CN114991993B - 一种自激爆震发动机 - Google Patents
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Abstract
一种自激爆震发动机，主要由进气道、阀门（有阀式或无阀式）、爆震室、***、喷管及燃料供给、点火、冷却、控制等***组成；所述***主要由若干个单支双曲线形凹槽和/或其它收敛形凹槽构成，每个凹槽对应于机体内壁对压力波的一个经凹槽反射聚焦或反射会聚的反射区；所述单支双曲线是指双曲线中的一支；所述机体内壁是指进气道、爆震室和喷管的内壁；所述压力波是指进气压力波，喷管后端返回的大气压力波或高温、高压的燃气压力波。本发明所采用的技术方案是：通过***的凹槽对压力波的反射聚焦或反射会聚来实现起爆。
Description
技术领域
本发明的一种自激爆震发动机属于脉冲爆震发动机的范畴，是基于爆震燃烧的新概念发动机。
背景技术
自1881年科学家们发现爆震现象以来，爆震理论在逐步完善的同时，也在应用中产生了爆震发动机的概念。目前在研的爆震发动机主要有：脉冲爆震发动机、斜爆震波发动机和旋转爆震波发动机。
脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机。爆震波是一道自带压缩功能的超音速（约2000米/秒）燃烧波，爆震燃烧接近于等容燃烧，热循环效率（约49%）远高于传统发动机的等压燃烧（约27%）。基于爆震燃烧的发动机具有燃烧和能量释放速度快、热循环效率高、燃料消耗率低、结构简单、体积小、重量轻、推重比高、比冲大等诸多优点。
尽管爆震发动机具有诸多优点，但由于技术不足目前尚处于探索研究阶段，主要是高频起爆和工作稳定性等问题均没有实质性进展。目前起爆的方案有两种：直接起爆和间接起爆，直接起爆通过高压瞬间放电来实现起爆，起爆频率高，但需要很高的能量（约105焦耳/秒），在应用中得不偿失；间接起爆通过爆燃向爆震转变（DDT）来实现起爆，但DDT管从燃料填充到爆燃向爆震转变的周期长，起爆频率低（约10次/秒），远远达不到爆震发动机产生近似连续推力的起爆频率（约100次/秒），两种起爆方案均不适用，因此未能实现真正的应用，探究适用的高频起爆方案是目前亟待解决的关键技术。
发明内容
一种自激爆震发动机，主要由进气道、阀门（有阀式或无阀式）、爆震室、***、喷管及燃料供给、点火、冷却、控制等***组成；所述***主要由若干个单支双曲线形凹槽和/或其它收敛形凹槽构成，每个凹槽对应于机体内壁对压力波的一个经凹槽反射聚焦或反射会聚的反射区；所述单支双曲线是指双曲线中的一支；所述机体内壁是指进气道、爆震室和喷管的内壁；所述压力波是指进气压力波，喷管后端返回的大气压力波或高温、高压的燃气压力波。
本发明所采用的技术方案是：通过***的凹槽对压力波的反射聚焦或反射会聚来实现起爆。
附图说明
图1、图2、分别为有阀式和无阀式自激爆震发动机横向结构示意图。
图3、图4、分别为有阀式和无阀式自激爆震发动机纵向结构示意图。
图5、无阀式旋转自激爆震发动机输出轴向结构示意图（发动机沿圆周分布或螺旋分布）。
图中：1－进气管；2－喷咀；3－旋转阀（图1、图3）、导流锥（图2、图4、图5）；4－旋转阀进气口（图1、图3）、导流环（图2、图4、图5）；5－推力壁（图1、图3为平面推力壁，图2、图4、图5为凹面推力壁）；6－推力壁进气口；7－火花塞；8－***（图3、图4为直线式，末端车削成流线型；图5为圆弧式或螺旋式，分别对应沿圆周分布或螺旋分布的发动机）；9－***焦点（图1、图2）、***焦点沿线（图3、图4、图5中的点线）；10－爆震管；11－喷管；12－***冷却管（管内外循环进出冷却液）；13－双曲线（左支的内焦点位于爆震管10的内壁截面圆的圆心上，右支为***8右侧凹槽截面边缘所在的曲线。）；14－径向压力波；15－幅板；16－输出轴。
