内循环推进方法及推进装置

技术领域

本申请属于航空航天动力推进技术领域，更具体地说，是涉及一种内循环推进方法及推进装置。

背景技术

推进装置是将任何形式的能量转化为机械能的装置。例如，在航空航天领域，推进装置可以将电能或化学能转化为机械能来获得动力。

传统的航空航天推进装置，通常情况下，是将推进工质喷射至环境中以获得反向推动力，将导致推进工质耗尽后影响推进装置的推进工作，将严重制约推进装置的推进持续性。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种内循环推进方法及推进装置，以解决现有技术中存在的推进装置将推进工质喷射至环境中以获得反向推动力，将导致推进工质耗尽后影响推进装置的推进工作的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种内循环推进方法，包括以下步骤：

提供流体工质，将所述流体工质分为第一工质和第二工质；

提供封闭环境，所述封闭环境内部装有所述流体工质，将所述第一工质沿第一方向喷入所述封闭环境中形成推进流体；

将所述第二工质分成多个喷射流，多个所述喷射流围绕所述推进流体，并以与推进流体相互垂直的方向喷向所述推进流体形成刹流流体；

刹流流体加强推进流体在封闭环境流体工质中前进的摩擦力，将推进流体有效制动，推进流体动能与动量减少，动能转化为热能并通过导热装置排出外部环境，而动量减少形成动量差，产生一个反向冲量，形成一个与第一方向相反的第二方向的反向推力；

将所述第一工质和所述第二工质混合形成的所述流体工质回收，在外部动力作用下，形成流体工质的喷射循环，实现持续推进。

可选地，步骤将所述第一工质和所述第二工质混合形成的所述流体工质回收，在外部动力作用下，形成所述流体工质的喷射循环，实现持续推进中，具体包括以下步骤：

所述第一工质和所述第二工质混合形成的所述流体工质；

降低所述流体工质的温度，将所述刹流流体与所述推进流体摩擦产生的热量排出；

回收降低温度的所述流体工质；

在外部动力作用下，形成所述流体工质的喷射循环，实现持续推进。

可选地，步骤在外部动力作用下，形成所述流体工质的喷射循环，实现持续推进中，具体包括：提供推进组件和刹流组件，所述推进组件和所述刹流组件驱动所述流体工质的喷射循环，实现持续推进。

可选地，步骤提供流体工质，将所述流体工质分为第一工质和第二工质之后，还包括以下步骤：对所述第一工质和所述第二工质加压。

还提供一种推进装置，包括：

封闭容器，用于装入流体工质；

推进组件，用于驱动部分所述流体工质沿第一方向喷入所述封闭容器形成推进流体；

刹流组件，用于驱动部分所述流体工质分成的多个喷射流围绕所述推进流体，且使多个所述喷射流喷向所述推进流体形成刹流流体。

可选地，还包括监控组件，所述监控组件用于监控所述推进流体的流速、所述推进流体的温度、所述推进流体的粘度、所述刹流流体的流速、所述刹流流体的温度和所述刹流流体的粘度。

可选地，所述推进组件包括第一驱动器、推进喷嘴和推进管路，所述推进管路连通所述封闭容器和所述推进喷嘴，所述第一驱动器用于将所述封闭容器中的所述流体工质输送至所述推进喷嘴以喷出；

所述刹流组件包括第二驱动器、多个刹流喷嘴和刹流管路，多个所述刹流喷嘴围绕所述刹流流体的喷射方向设置，所述刹流管路连通所述封闭容器和多个所述刹流喷嘴，所述第二驱动器用于将所述封闭容器中的所述流体工质输送至多个所述刹流喷嘴。

可选地，所述推进喷嘴的喷射方向与所述刹流喷嘴的喷射方向垂直。

可选地，还包括降温组件，因刹流摩擦将推进流体的动能和刹流流体的动能转化为热能使所述封闭容器中所述流体工质温度上升，所述降温组件用于降低所述封闭容器中所述流体工质的温度。

可选地，若所述封闭容器中的所述流体工质工作温度在高温域，与环境温度具有较大的温差，可加入温差发电器，所述温差发电器与所述降温组件连接，并用于发电，回收刹流摩擦产生的热能。

