專(zhuān)利名稱(chēng)：火箭噴嘴和用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種火箭噴嘴和用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控 制方法。
背景技術(shù)：
圖1顯示了作為火箭噴嘴的鐘形噴嘴100A。當(dāng)位于喉部101A處的 流動(dòng)路徑橫截面積是At，而位于噴嘴出口 102A處的流動(dòng)路徑橫截面積 是A1時(shí)，鐘形噴嘴100A的膨脹比eA由Al與At之間的比值(Al/At)表 示。圖2顯示了作為火箭噴嘴的鐘形噴嘴100B。當(dāng)位于喉部101B處的流 動(dòng)路徑橫截面積是At，而位于噴嘴出口102B處的流動(dòng)路徑橫截面積是 A2時(shí)，鐘形噴嘴100B的膨脹比eB由(A2/At)的比值表示。此處，A2 大于A1，由此eB大于eA。
表示火箭噴嘴性能的比沖是已知的。比沖根據(jù)膨脹比和火箭噴嘴 周?chē)沫h(huán)境壓力變化。因此，在火箭上升期間，比沖改變。
圖3是顯示了比沖隨高度變化的曲線圖。該曲線圖的垂直軸代表比 沖，而水平軸代表高度。性能曲線121顯示了鐘形噴嘴100A的比沖隨高 度的變化。性能曲線122顯示了鐘形噴嘴100B的比沖隨高度的變化。
性能曲線121和性能曲線122在特定高度彼此相交。在低于交點(diǎn)高 度的高度處，鐘形噴嘴100A的比沖大于鐘形噴嘴100B的比沖，而在高 于交點(diǎn)高度的高度處，鐘形噴嘴100B的比沖大于鐘形噴嘴100A的比沖。
在火箭上升期間，如果火箭噴嘴的膨脹比可改變，則火箭噴嘴的 比沖可在寬廣的高度范圍上保持較高。
6圖4顯示了作為火箭噴嘴的雙鐘形噴嘴110。該雙鐘形噴嘴110包括 作為從喉部111到拐點(diǎn)112的部分的第一級(jí)噴嘴115和作為從拐點(diǎn)112到 噴嘴出口113的部分的第二級(jí)噴嘴U6。第一級(jí)噴嘴115和第二級(jí)噴嘴 116的每一個(gè)都是鐘形的。此處，喉部lll處的流動(dòng)路徑橫截面積由At 表示，拐點(diǎn)112處的流動(dòng)路徑橫截面積由A1表示，噴嘴出口113處的流 動(dòng)路徑橫截面積由A2表示。
如圖5所示，當(dāng)雙鐘形噴嘴110周?chē)沫h(huán)境壓力高時(shí)，燃燒氣體流 從位于拐點(diǎn)112處的雙鐘形噴嘴110的內(nèi)壁面處分開(kāi)。下文中，這種流 被稱(chēng)為低膨脹流。在低膨脹流狀態(tài)下雙鐘形噴嘴110的膨脹比與鐘形噴 嘴100A的膨脹比幾乎相等。
如圖6中所示，當(dāng)雙鐘形噴嘴110周?chē)沫h(huán)境壓力低時(shí)，燃燒氣體 流從位于噴嘴出口113處的雙鐘形噴嘴110的內(nèi)壁面處分開(kāi)。下文中， 這種流被稱(chēng)為高膨脹流。在高膨脹流狀態(tài)下雙鐘形噴嘴110的膨脹比與 鐘形噴嘴100B的膨脹比幾乎相等。
參照?qǐng)D3，最有利的是在對(duì)應(yīng)于性能曲線121與性能曲線122的交點(diǎn) 的高度處，雙鐘形噴嘴110內(nèi)的燃燒氣體流從低膨脹流狀態(tài)過(guò)渡到高膨 脹流狀態(tài)。將性能曲線121與性能曲線122的交點(diǎn)稱(chēng)為最佳過(guò)渡點(diǎn)120。 然而，正如在"A Critical Assessment of Dual-Bell Nozzles "， G.Hagemann、 M.Frey和D.Manski， 1997中所描述的，已知雙鐘形噴嘴 110內(nèi)的燃燒氣體流在大大低于與最佳過(guò)渡點(diǎn)120相對(duì)應(yīng)的高度的高度 處從低膨脹流狀態(tài)過(guò)渡到高膨脹流狀態(tài)。為此，雙鐘形噴嘴110的比沖 隨高度的變化由性能曲線123表示。
由于雙鐘形噴嘴110內(nèi)的燃燒氣體流的狀態(tài)在大大低于最佳過(guò)渡 點(diǎn)120的高度處過(guò)渡，因此雙鐘形噴嘴110的比沖在過(guò)渡處減小。過(guò)渡 發(fā)生的高度越低，比沖的減小幅度就越大。另外，由于當(dāng)緊接過(guò)渡后的高度低時(shí)，在自噴嘴出口 113起的上游位置燃燒氣體流趨于與第二級(jí) 噴嘴116的內(nèi)壁面分離，因此振動(dòng)將強(qiáng)烈。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種火箭噴嘴和用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣 體流的控制方法，利用該方法燃燒氣體流的狀態(tài)適當(dāng)?shù)剡^(guò)渡。
在本發(fā)明的第一方面中，火箭噴嘴包括雙鐘形噴嘴和構(gòu)造為將氣 體引入由該雙鐘形噴嘴圍繞的空間內(nèi)的氣體引入部。燃燒氣體在該空 間內(nèi)流動(dòng)。所述雙鐘形噴嘴包括鐘形的并圍繞所述空間的上游部的第 一級(jí)噴嘴、以及鐘形的并圍繞所述空間的下游部的第二級(jí)噴嘴。所述 雙鐘形噴嘴具有位于第一級(jí)噴嘴和第二級(jí)噴嘴之間的拐點(diǎn)。所述氣體 引入部包括設(shè)置到第一級(jí)噴嘴的第一內(nèi)壁面上的第一氣體入口。將氣 體從第一氣體入口引入所述空間內(nèi)。
