CN109209679A - 具有频率特性的超声速掺混增强结构及火箭基组合发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有频率特性的超声速掺混增强结构及火箭基组合发动机，包括超声速来流隔板，超声速来流隔板的两侧分别设有超声速来流通道，两个超声速来流通道在超声速来流隔板的尾端连通并形成超声速来流掺混区，超声速来流掺混区与至少一个超声速来流通道通过至少一个引流管连通，引流管设在超声速来流隔板的内部，引流管内设有至少一个扩张腔。由于引流管的两端存在压差，不需要提供额外的气源就可以在超声速来流掺混区形成射流，实现超声速来流掺混区的掺混增强控制，同时在引流管内布置扩张腔，使得引流管喷出的射流具有一定的频率特性，布置不同数量的扩张腔，实现不同频率的叠加。本发明应用于超声速来流掺混控制领域。

Description

具有频率特性的超声速掺混增强结构及火箭基组合发动机

技术领域

本发明涉及超声速来流掺混控制领域，尤其涉及一种具有频率特性的超声速掺混增强结构及火箭基组合发动机。

背景技术

引射作为火箭基组合发动机(Rocket Based Combined Cycle，RBCC)的关键过程，起到将火箭燃气与来流空气进行混合的作用。对于RBCC而言，自由来流经过进气道，在喷管尾缘与喷管燃气接触，当两者的混合达到分子层面即可发生化学反应，实现利用空气中氧气提高发动机比冲的目的。然而由于来流速度很高，在燃烧室内驻留的时间极短(小于1-3ms)，如何实现燃气与空气快速高效的混合是引射的关键问题，即增强掺混效果，决定了整个推进***的性能。

超声速混合层作为引射过程的典型流动形式受到广泛关注，其中又以薄隔板产生的混合层为主要研究对象。然而在实际过程中，火箭燃气的温度极高(大于3500K，喷管喉部热流密度达到107～108W/m²)，喷管出口的温度也超过2500K。为了保护引射火箭几何结构，需要采用一定的冷却方式，这样势必导致后缘厚度增加，形成超声速钝后缘混合层，其流场结构如图1所示。

现有技术中对超声速来流掺混增强的控制方式包括两大类，即主动和被动。被动控制方案以改变尾缘结构为主，包括突片、锯齿、波瓣等，多基于改变尾缘结构，从而产生流向涡或不稳定脉动。主动控制方法则是主要通过向被控流场中主动注入能量和动量，从而改变流场的特征结构，达到控制掺混增强的作用。

基于改变尾缘结构的被动控制方案，结构简单、控制效果明显，但主要是针对从现实问题中抽象出来的薄后缘混合层，对于实际的钝后缘混合层，其隔板较厚，不易改变后缘结构，同时采用尖尾缘构型不利于防热。基于振片的主动控制方案，将振动片布置在流场中，对于真实情况下的组合发动机燃烧室，高温燃气很容易就会将振动片熔化。

发明内容

针对现有技术中对超声速来流掺混增强的控制方式无论是采用主动控制方案还是采用被动控制方案，都难以有效应用在实际中这一技术问题，本发明的目的是提供一种具有频率特性的超声速掺混增强结构及火箭基组合发动机，在超声速来流隔板内部设置引流管，用引流管将超声速来流掺混区与超声速来流通道连通，由于引流管的两端存在压差，不需要提供额外的气源，利用流场本身的流动特点就可以在超声速来流掺混区形成射流，从而实现对超声速来流掺混区的掺混增强控制，同时在引流管内布置扩张腔，使得引流管内的气流在扩张腔内重新组织，使得引流管喷出的射流具有一定的频率特性。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种具有频率特性的超声速掺混增强结构，其采用的技术方案是：

具有频率特性的超声速掺混增强结构，包括超声速来流隔板，所述超声速来流隔板的两侧分别设有超声速来流通道，两个超声速来流通道在超声速来流隔板的尾端连通并在超声速来流隔板尾端的后方形成超声速来流掺混区，超声速来流掺混区与至少一个超声速来流通道通过至少一个引流管连通，所述引流管设在超声速来流隔板的内部，所述引流管内设有至少一个扩张腔。

