連續(xù)爆轟疊加沖壓制氧火箭工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]連續(xù)爆轟疊加沖壓制氧火箭工作方法涉及屬于航空及航天技術(shù)領(lǐng)域。用于未來空天飛機(jī)發(fā)動機(jī)及空天飛行器發(fā)動機(jī)，美國宇航局研制的X-43A超音速實(shí)驗(yàn)飛機(jī)，成功完成了速度約為10馬赫(即每小時11260公里)的試驗(yàn)飛行。這一速度創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄。
【背景技術(shù)】
[0002]高超音速飛行時(Ma>6.0)，進(jìn)氣道出口溫度迅速增加，例如飛行馬赫數(shù)Ma = 6.0,燃燒室進(jìn)口的馬赫數(shù)若仍然限制在Ma = 0.2左右時，則相應(yīng)的氣流溫度大約為1600K，飛行馬赫數(shù)Ma = 10時，氣流在燃燒室進(jìn)口的溫度可高達(dá)3600K。這樣高的溫度，氣流對發(fā)動機(jī)壁面的單位熱流量很大；燃燒室進(jìn)口空氣的溫度很高，燃料燃燒所放出熱量的相當(dāng)一部分可能消耗在燃燒產(chǎn)物的離解上，使燃燒效率很低；進(jìn)氣道和尾噴管中氣流的壓力變化很大，氣流動能損失會很大；由于尾噴管進(jìn)口與出口的壓力比很大，且燃?xì)庠谄渲型Ａ舻臅r間太短，離解的產(chǎn)物來不及復(fù)合，離解所消耗的熱量收回的很少。上述因素都說明，高超音速飛行時如果仍然采用亞音速燃燒，沖壓發(fā)動機(jī)的性能將嚴(yán)重的惡化，若飛行馬赫數(shù)Ma = 10，采用煤油作燃料的亞燃沖壓發(fā)動機(jī)將不能產(chǎn)生推力。如果減小氣流在進(jìn)氣道中的減速增壓程度，使進(jìn)氣道出口保持超聲速流動，同時使燃燒室的整個燃燒過程都在超音速條件下進(jìn)行，就有可能減小向發(fā)動機(jī)壁面的熱流；減小進(jìn)氣道和尾噴管中的動能損失；減小燃燒產(chǎn)物離解所造成的熱能損失，。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]圖1是連續(xù)爆轟疊加沖壓制氧火箭圖，簡而言之:就是將炸藥爆炸在可控制爆炸強(qiáng)度的狀態(tài)下作為《疊加沖壓制氧火箭》(已審報專利，在進(jìn)行中)火箭推進(jìn)劑，火箭在超高聲速飛行中制氧及攜帶較少的液氧。連續(xù)爆轟疊加沖壓制氧火箭的組成:由頭部小火箭1、內(nèi)吸氣涵道2 (或、與外吸涵道3、吸氣室4、拉瓦爾噴嘴5、擴(kuò)散管a6、火箭燃燒室7、閥門8、點(diǎn)火處a9、燃料加注點(diǎn)alO、燃料加注點(diǎn)bll、內(nèi)吸氣涵道喇叭口燃料加注點(diǎn)bl2、燃料加注點(diǎn)cl3、燃料加注點(diǎn)dl4、擴(kuò)散管bl5、外吸氣涵道bl6、吸氣吼17、點(diǎn)火處bl8、沖壓吸氣管19、制氧吸氣管20、制氧設(shè)備21、非氧排氣管22。
[0004]能夠在零速飛、速度使空氣產(chǎn)生的壓力能滿足沖壓吸氣條件時進(jìn)入沖壓吸氣(停止頭部小火箭的驅(qū)動吸氣方式)，速度使空氣產(chǎn)生的壓力可以滿足制氧條件時，可以制氧。當(dāng)飛出大氣層關(guān)閉所有的閥門8，進(jìn)入燃燒液氫、液氧飛行傳統(tǒng)模式，在太空工作完成后返回大氣層，頭部小火箭再次點(diǎn)火驅(qū)動吸氣，啟動爆轟疊加沖壓制氧火箭，重新返回地面，此火箭是可以反復(fù)使用的火箭。