在本發(fā)明的第二方面中，用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控制 方法包括將氣體引入由雙鐘形噴嘴圍繞的空間內(nèi)。燃燒氣體在該空間 內(nèi)流動(dòng)。所述雙鐘形噴嘴包括鐘形的并圍繞所述空間的上游部的第一 級(jí)噴嘴、以及鐘形的并圍繞所述空間的下游部的第二級(jí)噴嘴。所述雙 鐘形噴嘴具有位于第一級(jí)噴嘴和第二級(jí)噴嘴之間的拐點(diǎn)。在引入氣體 中，將氣體從設(shè)置到第一級(jí)噴嘴的第一內(nèi)壁面上的第一氣體入口引入
所述空間內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種火箭噴嘴和一種用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃 燒氣體流的控制方法，利用該方法提供了燃燒氣體流狀態(tài)的適當(dāng)過(guò)渡。


通過(guò)下文結(jié)合附圖對(duì)特定實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述和其它目
的、優(yōu)點(diǎn)和特征將更加明顯，其中
圖l顯示了具有低膨脹比的鐘形噴嘴；圖2顯示了具有高膨脹比的鐘形噴嘴；
圖3是比較噴嘴的比沖與高度之間的關(guān)系的曲線圖4顯示了雙鐘形噴嘴；
圖5顯示了雙鐘形噴嘴內(nèi)的燃燒氣體流的低膨脹流狀態(tài)； 圖6顯示了雙鐘形噴嘴內(nèi)的燃燒氣體流的高膨脹流狀態(tài)； 圖7是包含根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的雙鐘形噴嘴的火箭噴嘴的示
意圖8是靠近根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的雙鐘形噴嘴的拐點(diǎn)處的放大
視圖9是解釋根據(jù)第一實(shí)施例的雙鐘形噴嘴效果的曲線圖； 圖10是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的雙鐘形噴嘴的示意圖ll是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的雙鐘形噴嘴的示意圖； 圖12是靠近根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的雙鐘形噴嘴的拐點(diǎn)處的放大
視圖13是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的雙鐘形噴嘴的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中將參照附圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的火箭噴嘴和用于火箭 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控制方法加以描述。
(第一實(shí)施例)
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)1?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)l 包括燃料艙2、氧化劑艙3、燃料渦輪泵4、氧化劑渦輪泵5和火箭噴嘴8。 燃料渦輪泵4包括泵4a和與泵4a—起轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪4b。氧化劑渦輪泵5包括 泵5a和與泵5a—起轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪5b。
火箭噴嘴8包括噴射器6、燃燒室7、雙鐘形噴嘴10、氣體引入部40A。 燃燒室7設(shè)有用于冷卻燃燒室7的壁面的冷卻路徑7a。雙鐘形噴嘴10包括 作為從喉部11到拐點(diǎn)12的部分的第一級(jí)噴嘴20和作為從拐點(diǎn)12到噴嘴 出口13的部分的第二級(jí)噴嘴30。拐點(diǎn)12設(shè)置在第一級(jí)噴嘴20與第二級(jí)噴嘴30之間。第一級(jí)噴嘴20和第二級(jí)噴嘴30的每一個(gè)都是鐘形的。雙 鐘形噴嘴10圍繞空間80。第一級(jí)噴嘴20圍繞空間80的上游部81。第二 級(jí)噴嘴30圍繞空間80的下游部82。第一級(jí)噴嘴20可被稱(chēng)為基部噴嘴。 第二級(jí)噴嘴30可被稱(chēng)為膨脹噴嘴。
歧管21到23沿第一級(jí)噴嘴20的周邊設(shè)置。歧管21到23的每一個(gè)都 是圓環(huán)形的。用于冷卻第一級(jí)噴嘴20的壁面的冷卻路徑20a設(shè)置到第一 級(jí)噴嘴20的位于歧管21與喉部11之間的部分。歧管22在歧管21的拐點(diǎn) 12—側(cè)設(shè)置為使得歧管22鄰近歧管21。歧管23設(shè)置在歧管22和拐點(diǎn)12 之間。用于冷卻第一級(jí)噴嘴20壁面的冷卻路徑20b設(shè)置到第一級(jí)噴嘴20 的位于歧管22和歧管23之間的部分。