作为上述技术方案的进一步改进，所述超声速来流掺混区与至少一个超声速来流通道通过至少一个引流管连通具体为：

超声速来流掺混区与两个超声速来流通道分别通过至少一个引流管连通。

作为上述技术方案的进一步改进，所述超声速来流掺混区与两个超声速来流通道分别通过至少一个引流管连通具体为：

超声速来流掺混区与两个超声速来流通道分别通过一个引流管连通。

作为上述技术方案的进一步改进，所述扩张腔为圆柱体结构或多面体结构或异形体结构。

作为上述技术方案的进一步改进，所述引流管为直线型结构、曲线形结构、折线型结构中的一种或多种结构的组合。

为了实现上述发明目的，本发明还提供一种火箭基组合发动机，其采用的技术方案是：

一种具有上述具有频率特性的超声速掺混增强结构的火箭基组合发动机，包括发动机本体以及设在发动机本体上的喷管尾缘，所述超声速来流隔板的首端固定连接在喷管尾缘上，两个超声速来流通道中的超声速来流分别为火箭燃气与空气。

本发明的有益技术效果：

本发明通过在超声速来流隔板的内部设置引流管将超声速来流掺混区与超声速来流通道连通，由于超声速来流通道内流动有超声速来流，两股高压超声速来流流过超声速来流隔板的两个侧面后，在超声速来流隔板尾端处形成一个低压的回流区，进而使引流管的两端存在压差，不需要提供额外的气源，利用流场本身的流动特点就可以在超声速来流掺混区形成射流，从而实现对超声速来流掺混区的掺混增强控制，同时在引流管内布置扩张腔，使得引流管内的气流在扩张腔内重新组织，使得引流管喷出的射流具有一定的频率特性，并且可以根据需要在同一引流管内布置不同数量的扩张腔，从而实现不同频率的叠加。

附图说明

图1是超声速钝后缘混合层流场的示意图；

图2是本实施例中具有频率特性的超声速掺混增强结构第一种实施方式的示意图；

图3是本实施例中具有频率特性的超声速掺混增强结构第二种实施方式的示意图；

图4是本实施例中具有频率特性的超声速掺混增强结构第三种实施方式的示意图；

图5是火箭基组合发动机的示意图。

具体实施方式

为了便于本发明的实施，下面结合具体实例作进一步的说明。

如图2所示的具有频率特性的超声速掺混增强结构，包括超声速来流隔板1，超声速来流隔板1的两侧分别设有超声速来流通道2，两个超声速来流通道2在超声速来流隔板1的尾端连通并在超声速来流隔板尾端的后方形成超声速来流掺混区3，其中，超声速来流隔板1的尾端是指超声速来流隔板1上朝向超声速来流流动方向的端部，超声速来流掺混区3与至少一个超声速来流通道通过至少一个引流管连通，引流管4设在超声速来流隔板1的内部，即引流管是在超声速来流隔板1内部所开凿出的用于连通超声速来流掺混区3与超声速来流通道2的一个连接通道，引流管4内设有至少一个扩张腔41，扩张腔41上每一处的横截面积均大于引流管4的横截面积，即引流管4的管段上的一处或多出膨胀扩大，形成扩张腔41，气流流入扩张腔41后重新组织，使得引流管4喷出的射流具有一定的频率特性。其中，横截面为垂直于引流管4轴线的平面。

本实施例通过在超声速来流隔板1的内部设置引流管4将超声速来流掺混区3与超声速来流通道2连通，由于超声速来流通道2内流动有超声速来流，两股高压超声速来流流过超声速来流隔板1的两个侧面后，在超声速来流隔板1尾端处形成一个低压的回流区，进而使引流管4的两端存在压差，不需要提供额外的气源，利用流场本身的流动特点就可以在超声速来流掺混区3形成射流，从而实现对超声速来流掺混区3的掺混增强控制，同时在引流管4内布置扩张腔41，使得引流管4内的气流在扩张腔41内重新组织，使得引流管4喷出的射流具有一定的频率特性，从而实现对超声速来流掺混区3掺混增强周期性控制，并且可以根据需要在同一引流管内布置不同数量的扩张腔41，从而实现不同频率的叠加。

进一步优选的，上述超声速来流掺混区3与至少一个超声速来流通道通过至少一个引流管连通具体为：超声速来流掺混区3与两个超声速来流通道分别通过至少一个引流管连通。

进一步优选的，上述超声速来流掺混区3与两个超声速来流通道分别通过至少一个引流管连通具体为：超声速来流掺混区3与两个超声速来流通道分别通过一个引流管连通。即超声速来流隔板1内设有两个引流管，其中一个引流管连通超声速来流隔板1的尾端与超声速来流隔板1的一个侧面，另一个引流管连通超声速来流隔板1的尾端与超声速来流隔板1的另一个侧面。

