[發明專利]組合式發動機

有效

• 申請號: 201710436247.1
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN109026444B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 范學軍;陸陽;李龍;孟令瑾
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: F02K9/64
• 分類號: F02K9/64
• 代理公司: 北京中知法苑知識產權代理有限公司 11226
• 代理人: 李明

本發明公開了一種組合式發動機，所述組合式發動機包括殼體；進氣道，設置于所述殼體上，所述進氣道用于接收來流空氣；換熱器，設置于所述殼體內，所述換熱器用于對至少部分所述來流空氣與預冷介質進行換熱，以預冷該部分所述來流空氣和加熱所述預冷介質；其中，所述預冷介質包括甲烷；空壓機，設置于所述殼體內，所述空壓機用于接收并對預冷后的來流空氣進行壓縮；火箭發動機，設置于所述殼體內，所述火箭發動機用于接收壓縮后的至少部分來流空氣和加熱后的至少部分預冷介質，以使得壓縮后的來流空氣和加熱后的該部分預冷介質在所述火箭發動機的推力室內反應，以產生推力。甲烷作為預冷介質，能夠降低系統的設計難度，縮短設計周期和降低成本。

技術領域

本發明涉及發動機技術領域，具體涉及一種具有吸氣預冷結構的組合式發動機。

背景技術

一般的，對臨近空間飛行和空天飛行的探索與話語權爭奪已成為世界各大國日益重視的領域。為覆蓋臨近空間和入軌飛行的飛行器或運輸器提供高效發動機是高速飛行器研制的核心挑戰之一。歐美日均從20世紀80年代以來形成了具有各自特色的發展路線：美國主要圍繞超聲速燃燒這一核心概念，結合氫或吸熱碳氫燃料的主動熱防護技術，以兩級入軌方案為主要研究方向；而以英國為代表的歐洲則瞄準預冷組合式發動機，力爭將吸氣模態和火箭模態進行組合，以氫為主要工質發展相關包括高效預冷器和溢流減阻燃燒等核心技術，為單級入軌進行著努力；日本同樣以氫作為目標工質，但主要研究預冷型帶加力燃燒室的渦輪發動機，為二級入軌作技術儲備。其中，英國反應發動機公司(REL)基于預冷組合概念在1991年公布了氫工質“佩刀”發動機概念，經過多年研究后在2003年對這種發動機和利用它單級入軌的優越性進行了較為系統的階段性闡述，緊接著在2004年基于這種發動機提出了單級入軌飛行器計劃“SKYLON”。在2012年其關鍵核心部件預冷換熱器技術獲得突破，又分別于2014年和2015年分別經歐空局，美國空軍研究實驗室、NASA等機構評估后，其技術可行性已經獲得認可。值得一提的是美國在與REL簽署了合作與發展協議后于2016年公布了以“佩刀”為基礎的兩級入軌方案。因此可以說基于吸氣預冷概念的發動機目前已成為英、美、歐多方構建多種臨近空間和空天入軌飛行器方案中炙手可熱的動力選擇。這種先進的發動機概念具有如下突出特點：(1)可從地面直接起飛，(2)在達到高超速度(馬赫5)之前利用大氣層中的空氣作為氧化劑，即工作于所謂的吸氣式，相比傳統火箭能將比沖大幅度提高。

但是，以上航天航空強國集中研究的預冷吸氣式組合式發動機，基本都是基于氫工質的，這樣就給技術的實現帶來了巨大挑戰。由于氫的工作溫度非常低，相關配套的隔熱、輸運和操作十分困難，成本也居高不下；此外，氫會給材料帶來難以避免的“氫脆”問題，進而嚴重制約了這一先進概念快速轉化為現實實物發動機乃至產業化的進度。國際上一般采用氦代替氫做為循環工質，來避免“氫脆”問題，但這樣一來需要增加額外的熱交換回路，增加系統的復雜性。此外，由于氫的密度很小，以氫為燃料發動機所需配套儲箱的容積必然相當龐大，這會給飛行器整體體積和質量帶來沉重負擔。

因此，如何解決基于氫工質的吸氣預冷式發動機的上述技術困難成為本領域亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，提出了一種組合式發動機。

為了實現上述目的，本發明提供了一種組合式發動機，所述組合式發動機包括：

殼體；

進氣道，設置于所述殼體上，所述進氣道用于接收來流空氣；

換熱器，設置于所述殼體內，所述換熱器用于對至少部分所述來流空氣與預冷介質進行換熱，以預冷該部分所述來流空氣和加熱所述預冷介質；其中，所述預冷介質包括甲烷；

空壓機，設置于所述殼體內，所述空壓機用于接收并對預冷后的來流空氣進行壓縮；