氣體引入部40A包括管道41和沿第一級(jí)噴嘴20的周邊設(shè)置的歧管 42。歧管42是圓環(huán)形的。歧管42在歧管23的拐點(diǎn)12—側(cè)設(shè)置為使得歧 管42鄰近歧管23。管道41連接氧化劑渦輪泵5和歧管42。
燃料艙2存儲(chǔ)諸如液態(tài)氫的燃料。氧化劑艙3存儲(chǔ)諸如液態(tài)氧的氧 化劑。燃料渦輪泵4將來(lái)自燃料艙2的燃料供應(yīng)到噴射器6。氧化劑渦輪 泵5將來(lái)自氧化劑艙3的氧化劑供應(yīng)到噴射器6。噴射器6將燃料和氧化 劑混合，并將它們噴射到燃燒室7中。點(diǎn)燃所噴射的燃料和氧化劑從而 產(chǎn)生燃燒氣體。燃燒氣體從燃燒室7通過(guò)喉部11流入空間80中。燃燒氣 體按順序流過(guò)上游部81和下游部82，并從噴嘴出口13流出。
燃料渦輪泵4還將燃料從燃料艙2供應(yīng)到歧管21。在按順序經(jīng)過(guò)冷 卻路徑20a和冷卻路徑7a后，燃料從歧管21進(jìn)入歧管22。燃料從歧管22 通過(guò)冷卻路徑20b進(jìn)入歧管23，并且從歧管23供應(yīng)到燃料渦輪泵4。燃 料驅(qū)動(dòng)燃料渦輪泵4和氧化劑渦輪泵5。在驅(qū)動(dòng)燃料渦輪泵4和氧化劑渦 輪泵5之后，作為燃料的渦輪排氣通過(guò)管道41流入歧管42中。氣體引入 部40A將渦輪排氣引入空間80內(nèi)，以控制燃燒氣體流。
10參照?qǐng)D8，氣體引入部40A包括設(shè)置到第一級(jí)噴嘴20的內(nèi)壁面的入 口45以及連接歧管42和入口45的引入路徑43。入口45設(shè)置在拐點(diǎn)12的 上游側(cè)。引入路徑43包括錐形部44，該錐形部的流動(dòng)路徑的橫截面積 朝著入口45減小。已流入歧管42中的渦輪排氣從入口45通過(guò)引入路徑 43噴射到空間80中。渦輪排氣在經(jīng)過(guò)錐形部44時(shí)被加速。入口45將渦 輪排氣沿第一級(jí)噴嘴20的內(nèi)壁面向拐點(diǎn)12噴射為膜狀流。
從入口45噴射出的成為膜狀流的渦輪排氣防止在空間80內(nèi)流動(dòng)的 燃燒氣體在比最佳點(diǎn)更早的定時(shí)(較低高度)過(guò)渡到高膨脹流狀態(tài)。
還期望通過(guò)引入空間80內(nèi)的渦輪排氣對(duì)第二級(jí)噴嘴30的壁面的冷 卻效果。
參照?qǐng)D9，將描述本發(fā)明實(shí)施例的效果。圖9是顯示發(fā)射后性能(比 沖)隨時(shí)間變化的曲線圖。這個(gè)曲線圖的垂直軸代表性能(比沖)， 而水平軸代表自發(fā)射起的時(shí)間。性能曲線131顯示了在低膨脹流狀態(tài) (在該狀態(tài)下燃燒氣體流在拐點(diǎn)12處分開(kāi))的情況下火箭噴嘴8的性能 (比沖)隨時(shí)間的變化。性能曲線132顯示了在高膨脹流狀態(tài)(在該狀 態(tài)下燃燒氣體流在噴嘴出口13處分開(kāi))的情況下火箭噴嘴8的性能(比 沖)隨時(shí)間的變化。最有利的是在與性能曲線131與性能曲線132的交 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的定時(shí)，火箭噴嘴8內(nèi)的燃燒氣體流從低膨脹流狀態(tài)過(guò)渡到高膨 脹流狀態(tài)。將性能曲線131與性能曲線132的交點(diǎn)稱(chēng)為最佳過(guò)渡點(diǎn)130。 性能曲線133顯示了在沒(méi)有將渦輪排氣從入口45引入空間80中的情況 下火箭噴嘴8的性能的模擬效果。性能曲線134顯示了在將渦輪排氣從 入口45引入空間80中的情況下火箭噴嘴8的性能的模擬效果。
通過(guò)將渦輪排氣從入口45引入空間80中，從低膨脹流狀態(tài)過(guò)渡到 高膨脹流狀態(tài)的定時(shí)被延遲并被控制為接近最佳過(guò)渡點(diǎn)130。當(dāng)將過(guò)渡 的定時(shí)控制為接近最佳過(guò)渡點(diǎn)130時(shí)，過(guò)渡處比沖的減少幅度小，并抑 制了緊接該過(guò)渡后的振動(dòng)。
11(第二實(shí)施例)
除了將氣體引入部40A替換成氣體引入部40B之外，根據(jù)本發(fā)明第 二實(shí)施例的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)l構(gòu)造為與根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的火箭發(fā)動(dòng) 機(jī)1相同。參照?qǐng)DIO，除了上面所描述的管道41、歧管42、引入路徑43 和入口45外，氣體引入部40B還包括從管道41分支的排氣管46和設(shè)置到 排氣管46的閥47。閥47根據(jù)控制信號(hào)71而打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)閥47打開(kāi)時(shí)， 來(lái)自氧化劑渦輪泵5的渦輪排氣的一部分從入口45被引入空間80中，剩 余部分通過(guò)排氣管46被排出到大氣中。當(dāng)閥47關(guān)閉時(shí)，來(lái)自氧化劑渦 輪泵5的全部渦輪排氣從入口45被引入空間80內(nèi)。
