CN109899179B - 一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机 - Google Patents

一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机 Download PDF

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本发明公开了一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,安装于飞行器主体下部，包括发动机主体和燃气发生器，飞行器主体内部具有装载空间，所述燃气发生器置于装载空间内，所述发动机主体包括自前往后依次连通的进气道、隔离段、超声速燃烧室、尾喷管，所述燃气发生器包括相互独立的易燃推进剂燃气发生器以及富燃固体推进剂燃气发生器，两者尾部均连接喷管以及导流管，且导流管气流出口朝向超声速燃烧室内。所述超燃冲压发动机可以在较短时间内显著提高含硼富燃固体推进剂在超声速来流条件下的燃烧性能，可暂时避免推进剂配方研制和工艺制备的研究难度大和研究周期长等问题，因而实用性高。

Description

一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发 动机
技术领域
本发明涉及超燃冲压发动机应用领域，尤其涉及一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机。
背景技术
固体火箭超燃冲压发动机是一种采用固体推进剂的新概念超燃冲压发动机。而超声速燃烧室中气流的驻留时间为毫秒量级，燃料很难在如此短的时间内和空气完成充分的掺混和燃烧。尤其对于含硼富燃固体推进剂，由于硼粉表面的氧化层(B2O3)沸点极高(2130K)，这严重阻碍了推进剂中硼的燃烧，从而严重影响了发动机的性能提升。提升含硼富燃固体推进剂在超声速燃烧室中的燃烧性能一直是固体火箭超燃冲压发动机的关键技术之一，目前固体火箭超燃冲压发动机在国内外研究较少，积累经验不多。就提升含硼富燃固体推进剂在固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能的研究中，国内外各单位主要是从推进剂配方以及推进剂制造工艺，等方面入手开展相关研究。而推进剂配方及制作工艺的研制机理复杂，从而导致研制周期较长，增加成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种从燃烧组织方面提升含硼富燃固体推进剂在超声速来流条件下的燃烧性能的超燃冲压发动机。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,安装于飞行器主体下部，包括发动机主体和燃气发生器，飞行器主体内部具有装载空间，所述燃气发生器置于装载空间内，所述发动机主体包括自前往后依次连通的进气道、隔离段、超声速燃烧室、尾喷管，所述燃气发生器包括相互独立的易燃推进剂燃气发生器以及富燃固体推进剂燃气发生器，且两者内分别设有易燃推进剂以及富燃固体推进剂，所述易燃推进剂燃气发生器以及富燃固体推进剂燃气发生器尾部均连接喷管，喷管后部均连导流管，超声速燃烧室顶部的发动机主体壁上开有喷孔，所述导流管的出口端穿过飞行器主体内的装载空间的底壁并与超声速燃烧室顶部的发动机主体壁上的喷孔连通，所述易燃推进剂燃气发生器尾部的导流管的出口端位于富燃固体推进剂燃气发生器尾部的导流管的出口端的前侧。
作为优选，所述导流管出口端的气流喷射方向与主气流在超声速燃烧室内流动的方向呈夹角设置。
作为优选，所述导流管的出口端的气流喷射方向与主气流在超声速燃烧室内流动的方向之间的夹角角度设置准则为，在给定超声速来流条件下，所述易燃推进剂燃气发生器尾部导流管的出口喷出的气流羽流基本覆盖富燃固体推进剂燃气发生器尾部导流管的出口喷出的气流羽流。
作为优选，所述夹角的角度大于0度且小于或等于90度。
作为优选，所述易燃推进剂燃气发生器位于与富燃固体推进剂燃气发生器的前端。
作为优选，所述富燃固体推进剂在燃气发生器内保持单侧端面燃烧。
所述易燃推进剂在易燃推进剂燃气发生器内燃烧后经过喷管和导流管以亚声速或超声速喷射进入超声速燃烧室。
作为优选，所述易燃推进剂为固体或者液体燃料。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：所述提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机，通过多燃料组合喷射结构，可以在较短时间内显著提高富燃固体推进剂在超声速来流条件下的燃烧性能，暂时避免了推进剂配方研制和工艺制备的研究难度大，研究周期长的问题，因而实用性高。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明安装在飞行器主体下部时的侧面部分剖视结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围：
如图1所示的一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,安装于飞行器主体1下部，包括发动机主体和燃气发生器，飞行器主体内部具有装载空间12，所述燃气发生器置于装载空间12内，所述发动机主体包括自前往后依次连通的进气道2、隔离段3、超声速燃烧室4、尾喷管5，图中的虚线为各个部分的分段指示线，主气流自进气道2进入，并经过隔离段3进入超声速燃烧室4内燃烧，最后经过尾喷管5加速排出。
所述燃气发生器包括相互独立的易燃推进剂燃气发生器6以及富燃固体推进剂燃气发生器7，在本实施例中，设进气道所在位置为超燃冲压发动机的前方，尾喷管所在位置为超燃冲压发动机的后方，在装载空间内，所述易燃推进剂燃气发生器6置于富燃固体推进剂燃气发生器7的前端，节约装载空间。
