一种基于金属燃料的跨介质双模态冲压发动机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于金属燃料的跨介质双模态冲压发动机及其控制方法，属于跨介质航行动力系统技术领域。

背景技术

高速跨介质航行体能够在空中保持超音速飞行，入水后能够在水下保持高速航行。这种工作方式能够大大提高航行体的机动性和规避性，增强航行体对复杂工作环境的适应性，在未来跨介质飞行器中有广泛的应用前景。跨介质动力系统是能够实现跨介质航行的关键所在。所以，研究空中、水下动力装置一体化的新型跨介质动力系统，对未来跨介质航行的发展有重要意义。

高速跨介质航行体是集空中高速航行与水下高速航行的特性于一身的新概念航行体。这种航行体的灵活性和机动性较传统在单一介质中的航行体显著增强，适合执行各种条件下的复杂任务。采用基于金属燃料的跨介质双模态冲压发动机，能够将空中、水下动力装置一体化，可以保证航行过程中推力的持续供给，能够克服传统跨介质航行体中空中和水下两套动力系统之间切换困难和低速入水过程中容易受到拦截和失稳的缺陷，大大提高跨介质航行体的综合性能。

在跨介质冲压发动机的工作过程中，由于空气和水这两种介质的物理性质存在着巨大的差别，所以跨介质航行体的外形结构在入水过程中需要为适应水下航行而改变。在变形的过程中，如果保留旁侧四外压式进气道，一方面，在入水阶段航行体跨越空气和水的界面时，进气道所受到的入水冲击会降低整个航行体的稳定性和可控性。另一方面，在潜航阶段，进气道的存在会为航行体带来巨大的阻力和振动激励，大大降低航行体的可靠性。所以，设计一种可抛式冲压发动机进气道，并控制进气道在入水前主动脱离航行体，对于提高跨介质航行体的整体性能有着重要意义。

发明内容

针对跨介质动力系统在变形的过程中，旁侧四外压式进气道的存在会大大降低入水阶段和水下航行阶段航行体可靠性的问题，本发明提供一种基于金属燃料的跨介质双模态冲压发动机及其控制方法。可以提高跨界面时的稳定性和可控性，减少潜航阶段的阻力和振动激励，很大程度上提高跨介质航行体的综合性能。

一种基于金属燃料的跨介质双模态冲压发动机，包括进水管路、预置氧化剂储存装置、进气装置和发动机主体，发动机主体包括燃气发生器、与燃气发生器相连通的补燃室、设置在补燃室端部的尾喷管，在燃气发生器内设置有金属基固体推进剂，进水管路包括主进水管、与主进水管连姐的进水管缓冲室、与进水管缓冲室连接的一次进水管和二次进水管，一次进水管和二次进水管的端部分别与补燃室连通且在管路上设置有进水管球形阀，预置氧化剂储存装置的端面上设置有预置氧化剂排出管，预置氧化剂排出管的个数与一次进水管和二次进水管的总数相等，所述预置氧化剂排出管的端部与对应的一次进水管和二次进水管连接，且在连接处均设置了氧化剂储箱球形阀，进气装置包括沿周向对称设置在补燃室外表面的进气管及设置在进气管上的进气道球形阀。

所述一次进水管和二次进水管分别有四个且交替设置，二次进水管的长度大于一次进水管的长度。

燃气发生器包括依次连接的燃气发生器前封头、燃气发生器筒体和燃气发生器喷管，金属基固体推进剂通过药柱前支撑件与燃气发生器前封头连接；补燃室包括与燃气发生器喷管连接的补燃室前盖、与补燃室前盖连接的补燃室筒体；尾喷管包括与补燃室筒体连接的尾喷管收敛段、与尾喷管收敛段连接的尾喷管扩张段；