包含火箭發(fā)動(dòng)機(jī)1的火箭高度H被監(jiān)控?；鸺陂y47打開(kāi)的狀態(tài)下 發(fā)射。之后，閥47保持開(kāi)啟，直到檢測(cè)到高度H超過(guò)了預(yù)定高度H1。例 如根據(jù)性能曲線133偏離性能曲線131的高度來(lái)確定該高度H1。由于火 箭周?chē)沫h(huán)境壓力在發(fā)射時(shí)以及緊隨發(fā)射后足夠高，所以即使當(dāng)渦輪 排氣從入口45引入空間80的流量小時(shí)，燃燒氣體流仍保持在低膨脹流 狀態(tài)。
當(dāng)檢測(cè)到高度H超過(guò)高度H1時(shí)，閥47關(guān)閉。之后，閥47保持關(guān)閉， 直到檢測(cè)到高度H超過(guò)了預(yù)定高度H2。例如根據(jù)上述最佳過(guò)渡點(diǎn)130來(lái) 確定該高度H2。高度H2高于H1。在火箭從高度H1上升到H2期間，將 從入口45引入空間80的渦輪排氣的流量控制為較大。因此，渦輪排氣 流保持在低膨脹流狀態(tài)。
當(dāng)檢測(cè)到高度H超過(guò)高度H2時(shí)，閩47打開(kāi)。之后，閥47保持開(kāi)啟。 通過(guò)打開(kāi)閥47來(lái)減小從入口45引入空間80內(nèi)的渦輪排氣的流量，來(lái)促 進(jìn)燃燒氣體從低膨脹流狀態(tài)到高膨脹流狀態(tài)的過(guò)渡。
在從發(fā)射到檢測(cè)到高度H超出高度H1的期間，可關(guān)閉閥47，然而， 期望通過(guò)打開(kāi)閥47來(lái)減小從入口45引入空間80內(nèi)的渦輪排氣的流量，來(lái)穩(wěn)定緊隨點(diǎn)火后的燃燒氣體流。 (第三實(shí)施例)
除了將氣體引入部40A替換成氣體引入部40C之外，根據(jù)本發(fā)明第 三實(shí)施例的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)l構(gòu)造為與根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的火箭發(fā)動(dòng) 機(jī)1相同。參照?qǐng)Dll，除了上面所描述的管道41、歧管42、引入路徑43 和入口45外，氣體引入部40C還包括設(shè)置到管道41上的三通閥51和設(shè)置 在歧管42的拐點(diǎn)12—側(cè)處的歧管52，從而歧管52與歧管42相鄰。通過(guò) 根據(jù)控制信號(hào)72在歧管42和歧管52之間轉(zhuǎn)換，三通閥51將它們中的一 個(gè)連接到氧化劑渦輪泵5。來(lái)自氧化劑渦輪泵5的渦輪排氣根據(jù)三通閥 51的轉(zhuǎn)換狀態(tài)流入歧管42或歧管52中。
參照?qǐng)D12，歧管52沿第一級(jí)噴嘴20 (或拐點(diǎn)12)的周邊設(shè)置。歧 管52是圓環(huán)形的。氣體引入部40C包括設(shè)置到第二級(jí)噴嘴30的內(nèi)壁面上 的入口55以及連接歧管52和入口55的引入路徑53。引入路徑53包括錐 形部54，該錐形部的流動(dòng)路徑的橫截面積朝著入口55減小。已流入到 歧管52中的渦輪排氣通過(guò)引入路徑53從入口55噴射到空間80中。渦輪 排氣在流過(guò)錐形部54時(shí)被加速。入口55將渦輪排氣沿第二級(jí)噴嘴30的 內(nèi)壁面向噴嘴出口 13噴射為膜狀流。
監(jiān)控火箭的高度H?；鸺谌ㄩy51連接歧管52和氧化劑渦輪泵5 的狀態(tài)下發(fā)射。當(dāng)歧管52連接到氧化劑渦輪泵5時(shí)，入口55連接到氧化 劑渦輪泵5。三通閥51保持連接歧管52和氧化劑渦輪泵5，直到檢測(cè)到 高度H超過(guò)上述的高度H1。由于火箭周?chē)沫h(huán)境壓力在發(fā)射時(shí)以及緊隨 發(fā)射后足夠高，所以即使當(dāng)渦輪排氣沒(méi)有從位于拐點(diǎn)12上游側(cè)的入口 45引入空間80中時(shí)，燃燒氣體流仍保持在低膨脹流狀態(tài)。
當(dāng)檢測(cè)到高度H超過(guò)高度H1時(shí)，三通閥51從連接歧管52和氧化劑 渦輪泵5的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到連接歧管42和氧化劑渦輪泵5的狀態(tài)。之后，三 通閥51保持連接歧管42和氧化劑渦輪泵5的狀態(tài)，直到檢測(cè)到高度H超
13過(guò)了預(yù)定高度H2。當(dāng)歧管42連接到氧化劑渦輪泵5時(shí)，入口45連接到氧 化劑渦輪泵5。在火箭從高度H1上升到H2期間，渦輪排氣從氧化劑渦輪 泵5通過(guò)歧管42流向入口45并引入空間80中。因此，渦輪排氣流保持在 低膨脹流狀態(tài)。
