本發(fā)明屬于火箭運(yùn)載器動力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)及其工作方法。

背景技術(shù)：

空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)(ATR)是一個集合了搭配有火箭類燃燒室的常規(guī)風(fēng)扇和渦輪的推進(jìn)系統(tǒng)，集火箭發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)于一體，性能介于渦噴發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)之間。燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的高壓高能氣體的膨脹可以用比傳統(tǒng)渦輪噴氣循環(huán)發(fā)動機(jī)簡單許多的渦輪裝置來實(shí)現(xiàn)，且空氣增壓也可以利用比傳統(tǒng)渦輪噴氣循環(huán)發(fā)動機(jī)簡單許多的壓氣機(jī)裝置來實(shí)現(xiàn)。ATR非常突出的特點(diǎn)在于主動吸氣，能零速產(chǎn)生推力，工作范圍覆蓋了從地面到臨近空間的高度區(qū)間。利用環(huán)境的空氣，和火箭發(fā)動機(jī)相比有效降低飛行器推進(jìn)劑攜帶量。采用高性能火箭推進(jìn)劑和渦輪后補(bǔ)燃燃燒技術(shù)方案，推重比大(遠(yuǎn)大于10)。工作機(jī)理，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度低，可靠性高。其亞聲速工作狀態(tài)下像渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，在超聲速狀態(tài)下類似于有風(fēng)扇增壓的沖壓發(fā)動機(jī)。通過燃?xì)獍l(fā)生器的流量調(diào)節(jié)，ATR發(fā)動機(jī)可實(shí)現(xiàn)高推力加速、低推力巡航等任務(wù)。受風(fēng)扇葉片材料的溫度限制，發(fā)動機(jī)飛行速度范圍受到限制(一般在Ma4以下)。

沖壓發(fā)動機(jī)(RJ)最大特點(diǎn)就是其在高速飛行時性能良好，具有自適應(yīng)性，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。但是由于其性能與飛行狀態(tài)密切相關(guān)，低速或高空補(bǔ)燃室壓強(qiáng)過低，不足以形成穩(wěn)定燃燒。因此需要助推器助推至啟動馬赫數(shù)后，進(jìn)氣道啟動后發(fā)動機(jī)才能正常工作，產(chǎn)生的推力克服阻力實(shí)現(xiàn)飛行器的飛行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)及其工作方法，以解決現(xiàn)有發(fā)動機(jī)從亞音速到超音速直至超音速的飛行過程中模態(tài)無法平穩(wěn)轉(zhuǎn)換的問題。

本發(fā)明采用的第一種技術(shù)方案是，空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)，包括共用進(jìn)氣道且共用尾噴管的空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣道的管道上設(shè)置有進(jìn)氣道導(dǎo)向器；

進(jìn)氣道導(dǎo)向器，用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)低速啟動時，轉(zhuǎn)向并封閉沖壓發(fā)動機(jī)的入口，以將進(jìn)氣道與空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部連通；還用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)速度大于等于3馬赫時，轉(zhuǎn)向并封閉空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)的入口，以將進(jìn)氣道與沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部連通，以啟動沖壓發(fā)動機(jī)。

進(jìn)一步的，進(jìn)氣道導(dǎo)向器為鉸接在進(jìn)氣道中部的擋板，進(jìn)氣道導(dǎo)向器連接有電機(jī)動作機(jī)構(gòu)，并通過電機(jī)動作機(jī)構(gòu)以控制進(jìn)氣道導(dǎo)向器的轉(zhuǎn)動。

進(jìn)一步的，空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部從進(jìn)氣道一側(cè)起，依次設(shè)置有渦輪增壓系統(tǒng)和ATR燃燒室，渦輪增壓系統(tǒng)包括共軸設(shè)置的壓氣機(jī)和渦輪，渦輪通過節(jié)流閥連接有燃?xì)獍l(fā)生器。

進(jìn)一步的，沖壓發(fā)動機(jī)包括與進(jìn)氣道連通設(shè)置的雙模沖壓燃燒室。

進(jìn)一步的，雙模沖壓燃燒室上設(shè)有火焰穩(wěn)定器。

本發(fā)明采用的第二種技術(shù)方案是，上述空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)的工作方法，按照以下步驟實(shí)施：

步驟1、空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)在啟動及低速條件下，進(jìn)氣道導(dǎo)向器轉(zhuǎn)向沖壓發(fā)動機(jī)，沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道關(guān)閉，空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道打開；