定量说明：

理想情况下，推进流体在封闭容器的流体工质内，在内部摩擦力的作用下，动能和动量降为零，动能全部转换为热能。则装置可获得一个与喷射动量相反的推进动量，对装置进行加速，最终获取的动能，与推进流体的动能相等，装置动能同样来自于外部能量输入，如电能通过电动机对推进流体加压做功。

也就是说，输入能量Ei(如电能)对推进流体的做功，一半转换为热能Q1，一半转换为装置的动能E1，推进能量利用率＝E1/Ei＝50％。

流体工质工作在常温域：输入能量Ei还需付出部分能量E2对刹流流体加压做功，E2同样因内部摩擦力转化为热能Q2，Q1+Q2排出外部环境，热能Q1+Q2不能用于温差发电，则能量利用率＝E1/Ei＝1/2×(Ei-E2)/Ei，能量利用率大约在30％-40％之间。

流体工质工作在高温域：由于与外部环境存在较大的温差，热能Q1+Q2可用于温差发电回收部分能量，流体工质温度为T1，环境温度为T2，则通过温差发电收回能量为E3＝(T1-T2)/T1×(Q1+Q2)，能量利用率＝E1/(Ei-E3)，能量利用率大约在50％-75％之间。

本申请提供的内循环推进方法的有益效果在于：与现有技术相比，本申请内循环推进方法，提供封闭环境，将第一工质沿第一方向喷入封闭环境中形成推进流体；多个喷射流围绕推进流体，并喷向推进流体形成刹流流体；刹流流体加强了对推进流体前进的摩擦力，实现对推进流体的制动，推进流体动能与动量减少，推进流体与刹流流体动能转化为热能通过导热装置排出外部环境，而推进流体的动量减少形成动量差，产生一个反向冲量，从而产生一个沿第二方向的推力，第二方向与第一方向相反，以产生推动力并实现推进，在一定的范围内，通过控制推进流体与刹流流体的喷射速度与流量，可实现对推动力大小的控制调节；该推进方法在封闭环境内实现，将第一工质和第二工质混合形成的流体工质回收，可实现流体工质的可循环利用，以维持推动力的可持续性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的内循环推进方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的推进装置的示意图一；

图3为本申请实施例提供的推进装置的示意图二；

图4为本申请实施例提供的推进喷嘴的示意图。

图5为本申请实施例提供的过滤器的示意图；

图6为本申请实施例提供的温差发电器的工作示意图。

其中，图中各附图标记：

100-封闭容器；110-流体工质；210-第一驱动器；220-推进喷嘴；221-流体喷射孔；222-冷媒节流孔；230-推进管路；310-第二驱动器；320-刹流喷嘴；330-刹流管路；400-监控组件；500-电源；600-降温组件；610-降温管路；620-压缩机；630-换热器；700-温差发电器；800-过滤器；810-过滤膜。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1，现对本申请实施例提供的内循环推进方法进行说明。内循环推进方法，包括以下步骤：

S910、提供流体工质110，将流体工质110分为第一工质和第二工质。

S930、提供封闭环境，将第一工质沿第一方向喷入内部装有流体工质110的封闭环境中形成推进流体。

S950、将第二工质分成多个喷射流，多个喷射流围绕推进流体，并以与推进流体相互垂直的方向喷向推进流体形成刹流流体。

S970、刹流流体加强推进流体在封闭环境流体工质110中前进的摩擦力，将推进流体有效制动，推进流体动能与动量减少，动能转化为热能并通过导热装置排出外部环境，而动量减少形成动量差，产生一个反向冲量，形成一个与第一方向相反的第二方向的反向推力，以产生推动力并实现推进。

S990、将第一工质和第二工质混合形成的流体工质110回收，该推进方法在封闭环境内实现，将第一工质和第二工质混合形成的流体工质110回收，可实现流体工质110的可循环利用，以维持推动力的可持续性。

可以理解的是，刹流流体与推进流体的喷射方向呈90°夹角，刹流流体与推进流体发生碰撞，致使推进流体由外向内产生分层速度差，因选取的流体工质110在工况下存在较大的粘性，不同分层速度推进流体与围绕周围流体工质110产生摩擦，致使推进流体和刹流流体的动能转化为热能，并形成动量损失，推进流体和刹流流体的流速减少，形成刹流式制动，从而使推进流体在第一方向上产生动量差，产生一个反向冲量，以形成一个与第一方向反向的推力，即形成沿第二方向的推动力，以实现推进。