當(dāng)檢測(cè)到高度H超過(guò)高度H2時(shí)，三通閥51從連接歧管42和氧化劑 渦輪泵5的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到連接歧管52和氧化劑渦輪泵5的狀態(tài)。之后，三 通閥51保持連接歧管52和氧化劑渦輪泵5的狀態(tài)。通過(guò)利用三通閥51停 止從入口45到空間80內(nèi)的引入，來(lái)促進(jìn)渦輪排氣從燃燒氣體的低膨脹 流狀態(tài)到高膨脹流狀態(tài)的過(guò)渡。在火箭上升到高度H2之上期間，渦輪 排氣從氧化劑渦輪泵5通過(guò)歧管52流向入口55并引入空間80中。因此， 第二級(jí)噴嘴30的內(nèi)壁面被薄膜冷卻。
在從發(fā)射到檢測(cè)到高度H超出高度H1的期間，三通閥51可保持在 連接歧管42和氧化劑渦輪泵5的狀態(tài)，然而，期望通過(guò)保持連接歧管52 和氧化劑渦輪泵5的狀態(tài)來(lái)穩(wěn)定緊隨點(diǎn)火后的燃燒氣體流。
(第四實(shí)施例)
除了將氣體引入部40A替換成氣體引入部40D，以及在驅(qū)動(dòng)燃料渦 輪泵4和氧化劑渦輪泵5之前通過(guò)燃料冷卻第二級(jí)噴嘴30的壁面之外， 根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)l構(gòu)造為與根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施 例的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)l相同。
參照?qǐng)D13，在根據(jù)本實(shí)施例的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)l中，歧管24沿第一級(jí)噴 嘴20的周邊設(shè)置。歧管24設(shè)置在歧管23與拐點(diǎn)12之間。歧管23和歧管 24通過(guò)設(shè)置在雙鐘形噴嘴10的外部的管道48彼此連接。歧管31沿噴嘴 出口13設(shè)置。歧管24和31的每一個(gè)都是圓環(huán)形的。第二級(jí)噴嘴30設(shè)有 用于冷卻第二級(jí)噴嘴30的壁面的冷卻路徑30a。已經(jīng)通過(guò)冷卻路徑20b 進(jìn)入歧管23的燃料通過(guò)管道48進(jìn)入歧管24。然后，該燃料通過(guò)冷卻路 徑30a進(jìn)入歧管31并從歧管31供應(yīng)到燃料渦輪泵4的渦輪4b。在驅(qū)動(dòng)燃料渦輪泵4和氧化劑渦輪泵5之后，將該燃料排出。氣體引入部40D包括設(shè)置到第一級(jí)噴嘴20的外壁面的空氣進(jìn)口62、 設(shè)置到第一級(jí)噴嘴20的內(nèi)壁面的入口63、連接空氣進(jìn)口62和入口63的 空氣路徑61、滑塊64和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)65。滑塊64通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)65驅(qū)動(dòng)以打 開(kāi)和關(guān)閉空氣進(jìn)口62。入口63設(shè)置在拐點(diǎn)12的上游側(cè)。監(jiān)控火箭的高度H。火箭在滑塊64設(shè)置在關(guān)閉空氣進(jìn)口62的位置處 的狀態(tài)下發(fā)射。之后，滑塊64保持在關(guān)閉空氣進(jìn)口62的位置處，直到 檢測(cè)到高度H超過(guò)了上述的高度H1。由于火箭周?chē)沫h(huán)境壓力在發(fā)射時(shí) 以及緊隨發(fā)射后足夠高，所以即使當(dāng)空氣沒(méi)有從入口63引入空間80中 時(shí)，燃燒氣體流仍保持在低膨脹流狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到高度H超過(guò)了高度H1時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)65使滑塊64滑動(dòng)到不 關(guān)閉空氣進(jìn)口62的位置。之后，滑塊64保持在不關(guān)閉空氣進(jìn)口62的位 置，直到檢測(cè)到高度H超過(guò)了上述的高度H2。在火箭從高度H1上升到 高度H2的期間，空氣從入口63引入空間80中。因此，渦輪排氣的流動(dòng) 保持在低膨脹流狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到高度H超過(guò)了高度H2時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)65使滑塊64滑動(dòng)到關(guān) 閉空氣進(jìn)口62的位置。通過(guò)停止空氣從入口63到空間80內(nèi)的引入，來(lái) 促進(jìn)燃燒氣體從低膨脹流狀態(tài)到高膨脹流狀態(tài)的過(guò)渡。在此之后，滑塊64保持在關(guān)閉空氣進(jìn)口62的位置。防止燃燒氣體 通過(guò)空氣路徑61泄漏到外部。在從發(fā)射到檢測(cè)到高度H超出高度H1的期間，滑塊64可保持在不 關(guān)閉空氣進(jìn)口62的位置，然而，期望通過(guò)關(guān)閉空氣進(jìn)口62來(lái)穩(wěn)定緊隨 點(diǎn)火后的燃燒氣體流。