进一步优选的，扩张腔41为圆柱体结构或多面体结构或异形体结构。

进一步优选的，引流管4为直线形结构、曲线形结构、折线形结构中的一种或多种结构的组合。可以根据实际需求情况对引流管4的结构做出调整，不同线形结构的引流管4中气流的流动路径长度不同，进而对气流流速的削弱程度不同，使得最终的射流强度也不同，因此不同线形结构的引流管4对掺混具有不同的增强效果。

如图2所示的是曲线形结构的引流管4，具体为向内凹陷的弧形结构，扩张腔41为圆柱体结构，扩张腔41的数量为一个，扩张腔41将引流管4分别前后两段，前后的两段引流管分别连接在扩张腔两端的中心位置，超声速来流从超声速来流通道2进入前段的引流管，随后进入扩张腔41,气流在扩张腔41内重新组织后进入后段的引流管，最后在后段引流管的末端形成射流。在曲线形结构的引流管4中，气流流动路径长度较为适中，形成的射流强度也较为适中，因此对最终的掺混增强效果也较为适中。

如图3所示的是直线形结构的引流管4，扩张腔41为圆柱体结构，扩张腔41的数量为一个，扩张腔41将引流管4分别前后两段，前后的两段引流管分别连接在扩张腔两端，超声速来流从超声速来流通道2进入前段的引流管，随后进入扩张腔41,气流在扩张腔41内重新组织后进入后段的引流管，最后在后段引流管的末端形成射流。在直线形结构的引流管4中，气流流动路径长度较短，形成的射流强度也随之较大，因此对最终的掺混增强效果也更高。

如图4所示的是折线形结构的引流管4，扩张腔41为圆柱体结构，扩张腔41的数量为一个，扩张腔41将引流管4分别前后两段，前后的两段引流管分别连接在扩张腔两端，超声速来流从超声速来流通道2进入前段的引流管，随后进入扩张腔41,气流在扩张腔41内重新组织后进入后段的引流管，最后在后段引流管的末端形成射流。在折线形结构的引流管4中，气流流动路径长度较长，所受阻碍较多，形成的射流强度也随之变弱，因此对最终的掺混增强效果也相对较低。

本实施例还提供一种火箭基组合发动机，其采用的技术方案是：

如图5所示的具有上述具有频率特性的超声速掺混增强结构的火箭基组合发动机，包括发动机本体5以及设在发动机本体5上的喷管尾缘6，超声速来流隔板1的首端固定连接在喷管尾缘6上，两个超声速来流通道2中的超声速来流分别为火箭燃气与空气。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (6)

1.具有频率特性的超声速掺混增强结构，其特征在于，包括超声速来流隔板，所述超声速来流隔板的两侧分别设有超声速来流通道，两个超声速来流通道在超声速来流隔板的尾端连通并在超声速来流隔板尾端的后方形成超声速来流掺混区，超声速来流掺混区与至少一个超声速来流通道通过至少一个引流管连通，所述引流管设在超声速来流隔板的内部，所述引流管内设有至少一个扩张腔。

2.根据权利要求1所述具有频率特性的超声速掺混增强结构，其特征在于，所述超声速来流掺混区与至少一个超声速来流通道通过至少一个引流管连通具体为：

超声速来流掺混区与两个超声速来流通道分别通过至少一个引流管连通。

3.根据权利要求2所述具有频率特性的超声速掺混增强结构，其特征在于，所述超声速来流掺混区与两个超声速来流通道分别通过至少一个引流管连通具体为：

超声速来流掺混区与两个超声速来流通道分别通过一个引流管连通。

4.根据权利要求1或2或3所述具有频率特性的超声速掺混增强结构，其特征在于，所述扩张腔为圆柱体结构或多面体结构或异形体结构。

5.根据权利要求1或2或3所述具有频率特性的超声速掺混增强结构，其特征在于，所述引流管为直线型结构、曲线形结构、折线型结构中的一种或多种结构的组合。

6.一种具有权利要求1至5任一项所述具有频率特性的超声速掺混增强结构的火箭基组合发动机，其特征在于，包括发动机本体以及设在发动机本体上的喷管尾缘，所述超声速来流隔板的首端固定连接在喷管尾缘上，两个超声速来流通道中的超声速来流分别为火箭燃气与空气。