连接过程（图1、图3）：进气管1联接爆震管10；爆震管10联接喷管11；喷咀2联接进气管1；旋转阀3联接推力壁5；推力壁5联接爆震管10；火花塞7联接爆震管10；***8联接推力壁5；***冷却管12通过推力壁5内置管联接冷却***。
连接过程（图2、图4、图5）：进气管1联接爆震管10；爆震管10联接喷管11；喷咀2联接进气管1；导流锥3联接进气管1；导流环4联接爆震管10；火花塞7联接爆震管10；***8联接推力壁5；***冷却管12通过导流锥3内置管联接冷却***；爆震管10联接幅板15；幅板15联接输出轴16。
图1、图2发动机中分别示意带有六个和四个单支双曲线形凹槽的***，凹槽横截面中每个单支双曲线的外焦点均位于单支双曲线所对应爆震管10的内壁横截面圆弧的圆心上，使对应圆弧反射的径向压力波14经单支双曲线反射后会聚至单支双曲线的内焦点。设爆震管10内壁的半径为r，双曲线13的实轴长为2a，则径向压力波14经单支双曲线反射至内焦点的路径长度均为r-2a。
平面圆内若干个单支双曲线的外焦点均位于圆心且沿圆周分布连接成曲边形，曲边形沿垂直于平面的方向平移形成的几何体为直线式单支双曲线形凹槽的***。直线式单支双曲线形凹槽与对应机体内壁反射的径向压力波和会聚球面波均具有反射聚焦的性质；圆弧式或螺旋式单支双曲线形凹槽与对应机体内壁反射的径向压力波具有反射聚焦的性质。
具体实施方式
图3、该发动机的工作循环包括进气、起爆、燃烧（爆震波传播）、排气四个基本过程。
一、进气：首先打开旋转阀，将压缩空气打入进气管，然后喷咀喷射燃料并与进气管中的空气混合进入爆震室，待进入适量混合气时关闭旋转阀。
二、起爆：在旋转阀关闭时由火花塞点燃混合气，部分混合气爆燃产生高温、高压的燃气，高温、高压燃气的径向向心压力波和会聚球面压力波经***的凹槽反射聚焦，以及高温、高压燃气的径向离心压力波和发散球面压力波经机体内壁反射至***的凹槽，再经凹槽反射聚焦，使凹槽中焦点沿线上局部混合气的压力、温度迅速升高，激发混合气爆震燃烧，由此产生爆震波。
三、燃烧：由起爆产生的爆震波向***以超音速传播（约几千米/秒），在爆震波所经之处混合气发生剧烈的化学反应，同时伴随着高速的能量释放，使波后爆震产物的压力、温度急剧升高（压力可达100个大气压、温度可达2000℃）；在爆震波传播过程中爆震产物的膨胀压力又助推爆震波继续向***传播，直至全部混合气爆震结束，爆震波排出爆震室。
四、排气：爆震波排出后爆震产物（高温、高压的燃气）由喷管喷出（下称排气），同时产生反作用推力，使热能转换成机械能。
在排气过程中，由于燃气流的惯性作用使爆震室形成短时间的真空状态，此时打开旋转阀，在压力差的作用下，进气管中的混合气自动进入爆震室，待进入适量混合气时，适时关闭旋转阀，再进入上次的起爆、燃烧、排气的工作循环过程；这样周而复始，发动机便不断的工作了。
图4、图5发动机的基本工作循环过程与图3相同，开始工作时同样需要辅助进气和通过排气抽真空使发动机进入自动进气、起爆、燃烧、排气的工作循环过程，不同的是没有机械阀，环形进气道中压力的波动起到空气动力阀的作用。图5发动机开始工作时通过启动发动机旋转来进气，以及通过排气来推动发动机旋转和向外输出机械能。
上述发动机都是通过***的凹槽对机体中高温、高压燃气压力波的反射聚焦来实现起爆的，此外通过***的凹槽对机体中其它压力波的反射聚焦均可实现起爆。
进压起爆：图3、图4、图5发动机在工作过程中由高速进气产生高强度的湍流，高强度的湍流脉动产生的压力波经***的凹槽反射聚焦，以及经机体内壁反射至***的凹槽，再经凹槽反射聚焦均可实现起爆。