可见，本实施例是通过对喷射流体进行刹流式制动，以内部循环方式产生驱动力进行驱动的推进方法。

在本申请另一个实施例中，步骤S950中，刹流流体与推进流体垂直，可导致部分刹流流体相对喷射，当相对喷射的部分刹流流体相遇，可抵消相对喷射部分的刹流流体的动能，因刹流流体与推进流体垂直，刹流流体的动能与动量变化对推进流体产生的反向推力，在力学过程中没有影响。

可以理解的是，推进流体在封闭环境的流体工质110中流动，在刹流流体对推进流体横向碰撞作用下，推进流体从外到内产生明显分层速度差，因选取的流体工质110在工况下存在较大的粘性，不同分层速度推进流体与围绕周围流体工质110产生摩擦，实现对推进流体的制动，推进流体动能与动量减少，推进流体与刹流流体动能转化为热能通过导热装置排出外部环境，而推进流体的动量减少形成动量差，产生一个反向冲量，从而产生一个反向推力实现推进；在一定的范围内，通过控制推进流体与刹流流体的喷射速度与流量，可实现对推动力大小的控制调节。

在本申请另一个实施例中，步骤S990中，具体包括以下步骤：

S991、第一工质和第二工质混合形成的流体工质110。

S992、降低流体工质110的温度。

S993、回收降低温度的流体工质110。

S994、在外部动力作用下，形成所述流体工质110的喷射循环，实现持续推进。

可以理解的是，所述流体工质110可采用气体或液体，主要是采用液体。当该流体工质110为液体时，在其工作温度范围内，选取的流体工质110的粘度具有随着温度升高而急速下降属性，并且具有剪切增稠或粘度随剪切速度变化不大的属性，以加强或维持摩擦力的稳定性；在流体工质110喷射出去后，降低封闭环境内的温度，以使喷出的第一工质和第二工质温度降低，粘度急速升高，从而增大推进流体和刹流流体的内摩擦，减少刹流路程，使推进装置实现小型化，并产生强大的反向推动力；在对流体工质110进行加压并在管道内流动及喷射时，对回收的低温流体工质110进行加热升温，使流体工质110的粘度急速下降，减少加压并在管道内流动及喷射过程的摩擦损失，提高能源利用率。

在本申请另一个实施例中，步骤S910之后，还包括以下步骤：

S920、对第一工质和第二工质加压，可以是第一工质和第二工质喷出，以实现第一工质和第二工质内摩擦，产生沿第二方向的反向推动力。

请一并参阅图2和图3，本申请还提供一种推进装置包括封闭容器100、推进组件和刹流组件，封闭容器100用于装入流体工质110；推进组件用于驱动部分流体工质110沿第一方向喷入封闭容器100形成推进流体；刹流组件用于驱动部分流体工质110分成的多个喷射流围绕推进流体，且使多个喷射流垂直喷向推进流体形成刹流流体，以使推进装置能产生沿第二方向的推动力，以推动推进装置沿第二方向运动，第二方向与第一方向相反，循环将流体工质110从封闭容器100中抽出和喷入，可保证流体工质110的循环利用，以维持推动力的可持续性。

可以理解的是，刹流流体与推进流体的喷射方向呈90°夹角，刹流流体与推进流体发生碰撞，致使推进流体由外向内产生分层速度差，由于流体具有粘性，分层速查使推进流体产生内摩擦，致使推进流体和刹流流体的动能转化为热能，并形成动量损失，推进流体和刹流流体的流速减少，形成刹流式制动，从而使推进流体在第一方向上产生动量差，产生一个反向冲量，形成一个与第一方向反向的推力，即形成沿第二方向的推动力，以实现推进装置沿第二方向的推进运动。