氣體引入部40D可應(yīng)用于固體燃料火箭。在第四實(shí)施例中，第二級(jí) 噴嘴30的壁面可被薄膜冷卻。當(dāng)將氣體引入部40A到40D應(yīng)用于包括發(fā)動(dòng)機(jī)組的火箭時(shí)，容易使 用于多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)渡定時(shí)同步。由此，穩(wěn)定了包括發(fā)動(dòng)機(jī)組的火箭 的姿態(tài)控制。此外，氣體引入部40A到40D在火箭再進(jìn)入大氣層時(shí)是有效的。在第二到第四實(shí)施例中，通過(guò)基于火箭的高度H來(lái)控制從設(shè)置到第 一級(jí)噴嘴20的內(nèi)壁面的入口45或63引入空間80中的氣體流量可更精確 地控制過(guò)渡定時(shí)。上面的實(shí)施例可表達(dá)如下。在下面的描述中，添加數(shù)字以指示圖 中的相應(yīng)實(shí)例。一種火箭噴嘴包括雙鐘形噴嘴(10)和構(gòu)造為將氣體引入由該雙 鐘形噴嘴圍繞的空間(80)內(nèi)的氣體引入部(40A、 40B、 40C、 40D)。 燃燒氣體在該空間中流動(dòng)。該雙鐘形噴嘴包括第一級(jí)噴嘴(20)和第 二級(jí)噴嘴(30)，該第一級(jí)噴嘴是鐘形的并且圍繞該空間的上游部(81)， 該第二級(jí)噴嘴是鐘形的并且圍繞該空間的下游部(82)。雙鐘形噴嘴 具有位于第一級(jí)噴嘴和第二級(jí)噴嘴之間的拐點(diǎn)(12)。該氣體引入部 包括設(shè)置到第一級(jí)噴嘴的第一內(nèi)壁面上的第一氣體入口 (45、 63)。 將氣體從第一氣體入口引入該空間中。優(yōu)選將驅(qū)動(dòng)渦輪泵(4、 5)之后的渦輪排氣用作該氣體。優(yōu)選第一氣體入口將氣體沿第一內(nèi)壁面噴射為膜狀流。優(yōu)選氣體引入部包括沿第一級(jí)噴嘴周邊設(shè)置的第一歧管(42)以及連接該第一歧管和該第一入口的第一路徑(43)。該第一路徑包括 其流動(dòng)路徑的橫截面積朝著第一入口減小的部分(44)。渦輪排氣從 渦輪泵流入該歧管內(nèi)，并通過(guò)該第一路徑流向第一入口。優(yōu)選氣體引入部包括連接渦輪泵和第一歧管的管道(41)、從該 管道分支的排氣管(46)以及設(shè)置到該排氣管的閥(47)。優(yōu)選閥基于包括火箭噴嘴的火箭的高度工作。優(yōu)選氣體引入部包括設(shè)置到第二級(jí)噴嘴的第二內(nèi)壁面的第二氣體 入口 (55)以及三通閥(51)。第一氣體入口、第二氣體入口和渦輪 泵的每一個(gè)都連接到該三通閥。該第二氣體入口將渦輪排氣沿第二內(nèi) 壁面噴射為膜狀流。優(yōu)選三通閥在第一氣體入口和第二氣體入口之間轉(zhuǎn)換，以將第一 氣體入口和第二氣體入口中的一個(gè)連接到渦輪泵。優(yōu)選將空氣用作該氣體。優(yōu)選氣體引入部包括設(shè)置到第一級(jí)噴嘴的外壁面的空氣進(jìn)口 (62)、連接該空氣進(jìn)口和第一氣體入口的空氣路徑(61)以及構(gòu)造 為打開(kāi)和關(guān)閉該空氣進(jìn)口的滑塊(64)。一種用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控制方法包括將氣體引入 由雙鐘形噴嘴(10)圍繞的空間(80)中。燃燒氣體在該空間中流動(dòng)。 該雙鐘形噴嘴包括第一級(jí)噴嘴(20)和第二級(jí)噴嘴(30)，該第一級(jí) 噴嘴是鐘形的并且圍繞該空間的上游部(81)，該第二級(jí)噴嘴是鐘形 的并且圍繞該空間的下游部(82)。雙鐘形噴嘴具有位于第一級(jí)噴嘴 和第二級(jí)噴嘴之間的拐點(diǎn)(12)。在引入氣體中，將氣體從設(shè)置到第 一級(jí)噴嘴的第一內(nèi)壁面的第一氣體入口 (45、 63)引入該空間中。在引入氣體中，優(yōu)選基于包含雙鐘形噴嘴的火箭的高度來(lái)控制氣 體的流量。優(yōu)選將驅(qū)動(dòng)渦輪泵(4、 5)之后的渦輪排氣用作該氣體。排氣管 (46)從管道(41)分支，用于將渦輪排氣從渦輪泵引向第一氣體入 口。閥(47)設(shè)置到該排氣管。在引入氣體中，優(yōu)選當(dāng)檢測(cè)到火箭的 高度超過(guò)第一高度時(shí)，已關(guān)閉的閥打開(kāi)。優(yōu)選火箭在閥打開(kāi)的狀態(tài)下發(fā)射。在引入氣體中，優(yōu)選當(dāng)檢測(cè)到 火箭的高度超過(guò)低于該第一高度的第二高度時(shí)，已打開(kāi)的閥關(guān)閉。優(yōu)選將驅(qū)動(dòng)渦輪泵(4、 5)之后的渦輪排氣用作該氣體。第二氣 體入口 (55)設(shè)置到第二級(jí)噴嘴的第二內(nèi)壁面。該第二氣體入口將渦 輪排氣沿第二內(nèi)壁面噴射為膜狀流。第一體入口和第二氣體入口的每 一個(gè)通過(guò)三通閥(51)連接到渦輪泵。