[0005]相同的火箭，疊加與沒有疊加相比在大氣層中消耗相同數(shù)量的液氧飛行時，疊加火箭的推力可以大幾倍甚至于大十幾倍，疊加火箭適應(yīng)于建造大推力火箭，由于火箭推進(jìn)劑是使用的炸藥，速度可達(dá)高超聲速飛行。
【附圖說明】
[0006]圖1是多根內(nèi)吸氣涵道連續(xù)爆轟疊加沖壓制氧火箭圖，如圖所示，頭部小火箭I點(diǎn)燃后(是需要攜帶燃料及液氧的傳統(tǒng)火箭)，將高速火焰氣流噴入擴(kuò)散管a6中，吸氣室4會產(chǎn)生負(fù)壓，將空氣由4根內(nèi)吸氣涵道2、吸至吸氣室4后被壓入擴(kuò)散管a6中，這四根內(nèi)吸氣涵道是從頭部小火箭I內(nèi)部穿過的，在燃料加點(diǎn)alO、燃料加注點(diǎn)bll加注火箭推進(jìn)劑，在點(diǎn)火處a9點(diǎn)火(或是拉瓦爾噴嘴5的火焰點(diǎn)火)后，物料在擴(kuò)散管a6大喇叭口處產(chǎn)生爆轟，產(chǎn)生的高速火焰氣流噴入擴(kuò)散管bl5中，外吸氣涵道bl6會產(chǎn)生負(fù)壓，將空氣由吸氣孔17及外吸氣涵道bl6吸入，在燃料加注點(diǎn)cl3、燃料加注點(diǎn)dl4加注火箭推進(jìn)劑，與空氣混合的火箭推進(jìn)劑被推入擴(kuò)散管bl5中，在點(diǎn)火處bl8(或利用擴(kuò)散管a6的火焰點(diǎn)火)點(diǎn)火，混合空氣的火箭推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室7中產(chǎn)生爆轟，另一部分空氣經(jīng)吸氣孔17及外吸氣涵道bl6沖壓吸入(當(dāng)火箭的速度產(chǎn)生的壓力，能夠滿足沖壓條件時)、沖壓至沖壓吸氣管19(開啟這根管上的閥門8、根據(jù)需要可以在此管前端加注火箭推時劑及設(shè)置點(diǎn)火處)，匯入擴(kuò)散管bl5的大喇叭口，續(xù)進(jìn)入燃料室7產(chǎn)生爆轟，推動火箭飛行，當(dāng)火箭的速度使沖壓的壓力滿足制氧條件時，開啟制氧吸氣管20上的閥門8，空氣經(jīng)吸氣孔17、外吸氣涵道bl6制氧吸氣管20進(jìn)入制氧設(shè)備制氧，制氧后的非氧氣體及雜質(zhì)，經(jīng)管非氧排出管(開啟這根管道上的閥門8)及火箭尾部喇叭口排出。
[0007]圖2是內(nèi)、外吸氣涵道連續(xù)爆轟疊加沖壓制氧火箭圖，如圖所示，4根內(nèi)吸氣涵道2，從頭部小火箭I的前方穿入內(nèi)部到外吸氣涵道3穿出(吸氣室4與外吸氣涵道3溶合)，頭部小火箭I點(diǎn)燃后(是需要攜帶燃料及液氧的傳統(tǒng)火箭)，將高速火焰氣流噴入擴(kuò)散管a6中，外吸氣涵道3會產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓將空氣由4根內(nèi)吸氣涵道2、外吸氣涵道3吸入，這四根內(nèi)吸氣涵道是從頭部小火箭I內(nèi)部穿過的，在燃料加點(diǎn)alO、燃料加注點(diǎn)bll加注火箭推進(jìn)劑，在點(diǎn)火處a9點(diǎn)火(或是拉瓦爾噴嘴5的火焰點(diǎn)火)后