预置氧化剂储存装置包括预置氧化剂储箱前盖、预置氧化剂储箱筒体、预置氧化剂储箱后盖，预置氧化剂排出管与预置氧化剂储箱后盖上的开孔连接；

预置氧化剂储存装置包括预置氧化剂储箱前盖、预置氧化剂储箱筒体、预置氧化剂储箱后盖，预置氧化剂排出管与预置氧化剂储箱后盖上的开孔连接；

所述进气管有四个。

一种基于金属燃料的跨介质双模态冲压发动机的控制方法，包括所述的跨介质双模态冲压发动机，控制过程如下：

(1)空气冲压阶段：进气道进入的空气与燃气发生器产生的燃气反应产生推力。

(2)入水阶段：主进水管与进气道关闭，预置氧化剂储箱中的氧化剂通过一次进水管和二次进水管进入补燃室与燃气发生器产生的燃气反应产生推力；

(3)水冲压阶段：进气道与预置氧化剂储箱关闭，海水经过进水管、一次进水管、二次进水管进入补燃室，并与燃气发生器产生的燃气反应产生推力；

(4)出水加速阶段：主进水管与进气道关闭，预置氧化剂储箱中的氧化剂再次通过一次进水管和二次进水管进入补燃室与燃气发生器产生的富燃燃气反应，当航行体加速到空气冲压所需速度时，一次进水管、二次进水管与预置氧化剂储箱停止工作，进气道开始工作，发动机重回空气冲压阶段。

(5)重回空气冲压阶段：发动机重新进入空气冲压模态；在航行体出水加速达到空气冲压所需的速度之后，进水管球形阀:和氧化剂储箱球形阀关闭，进气道球形阀打开，发动机重回空气冲压模态，持续产生推力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种跨介质冲压发动机可抛式进气道。针对跨介质动力系统在变形的过程中，旁侧存在的进气道会大大降低航行体可靠性的问题，在超音速进气道上增加爆炸分离装置，将进气道设计为可抛式。可抛式进气道的设计增强了航行体跨越气水界面时的稳定性，减小了入水后的阻力。为航行体的整体性能的提升奠定了基础。

本发明具有以下优点：

超音速进气道的底部与发动机外壳体曲面曲率一致，能够很好地保证进气道与壳体之间的密封性。在爆炸螺栓头部点火端加装了爆炸螺栓保护盒，保护盒由两个对称的半块焊接而成，同时保护盒与进气道连接管通过螺栓连接固定，爆炸螺栓与保护盒之间的空间由密封胶填充。一方面，保护盒的存在避免了爆炸螺栓在炸断后剩余一半落入航行体内部可能引发的潜在事故。另一方面，保护盒能够保证爆炸螺栓在炸断后，剩余的半截爆炸螺栓仍然保留在螺栓孔原位，而且，保护盒内与爆炸螺栓之间采用密封胶填充，更进一步的确保了航行体在入水之后的密封状态。此外，将保护盒分为两半，方便了制作过程中零件的装配。而且，保护盒通过焊接与螺栓双重固定，增加了整体结构的牢固性，确保了整个结构能够承受住爆炸螺栓炸断时的冲击。

爆炸螺栓通过点火电缆点燃点火药，再通过点火药燃烧释放的热量热传导点燃爆炸火药实现炸断。为防止爆炸火药通过爆炸螺栓开口端冲出螺栓内部造成无法炸断的情况，爆炸螺栓采用“火药挡板→爆炸螺栓封盖→爆炸螺栓封盖螺栓”的三重防护模式确保爆炸火药密封塞达到应有的密封效果。