在引入氣體中，優(yōu)選當(dāng)檢測(cè)到 火箭的高度超過(guò)第一高度時(shí)，該三通閥從允許排氣流向第一氣體入口 的第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換到允許排氣流向第二氣體入口的第二狀態(tài)。優(yōu)選火箭在三通閥處于第二狀態(tài)的情況下發(fā)射。在引入氣體中， 優(yōu)選當(dāng)檢測(cè)到火箭的高度超過(guò)低于該第一高度的第二高度時(shí)，三通閥 從第二狀態(tài)轉(zhuǎn)換到第一狀態(tài)。優(yōu)選將空氣用作該氣體。第一氣體入口通過(guò)空氣路徑(61)連接 到設(shè)置到第一級(jí)噴嘴的外壁面的空氣進(jìn)口 (62)。在引入氣體中，優(yōu) 選當(dāng)檢測(cè)到火箭的高度超過(guò)第一高度時(shí)，滑塊(64)從不關(guān)閉該空氣 進(jìn)口的第一位置滑動(dòng)到關(guān)閉該空氣進(jìn)口的第二位置。優(yōu)選火箭在滑塊設(shè)置在第二位置的情況下發(fā)射。在引入氣體中， 優(yōu)選當(dāng)檢測(cè)到火箭的高度超過(guò)低于該第一高度的第二高度時(shí)，滑塊從第二位置滑動(dòng)到第一位置。盡管上文已經(jīng)結(jié)合了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述， 但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)地是，所提供的這些實(shí)施例僅僅 是為了示例本發(fā)明，而不應(yīng)根據(jù)這些實(shí)施例來(lái)以限制性的意義解釋附帶的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種火箭噴嘴，包括雙鐘形噴嘴；以及氣體引入部，其構(gòu)造為將氣體引入由所述雙鐘形噴嘴圍繞的空間內(nèi)，其中燃燒氣體在所述空間內(nèi)流動(dòng)，所述雙鐘形噴嘴包括第一級(jí)噴嘴，其是鐘形的并且圍繞所述空間的上游部；和第二級(jí)噴嘴，其是鐘形的并且圍繞所述空間的下游部，所述雙鐘形噴嘴具有位于所述第一級(jí)噴嘴和所述第二級(jí)噴嘴之間的拐點(diǎn)，所述氣體引入部包括設(shè)置到所述第一級(jí)噴嘴的第一內(nèi)壁面上的第一氣體入口，以及所述氣體從所述第一氣體入口引入所述空間內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火箭噴嘴，其中，將驅(qū)動(dòng)渦輪泵之后的渦輪排氣用作所述氣體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的火箭噴嘴，其中，所述第一氣體入口將 所述氣體沿所述第一內(nèi)壁面噴射為膜狀流。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的火箭噴嘴，其中，所述氣體引入部包括: 第一歧管，其沿所述第一級(jí)噴嘴的周邊設(shè)置；和第一路徑，其連接所述第一歧管和所述第一入口， 所述第一路徑包括其流動(dòng)路徑的橫截面積朝著所述第一入口減小 的一部分，以及所述渦輪排氣從所述渦輪泵流入所述歧管內(nèi)，并且通過(guò)所述第一 路徑流向所述第一入口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的火箭噴嘴，其中，所述氣體引入部包括: 管道，其連接所述渦輪泵和所述第一歧管；排氣管，其從所述管道分支；以及 閥，其設(shè)置到所述排氣管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的火箭噴嘴，其中，所述閥基于包括火箭 噴嘴的火箭的高度工作。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的火箭噴嘴，其中，所述氣體引入部 包括第二氣體入口，其設(shè)置于所述第二級(jí)噴嘴的第二內(nèi)壁面；和 三通閥，所述第一氣體入口、所述第二氣體入口和所述渦輪泵的每一個(gè)連 接到所述三通閥，所述第二氣體入口將所述渦輪排氣沿所述第二內(nèi)壁面噴射為膜狀流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的火箭噴嘴，其中，所述三通閥在所述第 一氣體入口和所述第二氣體入口之間轉(zhuǎn)換，以將所述第一氣體入口和所述第二氣體入口中的一個(gè)連接到所述渦輪泵。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火箭噴嘴，其中，將空氣用作所述氣體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的火箭噴嘴，其中，所述氣體引入部包括空氣進(jìn)口，其設(shè)置到所述第一級(jí)噴嘴的外壁面； 空氣路徑，其連接所述空氣進(jìn)口和所述第一氣體入口；和滑塊，其構(gòu)造為打開(kāi)和關(guān)閉所述空氣進(jìn)口。