，物料在擴(kuò)散管a6大喇叭口處產(chǎn)生爆轟，產(chǎn)生的高速火焰氣流噴入擴(kuò)散管bl5中，外吸氣涵道bl6會產(chǎn)生負(fù)壓，將空氣由吸氣孔17及外吸氣涵道bl6吸入，在燃料加注點(diǎn)cl3、燃料加注點(diǎn)dl4加注火箭推進(jìn)劑，與空氣混合的火箭推進(jìn)劑被推入擴(kuò)散管bl5中，在點(diǎn)火處bl8(或利用擴(kuò)散管a6的火焰點(diǎn)火)點(diǎn)火，混合空氣的火箭推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室7中產(chǎn)生爆轟，另一部分空氣經(jīng)吸氣孔17及外吸氣涵道bl6沖壓吸入(當(dāng)火箭的速度產(chǎn)生的壓力，能夠滿足沖壓吸氣條件時，頭部小火箭停止工作)、沖壓至沖壓吸氣管19(開啟這根管上的閥門8、根據(jù)需要可以在此管前端加注火箭推時劑及設(shè)置點(diǎn)火處)，匯入擴(kuò)散管bl5的大喇叭口，續(xù)進(jìn)入燃料室7產(chǎn)生爆轟，推動火箭飛行，當(dāng)火箭的速度使沖壓的壓力滿足制氧條件時，開啟制氧吸氣管20上的閥門8，空氣經(jīng)吸氣孔17、外吸氣涵道bl6進(jìn)入制氧吸氣管20，續(xù)進(jìn)入制氧設(shè)備制氧，制氧后的非氧氣體及雜質(zhì)，經(jīng)管非氧排出管(開啟這根管道上的閥門8)及火箭尾部喇叭口排出。
[0008]圖3是外吸氣涵道連續(xù)爆轟疊加沖壓制氧火箭圖，如圖所示，頭部小火箭I點(diǎn)燃后(是需要攜帶燃料及液氧的傳統(tǒng)火箭)，將高速火焰氣流噴入擴(kuò)散管a6中，外吸氣涵道3會產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓將空氣由外吸氣涵道a3吸入，在燃料加點(diǎn)alO、燃料加注點(diǎn)bll加注火箭推進(jìn)劑，在點(diǎn)火處a9點(diǎn)火(或是拉瓦爾噴嘴5的火焰點(diǎn)火)后，物料在擴(kuò)散管a6大喇叭口處產(chǎn)生爆轟，產(chǎn)生的高速火焰氣流噴入擴(kuò)散管bl5中，外吸氣涵道bl6會產(chǎn)生負(fù)壓，將空氣由吸氣孔17及外吸氣涵道bl6吸入，在燃料加注點(diǎn)cl3、燃料加注點(diǎn)dl4加注火箭推進(jìn)劑，與空氣混合的火箭推進(jìn)劑被推入擴(kuò)散管bl5中，在點(diǎn)火處bl8(或利用擴(kuò)散管a6的火焰點(diǎn)火)點(diǎn)火，混合空氣的火箭推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室7中產(chǎn)生爆轟，另一部分空氣經(jīng)吸氣孔17及外吸氣涵道bl6沖壓吸入(當(dāng)火箭的速度產(chǎn)生的壓力，能夠滿足沖壓吸氣條件時，頭部小火箭I停止工作)、沖壓至沖壓吸氣管19(開啟這根管上的閥門8、根據(jù)需要可以在此管前端加注火箭推時劑及設(shè)置點(diǎn)火處)，匯入擴(kuò)散管bl5的大喇叭口，續(xù)進(jìn)入燃料室7產(chǎn)生爆轟，推動火箭飛行，當(dāng)火箭的速度產(chǎn)生的沖壓的壓力能夠滿足制氧條件時，開啟制氧吸氣管20上的閥門8，空氣經(jīng)吸氣孔17、外吸氣涵道bl6制氧吸氣管20進(jìn)入制氧設(shè)備制氧，制氧后的非氧氣體及雜質(zhì)，經(jīng)管非氧排出管22(開啟這根管道上的閥門8)及火箭尾部喇叭口排出。