在所述易燃推进剂燃气发生器6以及富燃固体推进剂燃气发生器7内分别设有易燃推进剂以及富燃固体推进剂，在本实施例中，所述易燃推进剂为固体或者液体燃料，所述易燃推进剂燃气发生器6以及富燃固体推进剂燃气发生器7尾部均连喷管(8,10)，喷管尾部连接导流管(9,11)，在超声速燃烧室顶壁上开有喷孔13，导流管的出口端穿过飞行器主体内的装载空间的底壁并与超声速燃烧室顶部的发动机主体壁上的喷孔连通，易燃推进剂和富燃固体推进剂分别在易燃推进剂燃气发生器以及富燃固体推进剂燃气发生器内点火，产生的高温高压气体经由喷管以及导流管的出口和超声速燃烧室的出口，并以一定角度射入超声速燃烧室与主流进行掺混燃烧。
所述易燃推进剂燃气发生器6尾部导流管的出口位于富燃固体推进剂燃气发生器7尾部导流管的出口的前侧，因而，前部的易燃推进剂燃烧后产生的高温高压气体首先与来流进行掺混燃烧，从而提升了来流的温度，提升来流温度后，一方面会使得富燃固体推进剂燃气发生器喷射出口燃气中的易燃气相和碳颗粒快速燃烧，为后续其它颗粒的燃烧提供更加充足的驻留时间，另一方面，主流温度提升后，再经过富燃燃气中易燃物质燃烧进一步提升主流温度，因而有助于提高富燃固体推进剂的整体燃烧效率。
为提高高温高压气体与来流进行掺混燃烧时的均匀度，提高燃烧效率，作为优选方案，所述导流管(9,11)出口端的气流喷射方向与主气流在超声速燃烧室4内流动的方向呈夹角设置，作为优选实施方案，为提升气流混合效果，所述夹角的角度大于0度且小于或等于90度，而在实际应用中，所述导流管(9,11)的出口气流喷射方向与主气流在超声速燃烧室4内流动的方向之间的夹角角度设置准则为，所述易燃推进剂燃气发生器尾部导流管的出口喷出的气流羽流基本覆盖富燃固体推进剂燃气发生器尾部导流管的出口喷出的气流羽流。
在本实施例中，所述富燃固体推进剂在富燃固体推进剂燃气发生器7内保持单侧端面燃烧，进一步提高富燃固体推进剂的燃烧效率。
另外，为进一步提高燃烧效率，所述易燃推进剂或者富燃固体推进剂在燃气发生器内燃烧后经过喷管和导流管以亚声速或超声速喷射进入超声速燃烧室。
在本实施例中，优选含硼富燃固体推进剂为富燃固体推进剂，在实际应用中，进气道对高超声速来流进行压缩，压缩后的主流经过隔离段，所述隔离段的作用是为了隔离超声速燃烧室燃烧对进气道的影响，以防止进气道不启动，主流经过隔离段出口，静压、静温得以升高，速度减小，但仍然保持超声速流动，此时，易燃推进剂剂在燃气发生器内点火，所述易燃推进剂燃气发生器产生的高温高压气体经由其后部的喷管和导流管以一定角度射入超声速燃烧室内与且与主流进行掺混，并提升主流一定温度，几乎与此同时，含硼富燃固体推进剂在富燃固体推进剂燃气发生器内点火，所述燃气发生器产生的含硼富燃燃气通过其后部的喷管和导流管以一定角度射入超声速燃烧室与已被助燃且提升温度的高温主流进行掺混并燃烧，燃烧形成的高温高压气体经过尾喷管膨胀做功，产生推力，继而实现发动机的运行。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,安装于飞行器主体下部，其特征在于：包括发动机主体和燃气发生器，飞行器主体内部具有装载空间，所述燃气发生器置于装载空间内，所述发动机主体包括自前往后依次连通的进气道、隔离段、超声速燃烧室、尾喷管，所述燃气发生器包括相互独立的易燃推进剂燃气发生器以及富燃固体推进剂燃气发生器，且两者内分别设有易燃推进剂以及富燃固体推进剂，所述易燃推进剂燃气发生器以及富燃固体推进剂燃气发生器尾部均连接喷管，喷管后部均连导流管，超声速燃烧室顶部的发动机主体壁上开有喷孔，所述导流管的出口端穿过飞行器主体内的装载空间的底壁并与超声速燃烧室顶部的发动机主体壁上的喷孔连通，所述易燃推进剂燃气发生器尾部的导流管的出口端位于富燃固体推进剂燃气发生器尾部的导流管的出口端的前侧。
2.根据权利要求1所述的一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,其特征在于：所述导流管出口端的气流喷射方向与主气流在超声速燃烧室内流动的方向呈夹角设置。
3.根据权利要求2所述的一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,其特征在于：所述导流管的出口端的气流喷射方向与主气流在超声速燃烧室内流动的方向之间的夹角角度设置准则为，在给定超声速来流条件下，所述易燃推进剂燃气发生器尾部导流管的出口喷出的气流羽流基本覆盖富燃固体推进剂燃气发生器尾部导流管的出口喷出的气流羽流。
4.根据权利要求2所述的一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,其特征在于：所述夹角的角度大于0度且小于或等于90度。
5.根据权利要求1所述的一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,其特征在于：在装载空间内，所述易燃推进剂燃气发生器位于富燃固体推进剂燃气发生器的前端。
6.根据权利要求1所述的一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,其特征在于：所述富燃固体推进剂在燃气发生器内保持单侧端面燃烧。
7.根据权利要求1所述的一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,其特征在于：所述易燃推进剂在易燃推进剂燃气发生器内燃烧后经过喷管和导流管以亚声速或超声速喷射进入超声速燃烧室。
8.根据权利要求1所述的一种提升含硼富燃固体推进剂超声速燃烧性能的超燃冲压发动机,其特征在于：所述易燃推进剂为固体或者液体燃料。
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