[发明专利]一种基于再生冷却结构的脉冲爆震推进装置

说明书

本发明提出了一种基于再生冷却结构的脉冲爆震推进装置，以再生冷却结构为基础，采用对流/冲击复合式换热方法，利用爆震燃烧的散热加热催化裂解液态燃油，产生起爆性能优异的小分子气态燃料，可有效地缩短脉冲式爆震发动机爆燃向爆震转变(简称DDT)的时间和距离，同时可实现对爆震管壁面的高效冷却。采用催化裂解的燃油预处理方法，在有效提高燃料起爆性能的同时，提高了发动机的推进性能和安全性。再生冷却结构在为催化裂解反应提供热源的同时，使用机载燃油作为冷却介质对爆震管壁面进行冷却。考虑爆震管壁面温度分布，在爆震管的DDT段采用对流/冲击复合式冷却方式，在爆震传播段使用微通道内对流换热方式。

技术领域

本发明涉及发动机领域，具体为一种基于再生冷却结构的脉冲爆震推进装置。

背景技术

脉冲爆震发动机是一种利用间歇式活脉冲爆震波产生推力的非稳态的新概念攻击。爆震波传播速度可达2000m/s，爆震燃烧化学反应速率极快，新鲜反应物来不及膨胀便被转化为高温高压的燃烧产物，故爆震燃烧类似于等容燃烧。与采用缓燃燃烧的发动机相比，基于爆震燃烧的发动机热循环效率更高。然而，现阶段爆震发动机的实际性能与理论值尚有一定差距，脉冲爆震发动机研究处于发展的初级阶段。

在未来先进空天飞行器的推进系统中，使用液态燃料作为推进剂，具有能量密度高、易贮存、冷却性能好和安全性高等优点。但要在脉冲爆震发动机中高效利用液态燃料，还需要克服诸多技术上的难题。其中重要的一项便是如何有效地实现低蒸气压液态碳氢燃料(如JP-8、JP-10和RP-3等)的快速点火和起爆。在脉冲爆震发动机的工作循环中，三个关键指标会影响发动机的工作效率：1)点火延迟时间，2)DDT(Deflagration to DetonationTransition)时间，3)DDT距离。对于复杂的液态碳氢燃料，由于存在雾化不良、工作稳定性差、起爆性能差等问题，其DDT时间和点火延迟时间相比较于气态燃料大了近一个数量级。为了解决以上问题，前人提出对燃料进行预处理或在爆震发动机中设计特殊的点火装置的办法。使用乙炔、醚类和硝酸盐等燃油添加剂可提高液态燃料起爆敏感性；典型的特殊点火装置是在主爆震管的上游连接预爆管，气态燃料在预爆管中起爆后，引爆主爆震管中的油气混合物。但以上两种方法都没有避免额外气态燃料和氧化剂的使用，气体的存储装置仍会降低飞行器的有效载荷

另一方面，动力装置中各部件的使用寿命是直接影响飞行器稳定性的重要因素。当使用液态燃料时，爆震燃烧后的烟气温度超过3500K，此时，爆震管内各个零件承受巨大的热负荷，传统的冷却方式已经不能解决其热端部件的冷却问题。

鉴于以上这些问题，要实现使用液态燃料爆震发动机的高性能稳定工作，必须设计全新的脉冲爆震发动机爆震管结构，以解决工作过程中起爆时间长、起爆距离远以及热端部件热防护的问题。

发明内容

结合国内外的研究现状和爆震发动机设计方案，本发明拟实现有效提高液态燃料爆震发动机的起爆性能，并且改善爆震管工作温度。具体的，该爆震发动机的爆震管需要实现以下几点要求：

1)该爆震管使用液态碳氢燃料作为推进剂，并可实现稳定连续工作；

2)该爆震管相对传统爆震发动机具有更短的DDT距离和DDT时间；

3)该爆震管具有可有效降低管壁温度的冷却方案。

针对现有技术的不足，克服传统爆震发动机中液态燃料起爆性能差、爆震管管壁热负荷高等问题，本发明提出了一种再生冷却脉冲爆震发动机的推进结构，为解决技术问题所采用的技术方案是：利用爆震管壁面散热加热催化裂解液态燃料，从而产生起爆性能优异的小分子气态碳氢燃料，优化起爆性能的再生冷却方案。