在可抛式进气道爆炸分离后，航行体的气动布局得到优化，提高了航行体跨越气水界面和水下航行的可靠性。

附图说明

图1是本发明一种跨介质冲压发动机可抛式进气道立体图；

图2是本发明一种跨介质冲压发动机可抛式进气道剖视图；

图3是爆炸分离及保护装置剖视图

图4是可抛式进气道A-A截面剖视图

图5是超音速进气道立体图

图6是爆炸螺栓保护盒(半块)立体图

图7是进气道连接管立体图

图8是进气道连接管俯视图

图9是进气道连接管剖视图

图10是爆炸螺栓立体图

图11是爆炸螺栓剖视图

其中，1-燃气发生器，2-固体推进剂，3-补燃室壳体，4-尾喷管，5-超音速进气道，6-进水管，7-外壳体后段，8-外壳体中段，9-外壳体前段，10-爆炸螺栓，11-爆炸螺栓保护盒，12-进气道连接管，13-密封胶，14-爆炸螺栓螺母，15-进气道阀门，16-进气道连接管壳体，17-保护盒固定螺栓，18-爆炸螺栓封盖螺栓，19-爆炸螺栓封盖，20-点火电缆，21火药挡板，22-点火药，23-爆炸火药密封塞，24-爆炸火药，25-爆炸螺栓外壳。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种基于金属燃料的跨介质双模态冲压发动机，包括燃气发生器、补燃室、尾喷管、可抛式超音速进气道，其中可抛式超音速进气道包括超音速进气道、爆炸螺栓、爆炸螺栓螺母、爆炸螺栓保护盒和保护盒固定螺栓组成。超音速进气道与进气道连接管由爆炸螺栓和爆炸螺栓螺母固定与外壳体之上。爆炸螺栓头部被爆炸螺栓保护盒保护，爆炸螺栓点火电缆由保护盒上的小孔中伸出，保护盒与爆炸螺栓之间填充满密封胶。保护盒分为两块，通过焊接方式连接，两个半块保护盒侧边各由两个保护盒固定螺栓固定于进气道连接管上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述的可抛式超音速进气道有四个，沿周向均匀布置，进气道与外壳体切合，并与外壳体其他部分相独立。

2.每个可抛式超音速进气道由六个周向均匀分布爆炸螺栓和爆炸螺栓螺母固定在外壳体上，爆炸螺栓尾部螺母端设置在壳体外，头部点火端设置在壳体内，用于发火的点火电缆穿过爆炸螺栓保护盒上的小孔与电控系统相连。

3.爆炸螺栓保护盒由两个对称的半块焊接而成，通过每块侧面的保护盒固定螺栓固定在进气道连接管上。

4.进气道连接管与补燃室壳体通过含八个周向均匀分布螺栓的法兰连接。

5.爆炸螺栓由爆炸螺栓外壳、爆炸火药、爆炸火药密封塞、点火药、火药挡板、点火电缆和爆炸螺栓封盖组成，其中爆炸螺栓封盖由六个爆炸螺栓封盖螺栓固定在爆炸螺栓外壳上。

6.爆炸螺栓与爆炸螺栓保护盒之间的空间由密封胶填满。

一种跨介质冲压发动机可抛式进气道的控制方法，具体控制过程如下：

(1)空中巡航阶段：超音速进气道通过爆炸螺栓与外壳体相连，爆炸螺栓点火端设置在保护盒内，点火电缆穿过爆炸螺栓保护盒底面上的小孔与电控系统连接，点火电缆不通电，爆炸螺栓处于未点火状态。球型阀门打开，气流通过进气道减速扩压后进入补燃室进行下一步反应。

(2)爆炸分离阶段：球型阀门关闭，密封外壳体和补燃室。电控系统为点火电缆通电，点火电缆点燃点火药，点火药的热量通过爆炸螺栓爆炸火药密封塞传递给爆炸火药。爆炸火药受热后燃烧爆炸，爆炸螺栓从凹槽处断裂，超音速进气道脱离外壳体，爆炸螺栓头部点火端掉入保护盒中。

参见图1和图2，本发明提供的跨介质冲压发动机可抛式进气道，包括顺次相连的进水跨介质冲压发动机主体、外壳和可抛式进气道。

发动机外壳包括外壳体后段7、外壳体中段8和外壳体前段9。三段外壳体通过法兰连接。

发动机主体包括燃气发生器1、固体推进剂2、补燃室壳体3、尾喷管4和进水管6。燃气发生器1、补燃室壳体3和尾喷管4按从前后的顺序通过螺纹连接。固体推进剂2通过粘合剂粘于燃气发生器中，进水管6通过螺纹连接于补燃室壳体之上。

参考图3和图4，可抛式进气道包括超音速进气道5、爆炸螺栓10、爆炸螺栓保护盒11、进气道连接管12、密封胶13、爆炸螺栓螺母14和爆炸螺栓保护盒15。超音速进气道5通过爆炸螺栓11和爆炸螺栓螺母14固定于外壳体中段8之上。爆炸螺栓保护盒11由两个半块在中间焊接而成，爆炸螺栓保护盒11与进气道连接管12之间通过螺栓连接固定。爆炸螺栓10与爆炸螺栓保护盒11之间的空余空间填满密封胶13。

参考图5，超音速进气道5的底面与发动机外壳体外表面曲率一致。

参考图6，爆炸螺栓保护盒11侧边顶面与外壳体中段8内表面刚好契合，爆炸螺栓保护盒11半块的侧边有两个用于螺栓固定的螺栓孔，底面上有方便爆炸螺栓点火电缆与航行体内部电控系统连接的小孔。