11. 一種用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控制方法，包括將氣體引入由雙鐘形噴嘴圍繞的空間內(nèi)，其中燃燒氣體在所述空間內(nèi)流動(dòng)，所述雙鐘形噴嘴包括第一級(jí)噴嘴，其是鐘形的并圍繞所述空間的上游部；和 第二級(jí)噴嘴，其是鐘形的并圍繞所述空間的下游部； 所述雙鐘形噴嘴具有位于第一級(jí)噴嘴和第二級(jí)噴嘴之間的拐點(diǎn)， 在所述氣體的所述引入中，將所述氣體從所述第一級(jí)噴嘴的第一 內(nèi)壁面處設(shè)置的第一氣體入口引入所述空間內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控 制方法，其中，在所述氣體的所述引入中，基于包括所述雙鐘形噴嘴 的火箭的高度來(lái)控制所述氣體的流量。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控 制方法，其中，將驅(qū)動(dòng)渦輪泵之后的渦輪排氣用作所述氣體，從管道分支出排氣管，用于將所述渦輪排氣從所述渦輪泵引向所 述第一氣體入口，所述排氣管設(shè)置有閥，以及在所述氣體的所述引入中，當(dāng)檢測(cè)到所述火箭的所述高度超過(guò)第 一高度時(shí)，已關(guān)閉的所述閥打開(kāi)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控制方法，其中，所述火箭在所述閥打開(kāi)的狀態(tài)下發(fā)射，以及在所述氣體的所述引入中，當(dāng)檢測(cè)到所述火箭的所述高度超過(guò)低 于所述第一高度的第二高度時(shí)，已打開(kāi)的所述閥關(guān)閉。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控 制方法，其中，將驅(qū)動(dòng)渦輪泵之后的渦輪排氣用作所述氣體，所述第二級(jí)噴嘴的第二內(nèi)壁面設(shè)置有第二氣體入口， 所述第二氣體入口將所述渦輪排氣沿所述第二內(nèi)壁面噴射為膜狀流，所述第一氣體入口和所述第二氣體入口的每一個(gè)通過(guò)三通閥連接 到所述渦輪泵，以及在所述氣體的所述引入中，當(dāng)檢測(cè)到所述火箭的所述高度超過(guò)第 一高度時(shí)，所述三通閥從允許所述排氣流向所述第一氣體入口的第一 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到允許所述排氣流向所述第二氣體入口的第二狀態(tài)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控 制方法，其中，所述火箭在所述三通閥處在所述第二狀態(tài)的情況下發(fā) 射，以及在所述氣體的所述引入中，當(dāng)檢測(cè)到所述火箭的所述高度超過(guò)低 于所述第一高度的第二高度時(shí)，所述三通閥從所述第二狀態(tài)轉(zhuǎn)換到所 述第一狀態(tài)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控 制方法，其中，將空氣用作所述氣體，所述第一氣體入口通過(guò)空氣路徑連接到在所述第一級(jí)噴嘴的外壁 面設(shè)置的空氣進(jìn)口，以及在所述氣體的所述引入中，當(dāng)檢測(cè)到所述火箭的所述高度超過(guò)第 一高度時(shí)，滑塊從不關(guān)閉所述空氣進(jìn)口的第一位置滑動(dòng)到關(guān)閉所述空 氣進(jìn)口的第二位置。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控 制方法，其中，所述火箭在所述滑塊設(shè)置在所述第二位置的情況下發(fā) 射，以及在所述氣體的所述引入中，當(dāng)檢測(cè)到所述火箭的所述高度超過(guò)低 于所述第一高度的第二高度時(shí)，所述滑塊從所述第二位置滑動(dòng)到所述 第一位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種火箭噴嘴和用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒氣體流的控制方法。所述火箭噴嘴(8)，包括雙鐘形噴嘴(10)和構(gòu)造為將氣體引入由該雙鐘形噴嘴圍繞的空間(80)內(nèi)的氣體引入部(40A、40B、40C、40D)。燃燒氣體在該空間中流動(dòng)。該雙鐘形噴嘴包括第一級(jí)噴嘴(20)和第二級(jí)噴嘴(30)，該第一級(jí)噴嘴是鐘形的并且圍繞該空間的上游部(81)，該第二級(jí)噴嘴是鐘形的并且圍繞該空間的下游部(82)。雙鐘形噴嘴具有位于第一級(jí)噴嘴和第二級(jí)噴嘴之間的拐點(diǎn)(12)。該氣體引入部包括設(shè)置到第一級(jí)噴嘴的內(nèi)壁面上的氣體入口(45、63)。將氣體從該氣體入口引入該空間中。
文檔編號(hào)F02K9/97GK101539074SQ200810214930
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者丹生謙一, 川又善博, 木村龍也 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社