管扩张段产生过膨胀损失，进而提高脉冲爆震火箭发动机的推进性能。
5.一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机的控制方法，其特征在于：通过调节燃油、氧化剂和尾部射流各自的供给压力和流量，可调整爆震管内可爆混合物的当量比分配；调整目的为，封闭端当量比较大，利于爆震波的起始；尾部当量比较小，促进燃料充分燃烧，提高燃料使用率，减少燃烧产物中的有害污染物。
6.一种带有补燃装置的脉冲爆震火箭发动机的控制方法，其特征在于：射流的使用降低了爆震管尾部混合物的当量比，减弱该处爆震波的强度，削弱了由其引起的反射激波对爆震管内上游流场的干扰，提高了发动机工作稳定性。
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