回压起爆：图3、图4、图5发动机在排气终了时，惯性喷出的燃气流使喷管形成真空状态，于是喷管后端的大气压力波返回爆震室，经推力壁反射后，反射波与入射波合成更大波幅的压力波，经***的凹槽反射聚焦，以及经机体内壁反射至***的凹槽，再经凹槽反射聚焦均可实现起爆。
自燃起爆：图3、图4、图5发动机中，通过高温的爆震室内壁使部分混合气自燃来产生高温、高压的燃气，高温、高压的燃气压力波经***的凹槽反射聚焦，以及经机体内壁反射至***的凹槽，再经凹槽反射聚焦均可实现起爆。
以上阐述了单支双曲线形凹槽的***对径向向心压力波和会聚球面压力波反射聚焦实现起爆的实施过程。单支双曲线形凹槽的***具有诸多的优点：（1）焦点沿线上混合气填充顺畅；（2）***内空间大便于设置冷却装置，冷却效果好，充分解决了因凹槽底部壁温过高而导致混合气在压力波到达时提前自燃的问题；（3）通过凹槽反射聚焦，焦点沿线上混合气的压力、温度大幅升高；（4）便于设置具有多个凹槽的***；因此单支双曲线形凹槽的***能够大幅提高起爆的成功率，具有很高的实用性。
此外由于湍流的无序性，湍流脉动产生多种波系的压力波，对每种波系的压力波采用对应的收敛形凹槽的***均可反射聚焦或反射会聚实现起爆；如对平行波系的压力波采用抛物线形凹槽的***，对不同的发散波系的压力波分别采用对应的椭圆弧线形凹槽、正弦曲线形凹槽等光滑曲线形凹槽的***。
脉动式喷气发动机在进气过程中形成卡门涡街现象，涡街中涡旋的交替发放使机体中高压区和低压区同时并存，高压波和低压波经机体内壁反射聚焦的压力增幅较小，因此脉动式喷气发动机达不到高压起爆的条件，只能基于爆燃方式组织燃烧，其爆燃压力低（约3个大气压）、燃料消耗率高、工作频率低（约50次/秒）、振动性大。
鉴于脉动式喷气发动机对压力波反射聚焦的压力达不到高压起爆条件的问题，本发明通过采用分区反射聚焦的方案来阻隔低压波对高压波的消减，使高压区向心传播的压力波经***的凹槽反射聚焦，以及高压区离心传播的压力波经机体内壁反射至***的凹槽，再经凹槽反射聚焦，进而使凹槽中焦点沿线上局部混合气的压力大幅升高来实现起爆。
爆震发动机爆震压力是脉动式喷气发动机爆燃压力的约30倍，因此爆震发动机通过排气抽真空的真空度高、爆震室与进气道的压力差大、进气流速高；爆震波的传播速度是爆燃波传播速度的约100倍，由此推测本发明的一种自激爆震发动机的工作频率约几千次/秒，其产生推力的连续性和稳定性能够超越目前的各种基于爆燃方式组织燃烧的发动机。
综上所述，本发明的一种自激爆震发动机能够自动高频起爆、工作稳定可靠，具有燃烧和能量释放速度快、热循环效率高、燃料消耗率低等诸多优点，未来在多种领域将具有广泛的应用前景。
Claims (5)
1.一种自激爆震发动机，主要由进气道、阀门、爆震室、***、喷管以及燃料供给***、点火***、冷却***和控制***组成，其特征在于：所述***主要由若干个单支双曲线形凹槽和/或其它收敛形凹槽构成，每个凹槽对应于机体内壁对压力波的一个经凹槽反射聚焦或反射会聚的反射区，***通过凹槽对压力波的反射聚焦或反射会聚来实现起爆。
2.根据权利要求1所述的自激爆震发动机，其特征在于：所述***沿机体内壁中心轴线方向设置，所述机体内壁是指进气道、爆震室和喷管的内壁。
3.根据权利要求1所述的自激爆震发动机，其特征在于：所述收敛形凹槽为两侧向一点收敛的光滑曲线形凹槽。
4.根据权利要求1所述的自激爆震发动机，其特征在于：所述压力波包括进气压力波、喷管后端返回的大气压力波或高温、高压的燃气压力波。
5.根据权利要求1所述的自激爆震发动机，其特征在于：所述阀门包括有阀式或无阀式。
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