步驟2、通過渦輪增壓系統(tǒng)對進(jìn)入共用進(jìn)氣道的空氣進(jìn)行增壓，將經(jīng)過增壓后的空氣和渦輪增壓系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓燃?xì)膺M(jìn)行摻混，摻混后的氣體在ATR燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，最后通過噴管排出，產(chǎn)生推力；

步驟3、當(dāng)空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)的速度超過3馬赫，進(jìn)氣道導(dǎo)向器轉(zhuǎn)向空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)，空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道關(guān)閉，沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道打開并開始工作。

進(jìn)一步的，渦輪增壓系統(tǒng)的具體工作過程為：通過燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生高壓燃?xì)庖则?qū)動渦輪做功，渦輪帶動壓氣機(jī)來對進(jìn)入共用進(jìn)氣道的空氣進(jìn)行增壓。

本發(fā)明有益效果是：基于ATR與RJ在性能上的互補(bǔ)性，將此兩種形式的發(fā)動機(jī)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，即空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)，使其具備零速啟動，自加速，大推力，高比沖，高超聲速等特點(diǎn)，應(yīng)用上主要作為彈用動力系統(tǒng)的備選方案，工作在大氣層內(nèi)，具有高超聲速飛行能力。同樣作為運(yùn)載系統(tǒng)，可作為兩級入軌的第一級飛行器平臺，作為未來作戰(zhàn)中全球高超聲速飛行器的動力，具有非常好的潛在應(yīng)用價值。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.進(jìn)氣道，2.進(jìn)氣道導(dǎo)向器，3.火焰穩(wěn)定器4.雙模沖壓燃燒室，5.尾噴管，6.ATR燃燒室，7.渦輪，8.節(jié)流閥，9.燃?xì)獍l(fā)生器，10.壓氣機(jī)。

【具體實(shí)施方式】

下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

本發(fā)明提供了一種空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)，如圖1所示，包括共用進(jìn)氣道1且共用尾噴管5的空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)，空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)為上下并聯(lián)的結(jié)構(gòu)布局，共用進(jìn)氣道和尾噴管可以起到減小空氣阻力的作用。

進(jìn)氣道1的管道上設(shè)置有進(jìn)氣道導(dǎo)向器2。進(jìn)氣道導(dǎo)向器2，用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)低速啟動時，轉(zhuǎn)向并封閉沖壓發(fā)動機(jī)的入口，以將進(jìn)氣道1與空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部連通；還用于在空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)速度大于等于3馬赫時，轉(zhuǎn)向并封閉空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)的入口，以將進(jìn)氣道1與沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部連通，并將速度提升到6馬赫。

進(jìn)氣道導(dǎo)向器2為鉸接在進(jìn)氣道1中部的擋板，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2連接有電機(jī)動作機(jī)構(gòu)，并通過電機(jī)動作機(jī)構(gòu)以控制進(jìn)氣道導(dǎo)向器2的轉(zhuǎn)動。當(dāng)達(dá)到?jīng)_壓工作馬赫數(shù)時，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)工作模式轉(zhuǎn)換到?jīng)_壓發(fā)動機(jī)工作模式，而不存在中間過渡狀態(tài)，工作穩(wěn)定。

空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部從進(jìn)氣道1一側(cè)起，依次設(shè)置有渦輪增壓系統(tǒng)和ATR燃燒室6，渦輪增壓系統(tǒng)包括共軸設(shè)置的壓氣機(jī)10和渦輪7，渦輪7通過節(jié)流閥8連接有燃?xì)獍l(fā)生器9。

沖壓發(fā)動機(jī)包括與進(jìn)氣道1連通設(shè)置的雙模沖壓燃燒室4。雙模沖壓燃燒室4上設(shè)有火焰穩(wěn)定器3。由于在燃燒室內(nèi)燃?xì)饬魉佥^快，尤其在高馬赫數(shù)下，進(jìn)氣道擴(kuò)亞減速后空氣進(jìn)入燃燒室，速度依然較大，火焰穩(wěn)定器3在其后方形成一個回流區(qū)，利于油氣的摻混和燃燒。

本發(fā)明空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)的工作方法如下：

步驟1、空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)啟動或低速條件下，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2轉(zhuǎn)向所述沖壓發(fā)動機(jī)，沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道關(guān)閉，空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道打開；