[0009]圖4是單內(nèi)吸氣涵道連續(xù)爆轟疊加沖壓制氧火箭圖，如圖所示，單根內(nèi)吸氣涵道2，從頭部小火箭I的前方正中央穿入內(nèi)部到頭部小火箭尾部穿出，頭部小火箭I點(diǎn)燃后(是需要攜帶燃料及液氧的傳統(tǒng)火箭)，將高速火焰氣流噴入擴(kuò)散管a6中，吸氣室4會產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓將空氣由單根內(nèi)吸氣涵道2吸入，在燃料加點(diǎn)alO、燃料加注點(diǎn)bll加注火箭推進(jìn)劑，在點(diǎn)火處a9點(diǎn)火(或是拉瓦爾噴嘴5的火焰點(diǎn)火)后，物料在擴(kuò)散管a6大喇叭口處產(chǎn)生爆轟，產(chǎn)生的高速爆震波及火焰氣流噴入擴(kuò)散管bl5中，外吸氣涵道bl6會產(chǎn)生負(fù)壓，將空氣由吸氣孔17吸入，在燃料加注點(diǎn)cl3、燃料加注點(diǎn)dl4加注火箭推進(jìn)劑，與空氣混合的火箭推進(jìn)劑被推入擴(kuò)散管bl5中，在點(diǎn)火處bl8(或利用擴(kuò)散管a6的火焰點(diǎn)火)點(diǎn)火，混合空氣的火箭推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室7中產(chǎn)生爆轟，另一部分空氣經(jīng)吸氣孔17及外吸氣涵道bl6沖壓吸入(當(dāng)火箭的速度產(chǎn)生的壓力，能夠滿足沖壓吸氣條件時，頭部小火箭停止工作)、沖壓至沖壓吸氣管19(開啟這根管上的閥門8、根據(jù)需要可以在此管前端加注火箭推時劑及設(shè)置點(diǎn)火處)，匯入擴(kuò)散管bl5的大喇叭口，續(xù)進(jìn)入燃料室7產(chǎn)生爆轟，爆震波推動火箭飛行，當(dāng)火箭的速度使沖壓的壓力滿足制氧條件時，開啟制氧吸氣管20上的閥門8，空氣經(jīng)吸氣孔17、外吸氣涵道bl6制氧吸氣管20進(jìn)入制氧設(shè)備制氧，制氧后的非氧氣體及雜質(zhì)，經(jīng)管非氧排出管22(開啟這根管道上的閥門8)及火箭尾部喇叭口排出。
[0010]圖5是樹枝狀吸氣涵道連續(xù)爆轟疊加沖壓制氧火箭圖，如圖所示，I根內(nèi)吸氣涵道2從頭部小火箭I前方正中央穿入內(nèi)部到頭部小火箭I尾部正中央穿出，另外的四根內(nèi)吸氣涵道2由頭部小火箭I前方正中心外側(cè)穿入頭部小火箭I內(nèi)部，在頭小火箭I內(nèi)部交于正中央的內(nèi)吸氣涵道2上，以樹枝狀結(jié)構(gòu)在頭部小火箭內(nèi)部連接的正中央的內(nèi)吸氣涵道2上，頭部小火箭I尾部拉瓦爾噴嘴5群(噴嘴群)，設(shè)在內(nèi)吸氣涵道周圍的頭部小火箭I尾部環(huán)形壁，拉瓦爾噴嘴5群(噴嘴群)的火焰噴射以漏斗狀交于一點(diǎn)，交點(diǎn)的中心點(diǎn)軸向與頭部小火箭I正中央內(nèi)吸氣涵道2軸向重合，此過程漏斗中會產(chǎn)生負(fù)壓吸氣，并設(shè)置好交點(diǎn)與擴(kuò)散管間的距離或位置(這是產(chǎn)生負(fù)壓的重要指標(biāo))，射入擴(kuò)散管a6，吸氣室4也會產(chǎn)生負(fù)