可见，本实施例是通过对喷射流体进行刹流式制动，以内部循环方式产生驱动力进行驱动的推进装置。

在本申请另一个实施例中，请参阅图3，推进装置还包括监控组件400，监控组件400用于监控推进流体的流速、推进流体的温度、推进流体的粘度、刹流流体的流速、刹流流体的温度和刹流流体的粘度、以及监控其他相关运行设备的运行参数，以根据控组组件反馈的监控数据变化，调整推进装置的运行状态，进而实现推进装置的自动化控制。当然，在其他实施例中，该监控组件400还可监控推进装置储存的电量或其他条件参数，以根据各条件参数调整推进装置的稳定运行。

可以理解的是，当监控到推进流体和刹流流体的温度过高，则可降低该推进流体和刹流流体的温度，当监控到该推进流体的流速过高，则可控制降低该推进流体的流速，以实现推进装置运行状态的控制。

在本申请另一个实施例中，请参阅图2和图3，推进组件包括第一驱动器210、推进喷嘴220和推进管路230，推进管路230连通封闭容器100和推进喷嘴220，第一驱动器210用于将封闭容器100中的流体工质110输送至推进喷嘴220以喷出，以实现推进组件驱动流体工质110的循环工作。

优选的，该第一驱动器210可为电动泵，通过该电动泵对流体工质110进行加压后，通过推进喷嘴220在封闭容器100中沿着封闭容器100的延伸方向高速喷出，以该流体工质110形成推进流体。

可以理解的是，当该封闭容器100为封闭管道，且该封闭管道沿第一方向延伸时，利于推进流体的行程运动，该第一方向为封闭管道的轴向方向，且该封闭管道的长度及直径尺寸需要根据推进装置的设计规格来进行确认。

进一步的，刹流组件包括第二驱动器310、多个刹流喷嘴320和刹流管路330，多个刹流喷嘴320围绕刹流流体的喷射方向设置，刹流管路330连通封闭容器100和多个刹流喷嘴320，第二驱动器310用于将封闭容器100中的流体工质110输送至多个刹流喷嘴320，以实现刹流组件驱动流体工质110的循环工作。

优选的，第二驱动器310可为电动泵，刹流喷嘴320环绕封闭容器100的内壁设置，通过该电动泵对流体工质110进行加压后，通过刹流喷嘴320在封闭容器100中沿着封闭容器100的径向方向高速喷出，以该流体工质110形成环流状的刹流流体。

请一并结合图4，推进喷嘴220和刹流喷嘴320为可调节喷嘴，可调节喷嘴的喷射状态，且推进喷嘴220包括流体喷射孔221和冷媒节流孔222。

在本申请另一个实施例中，请参阅图2和图3，推进喷嘴220的喷射方向与刹流喷嘴320的喷射方向垂直，可导致部分刹流流体相对喷射，当相对喷射的部分刹流流体相遇，可抵消相对喷射部分的刹流流体的动能。

在本申请另一个实施例中，请参阅图3，该推进装置还包括电源500，该电源500用于驱动第一驱动器210和第二驱动器310工作。优选的，该电源500可为锂电、燃料电池和太阳能电池中的一者或多者，以为推进装置提供电能，并可采用该电能驱动推进装置工作。

在本申请另一个实施例中，请参阅图2，推进装置还包括降温组件600，降温组件600用于降低封闭容器100中流体工质110的温度，可以理解的是，所述流体工质110可采用气体或液体，主要是采用液体。当该流体工质110为液体时，在其工作温度范围内，选取的流体工质110的粘度具有随着温度升高而急速下降属性，并且具有剪切增稠或粘度随剪切速度变化不大的属性，以加强或维持摩擦力的稳定性；在流体工质110喷射出去后，降低封闭环境内的温度，以使喷出的第一工质和第二工质温度降低，粘度急速升高，从而增大推进流体和刹流流体的内摩擦，减少刹流路程，使推进装置实现小型化，并产生强大的反向推动力；在对流体工质110进行加压并在管道内流动及喷射前，对回收的低温流体工质110进行加热升温，使流体工质110的粘度急速下降，减少加压并在管道内流动及喷射过程的摩擦损失，提高能源利用率。

在本申请另一个实施例中，请一并结合图6，推进装置还包括温差发电器700，温差发电器700(或是环境散热器)与降温组件600连接，并用于发电，可采用该温差发电器700进行温差发电，并将该部分电量收集以供推进装置使用，可将热能进行回收，以维持推进装置的可持续性工作，推进装置的推进效率较高，在航空和航天领域具有广阔的应用前景。