步驟2、通過燃?xì)獍l(fā)生器9產(chǎn)生高壓燃?xì)庖则?qū)動渦輪7做功，所述渦輪7帶動壓氣機(jī)10來壓縮空氣，以對進(jìn)入共用進(jìn)氣道1的空氣進(jìn)行增壓，經(jīng)過增壓后的空氣為旋流，能促進(jìn)其與渦輪7后的高壓燃?xì)膺M(jìn)行摻混，將經(jīng)過增壓后的空氣和渦輪增壓系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓燃?xì)膺M(jìn)行摻混，摻混燃?xì)庠贏TR燃燒室6內(nèi)進(jìn)行燃燒，最后通過尾噴管5排出，產(chǎn)生推力；

步驟3、當(dāng)空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)的速度超過3馬赫，進(jìn)氣道導(dǎo)向器2轉(zhuǎn)向空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)，空氣渦輪沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道關(guān)閉，沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道打開并開始持續(xù)工作，可以將空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)速度提升到6馬赫。

由上述可知，本發(fā)明空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)在低速條件下，采用ATR模式。由于初始來流空氣總壓較低，在ATR燃燒室中組織燃燒極為困難且效率很低，因此通過空氣渦流沖壓發(fā)動機(jī)的渦輪壓氣機(jī)，對來流空氣增壓來提高燃燒室入口空氣壓力及溫度；通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥8提高燃?xì)獍l(fā)生器9的流量來提高來流空氣總溫總壓以及增大空氣流量，起到增大發(fā)動機(jī)推力的作用，以使發(fā)動機(jī)加速?？諝鉁u流沖壓發(fā)動機(jī)讓空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)加速到大約3馬赫，然后由沖壓式發(fā)動機(jī)將空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)速度提升到6馬赫。

空氣渦流沖壓發(fā)動機(jī)本身具備零速自啟動，加速至超音速工作的能力，但是由于部件材料的受熱溫度極限，例如壓氣機(jī)10，使得空氣渦流沖壓發(fā)動機(jī)工作馬赫數(shù)存在一個上限，通常在3馬赫左右，和航空發(fā)動機(jī)接近。而沖壓發(fā)動機(jī)工作性能可以達(dá)到一個較高的水平，通常在6馬赫左右。沖壓發(fā)動機(jī)通?？梢栽?.5馬赫啟動，但是性能較差，從2.5馬赫過渡到3馬赫這一個過程，需要助推，因此本發(fā)明選用推力比大的空氣渦流沖壓發(fā)動機(jī)來啟動沖壓發(fā)動機(jī)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了兩個發(fā)動機(jī)的有機(jī)結(jié)合，并且充分利用各自的最優(yōu)工作階段，借助進(jìn)氣導(dǎo)向器2的轉(zhuǎn)換配合，實(shí)現(xiàn)了不同工作模態(tài)間的高效平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明的空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)，與單獨(dú)的固體火箭發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)以及渦噴發(fā)動機(jī)相比，具備以下優(yōu)勢和特點(diǎn)：

(1)具備自啟動和零速加速的能力，能像渦噴發(fā)動機(jī)一樣工作在亞聲速和超聲速條件下，比沖高，推重比大的優(yōu)點(diǎn)；

(2)通過調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器流量以及節(jié)流閥大小可以實(shí)現(xiàn)ATR發(fā)動機(jī)推力大小的調(diào)節(jié)，是發(fā)動機(jī)具備機(jī)動飛行，長航程以及變彈道的能力；

(3)高速下，發(fā)動機(jī)沖壓模態(tài)啟動，發(fā)動機(jī)比沖大大提高，可在沖壓模態(tài)下實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)高空高速突防；

(4)組合發(fā)動機(jī)具備高空域(0～30km)和高速域(0～Ma6)，可作為高速運(yùn)載平臺動力系統(tǒng)，也可作為高速武器動力系統(tǒng)，都是具有良好的應(yīng)用前景。

目前，絕大部分的長航程巡航導(dǎo)彈都是亞音速飛行的，但是空氣渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)結(jié)合ATR與RJ性能的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)巡航導(dǎo)彈航程的極大增加以及超音速至高超音速的飛行。其次，作為戰(zhàn)時的高超飛行器的載具，比如作為彈頭的前段加速，高超聲速巡航的一個飛行平臺，在末段攻擊段，分離，彈頭再加速攻擊目標(biāo)，解決了現(xiàn)有動力系統(tǒng)不能單獨(dú)并完全滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器系統(tǒng)超高聲速、超高空、高機(jī)動及高空域等方面動力要求的問題。