参考图7、图8和图9，进气道连接管12由进气道连接管壳体16与进气道阀门15组成。进气道阀门15位于进气道连接管壳体16内部球形空腔之中，进气道阀门15的旋转轴进气道连接管壳体16中部两侧的小孔中伸出连接其他伺服机构。进气道连接管12上表面为曲面，曲率与外壳体中段8内表面一致。在其头部伞状区域的上表面有六个周向均匀排布的爆炸螺栓孔，伞状区域两侧各有两个螺栓孔，用于爆炸螺栓保护盒11的固定。

参考图10和图11，爆炸螺栓10由爆炸螺栓封盖螺栓18、爆炸螺栓封盖19、点火电缆20、火药挡板21、点火药22、爆炸火药密封塞23、爆炸火药24和爆炸螺栓外壳25组成。爆炸火药24置于爆炸螺栓外壳25中部空腔之中，空腔开口端由爆炸火药密封塞23密封。火药挡板21通过螺纹与爆炸螺栓外壳25内表面连接，并在爆炸螺栓外壳25中部空腔开口处顶住爆炸火药密封塞23。点火药22位于火药挡板21和爆炸火药密封塞23中间的空腔之中，点火电缆20插入点火药22之中。爆炸螺栓封盖19通过螺纹与爆炸螺栓外壳25内表面连接，内部抵住火药挡板21，同时爆炸螺栓10头部有八根周向均匀排布的爆炸螺栓封盖螺栓18加强固定。

一种控制跨介质冲压发动机可抛式进气道的控制方案，包括：

(1)空中巡航阶段：点火电缆不通电，爆炸螺栓未点火。超音速进气道和进气道连接管通过爆炸螺栓和爆炸螺栓螺母固定在外壳体中段。进气道阀门打开，来流空气经过超音速进气道减速增压通过进气道连接管进入补燃室。

(2)爆炸分离阶段：球型阀门关闭，密封外壳体和补燃室。电控系统为点火电缆通电，引燃点火药，点火药的热量通过导热性能良好的爆炸螺栓爆炸火药密封塞传递给爆炸火药，诱发爆炸火药燃烧爆炸，爆炸螺栓从凹槽处断裂，超音速进气道脱离外壳体，爆炸螺栓头部点火端受到爆炸螺栓保护盒的托举，仍在原位置。

(3)入水后的水下航行阶段：进水管开始进水，在补燃室中与燃气发生器中喷入的燃料继续反应燃烧。剩余的半段爆炸螺栓和爆炸螺栓保护盒共同密封整个航行体，航行体进入水下航行阶段。

综上所述，本发明涉及的一种跨介质冲压发动机可抛式进气道及其控制方法，将进气通道通过爆炸螺栓连接在外壳体上，设计出一种跨介质冲压发动机可抛式进气道。空中巡航阶段，爆炸螺栓不点火，将进气道固定在外壳体之上。进气道压缩来流空气，并将空气引入补燃室进行燃烧。入水前，进气道阀门关闭，密封壳体和补燃室，爆炸螺栓点火炸断，超音速进气道分离，进气道分离后航行体外形结构得到优化，能够更好地适应入水和水下阶段的航行。本发明设计了一种跨介质冲压发动机可抛式进气道并提出了与之匹配的控制方法，减少了入水和水下航行的阻力，提高了发动机双模态工作时以及模态转换时的稳定性，能够大大提高跨介质航行体的可靠性。

在空中巡航阶段，空气通过冲压进气道进入发动机补燃室与富燃燃气进一步反应，为航行体提供推力。航行体入水前，进气道阀门关闭，使航行体整体保持密封，爆炸螺栓由电火花点火引爆，进气道与发动机壳体分离。进气道脱离后，航行体在入水阶段和水下航行阶段所受到的阻力会大幅下降，可靠性提升。本发明对跨介质冲压发动机进气道进行了改进，设计了一种跨介质冲压发动机可抛式进气装置，提供了一套跨介质冲压发动机入水前进气道分离方案，解决了进气道分离后航行体整体的密封问题。提高了跨介质冲压发动机在工作过程中跨气水界面时的稳定性，减小了水下航行时的阻力，让发动机的综合性能得到大幅提升。