可以理解的是，该降温组件600可为空调系统，该空调系统采用的冷媒与所述流体工质110不能互溶。若所述流体工质110的工作温度在高温域，与环境温度形成高温差，可加入温差发电器700回收刹流摩擦产生的热能，并利用该电能；若所述流体工质110的工作温度在常温域，则温差发电器700只是一个向环境释放热量的环境散热器，向环境排放刹流摩擦产生的热能。

请参阅图3，该降温组件600包括降温管路610、压缩机620及换热器630，该压缩机620将封闭容器100中的流体工质110驱动至换热器630中，并经过换热器630输送向推进组件和刹流组件的管路，对流体工质110进行加热以降低其粘度，以降低流体工质110在电动泵加压过程和管道流动过程的摩擦力。相应的，封闭容器100与相关连接管道的内部表面要求尽量光滑，以降低流体工质110在封闭容器100和管道流动的摩擦力。

在本申请另一个实施例中，请一并结合图5，推进装置还包括过滤器800，该过滤器800用于过滤封闭容器100中的冷媒气体，该过滤器800上设置有过滤膜810，使冷媒气体与流体工质110分离，冷媒气体通过管道流入压缩机进行压缩并通过换热器630与温差发电器700排放热量。

在本申请另一个实施例中，请参阅图2和图3，该流体工质110可采用包括聚醚类液体、聚酯类液体等高分子材料、剪切增稠液、软凝聚态物质、液态金属和离子液体中的一者或多者，采用该流体工质110，可实现流体工质110在常温下运行，该常温温度范围可选择在-20℃-80℃，以高于环境温度便于排放热量为宜。

当然，在另一实施例中，请参阅图2和图3，该流体工质110还可包括液态金属、离子液体和液态融盐岩中一者或多者，采用该流体工质110，可实现流体工质110在高温下运行，该高温范围可选择在300℃-1400℃，与环境温度形成较大的温差，可加入温差发电器进行发电，回收刹流摩擦产生的热能，并利用该电能。

定量说明：

理想情况下，推进流体在封闭容器的流体工质110内，在内部摩擦力的作用下，动能和动量降为零，动能全部转换为热能。则装置可获得一个与喷射动量相反的推进动量，对装置进行加速，最终获取的动能，与推进流体的动能相等，装置动能同样来自于外部能量输入，如电能通过电动机对推进流体加压做功。

也就是说，输入能量Ei(如电能)对推进流体的做功，一半转换为热能Q1，一半转换为装置的动能E1，推进能量利用率＝E1/Ei＝50％。

流体工质110工作在常温域：输入能量Ei还需付出部分能量E2对刹流流体加压做功，E2同样因内部摩擦力转化为热能Q2，Q1+Q2排出外部环境，热能Q1+Q2不能用于温差发电，则能量利用率＝E1/Ei＝1/2×(Ei-E2)/Ei，能量利用率大约在30％-40％之间。

流体工质110工作在高温域：由于与外部环境存在较大的温差，热能Q1+Q2可用于温差发电回收部分能量，流体工质110温度为T1，环境温度为T2，则通过温差发电收回能量为E3＝(T1-T2)/T1×(Q1+Q2)，能量利用率＝E1/(Ei-E3)，能量利用率大约在50％-75％之间。

可以理解的是，在传统的航空航天领域，电驱动依靠霍尔推进器靠电离工质并电磁加速后喷气反推来获得动力，是依靠向环境喷气反推获得动力的动力模式，例如火箭的推进技术，这些技术都是开放式的，推进工质一旦喷射出去，就无法回收，不能循环连续使用，霍尔推进器电离驱动技术，当电离工质用完之后，就无法进行电离驱动了。另外，能量利用率也不高，例如，目前最先进的霍尔推进器，100千瓦的功率只能产生5.4牛的推力，制约了人类在太空的发展。

本申请的内循环推进方法及推进装置，可实现流体工质110的循环利用，解决了传统航空和航天领域的电力驱动依靠工质对外喷射，工质用完重新加注代价过大的问题。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。