[發(fā)明專利]一種基于再生冷卻結構的脈沖爆震推進裝置

有效

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• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN109209678B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發(fā)明（設計）人: 范瑋;王云;張晉;董榮曉
• 申請（專利權）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: F02K7/02
• 分類號: F02K7/02;F02K9/42;F02K9/44;F02K9/60;F02K9/64;F02K9/68
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本發(fā)明提出了一種基于再生冷卻結構的脈沖爆震推進裝置，以再生冷卻結構為基礎，采用對流/沖擊復合式換熱方法，利用爆震燃燒的散熱加熱催化裂解液態(tài)燃油，產(chǎn)生起爆性能優(yōu)異的小分子氣態(tài)燃料，可有效地縮短脈沖式爆震發(fā)動機爆燃向爆震轉變(簡稱DDT)的時間和距離，同時可實現(xiàn)對爆震管壁面的高效冷卻。采用催化裂解的燃油預處理方法，在有效提高燃料起爆性能的同時，提高了發(fā)動機的推進性能和安全性。再生冷卻結構在為催化裂解反應提供熱源的同時，使用機載燃油作為冷卻介質對爆震管壁面進行冷卻。考慮爆震管壁面溫度分布，在爆震管的DDT段采用對流/沖擊復合式冷卻方式，在爆震傳播段使用微通道內對流換熱方式。

技術領域

本發(fā)明涉及發(fā)動機領域，具體為一種基于再生冷卻結構的脈沖爆震推進裝置。

背景技術

脈沖爆震發(fā)動機是一種利用間歇式活脈沖爆震波產(chǎn)生推力的非穩(wěn)態(tài)的新概念攻擊。爆震波傳播速度可達2000m/s，爆震燃燒化學反應速率極快，新鮮反應物來不及膨脹便被轉化為高溫高壓的燃燒產(chǎn)物，故爆震燃燒類似于等容燃燒。與采用緩燃燃燒的發(fā)動機相比，基于爆震燃燒的發(fā)動機熱循環(huán)效率更高。然而，現(xiàn)階段爆震發(fā)動機的實際性能與理論值尚有一定差距，脈沖爆震發(fā)動機研究處于發(fā)展的初級階段。

在未來先進空天飛行器的推進系統(tǒng)中，使用液態(tài)燃料作為推進劑，具有能量密度高、易貯存、冷卻性能好和安全性高等優(yōu)點。但要在脈沖爆震發(fā)動機中高效利用液態(tài)燃料，還需要克服諸多技術上的難題。其中重要的一項便是如何有效地實現(xiàn)低蒸氣壓液態(tài)碳氫燃料(如JP-8、JP-10和RP-3等)的快速點火和起爆。在脈沖爆震發(fā)動機的工作循環(huán)中，三個關鍵指標會影響發(fā)動機的工作效率：1)點火延遲時間，2)DDT(Deflagration to DetonationTransition)時間，3)DDT距離。對于復雜的液態(tài)碳氫燃料，由于存在霧化不良、工作穩(wěn)定性差、起爆性能差等問題，其DDT時間和點火延遲時間相比較于氣態(tài)燃料大了近一個數(shù)量級。為了解決以上問題，前人提出對燃料進行預處理或在爆震發(fā)動機中設計特殊的點火裝置的辦法。使用乙炔、醚類和硝酸鹽等燃油添加劑可提高液態(tài)燃料起爆敏感性；典型的特殊點火裝置是在主爆震管的上游連接預爆管，氣態(tài)燃料在預爆管中起爆后，引爆主爆震管中的油氣混合物。但以上兩種方法都沒有避免額外氣態(tài)燃料和氧化劑的使用，氣體的存儲裝置仍會降低飛行器的有效載荷

另一方面，動力裝置中各部件的使用壽命是直接影響飛行器穩(wěn)定性的重要因素。當使用液態(tài)燃料時，爆震燃燒后的煙氣溫度超過3500K，此時，爆震管內各個零件承受巨大的熱負荷，傳統(tǒng)的冷卻方式已經(jīng)不能解決其熱端部件的冷卻問題。

鑒于以上這些問題，要實現(xiàn)使用液態(tài)燃料爆震發(fā)動機的高性能穩(wěn)定工作，必須設計全新的脈沖爆震發(fā)動機爆震管結構，以解決工作過程中起爆時間長、起爆距離遠以及熱端部件熱防護的問題。

發(fā)明內容

結合國內外的研究現(xiàn)狀和爆震發(fā)動機設計方案，本發(fā)明擬實現(xiàn)有效提高液態(tài)燃料爆震發(fā)動機的起爆性能，并且改善爆震管工作溫度。具體的，該爆震發(fā)動機的爆震管需要實現(xiàn)以下幾點要求：

1)該爆震管使用液態(tài)碳氫燃料作為推進劑，并可實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)工作；

2)該爆震管相對傳統(tǒng)爆震發(fā)動機具有更短的DDT距離和DDT時間；

3)該爆震管具有可有效降低管壁溫度的冷卻方案。

針對現(xiàn)有技術的不足，克服傳統(tǒng)爆震發(fā)動機中液態(tài)燃料起爆性能差、爆震管管壁熱負荷高等問題，本發(fā)明提出了一種再生冷卻脈沖爆震發(fā)動機的推進結構，為解決技術問題所采用的技術方案是：利用爆震管壁面散熱加熱催化裂解液態(tài)燃料，從而產(chǎn)生起爆性能優(yōu)異的小分子氣態(tài)碳氫燃料，優(yōu)化起爆性能的再生冷卻方案。