一种金属基凝胶超燃冲压发动机及其方法

本发明属于超燃冲压发动机领域，具体涉及到一种金属基凝胶超燃冲压发动机及其方法。

背景技术：

1、超燃冲压发动机是高超声速武器装备的主要动力形式之一，能够利用环境空气作为氧化剂，并与燃料快速掺混燃烧，实现高超声速飞行，具有高比冲、强突防的性能优势。目前，根据燃料的不同，超燃冲压发动机主要可以分为液体超燃冲压发动机和固体超燃冲压发动机。然而，液体超燃冲压发动机结构复杂，使用不便；固体超燃冲压发动机存在燃气流量难以调节，燃烧组织困难等问题。

2、凝胶推进剂是在液体推进剂(燃料、氧化剂或二者的混合物)中添加少量胶凝剂(或增稠剂)凝胶化，形成具有一定结构和特定性能、并具有一定贮存期、能长期保持稳定的凝胶体系。凝胶推进剂不仅拥有液体推进剂的高性能、推力输出可控等特点，同时也具备固体推进剂的贮存管理方便和安全性好等优点，倍受青睐，因此，凝胶推进剂成为当前各国研究的主要方向之一。

3、目前将凝胶推进剂应用到超燃冲压发动机中的相关研究还比较少，冲压发动机大多采用固体燃料或者液体燃料，在以上背景下，本发明提出一种凝胶燃料超燃冲压发动机，采用凝胶为推进剂，以超燃冲压方式工作，可进一步提高推进系统的性能，可作为空天推进的动力装置。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、凝胶燃料雾化效果好金属基凝胶超燃冲压发动机及其方法。

2、本发明提供一种金属基凝胶超燃冲压发动机，包括凝胶燃料供应系统以及依次设置的进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管；

3、所述凝胶燃料供应系统包括高压气源、凝胶燃料供应机构、螺旋换热管路和环形喷注腔；

4、所述螺旋换热管路绕设在所述燃烧室的壁内，所述螺旋换热管路沿流通方向配置为上游端和下游端；

5、所述凝胶燃料供应机构的输出口连接所述螺旋换热管路的下游端，所述环形喷注腔设置在所述螺旋换热管路的上游端，凝胶燃料供应机构输出的凝胶燃料经过所述螺旋换热管路从所述环形喷注腔喷入所述燃烧室的上游；

6、所述高压气源用于给所述环形喷注腔提供雾化气。

7、更进一步地，所述高压气源为所述凝胶燃料供应机构提供动力源。

8、更进一步地，所述高压气源和所述凝胶燃料供应机构横向布置，所述高压气源和所述凝胶燃料供应机构的连线平行于所述燃烧室的轴线设置。

9、更进一步地，所述高压气源包括高压气罐和设置在高压气罐上的雾化气管路和驱动气管路；

10、所述雾化器管路与所述环形喷注腔连接，且所述雾化气管路上设置有雾化气管路阀门；

11、所述驱动气管路与所述凝胶燃料供应系统连接，且所述驱动气管路上设置有挤压气管路阀门。

12、更进一步地，所述高压气源为可燃气体。

13、更进一步地，所述环形喷注腔上设置有多个喷注口。

14、更进一步地，所述凝胶燃料供应机构包括凝胶燃料储箱、活塞和凝胶燃料供应管路；

15、所述活塞滑动设置在所述凝胶燃料储箱内，所述活塞一端设置有活塞驱动结构，另一端与所述凝胶燃料储箱围合形成用于承装凝胶燃料的容腔；

16、所述凝胶燃料供应管路连接所述容腔和所述下游端，所述凝胶燃料供应管路上还设置有凝胶管路阀门。

17、更进一步地，所述燃烧室中间设置有凹腔。

18、更进一步地，所述螺旋换热管路的部分设置在所述凹腔的内壁。

19、本本发明提供一种金属基凝胶超燃冲压发动机使用方法，使用上述金属基凝胶超燃冲压发动机，包括如下步骤：

20、s1，发动机以高超声速工作，高超声速来流经过进气道减速增压，温度上升，再通过隔离段后流入燃烧室；

21、s2，所述凝胶燃料供应机构向所述螺旋换热管路输送凝胶燃料，凝胶燃料经过螺旋换热管路的加热后进行升温，然后从进入环形喷注腔；

22、高压气源向所述环形喷注腔输送高压气体，高压气体对位于环形喷注腔内经过升温的凝胶燃料进行雾化；

23、s3，雾化后的凝胶燃料在燃烧室内与来流的高温空气进行掺混燃烧，产生高温高压燃气，并经尾喷管排出，产生推力。

24、本发明的有益效果有：

25、1.提出了一种利用凝胶燃料作为燃料的超燃冲压发动机，该超燃冲压发动机利用能量密度高、储存特性好、流量可调的金属基凝胶为燃料，能够较好克服现有液体超燃冲压发动机液体燃料存储不便的缺点和固体超燃冲压发动机流量调节困难的缺点，可以为超燃冲压发动机技术的发展提供一种新途径，可使超燃冲压发动机比冲得到较大提高。

26、2.使用螺旋换热管路输送凝胶燃料，一方面可以使凝胶燃料与燃烧室进行充分的换热，进而对凝胶燃料进行升温，凝胶燃料的温度升高后，粘性降低，流动性提高，更易于雾化和燃烧。另一方面通过凝胶燃料和螺旋换热管路对燃烧室进行换热，可以吸收燃烧室外壁的温度，降低发动机热损失并对燃烧室提供一定的热防护功能，同时，螺旋换热管路覆盖燃烧室的上游至下游，既可以提高换热路径，又可以提高对燃烧室的热防护能力，另外，凝胶燃料从螺旋换热管路的下游端流向上游端，进而使凝胶燃料与燃烧室内的高温形成逆流式换热，换热效果好。再一方面，螺旋换热管路直接设置在燃烧室的壁内，合理利用空间，在不额外占用发动机空间的同时，还可以保证燃烧室的结构强度。

技术特征：

1.一种金属基凝胶超燃冲压发动机，其特征是，包括凝胶燃料供应系统(3)以及依次设置的进气道(1)、隔离段(2)、燃烧室(5)和尾喷管(4)；

2.如权利要求1所述的金属基凝胶超燃冲压发动机，其特征是，所述高压气源为所述凝胶燃料供应机构提供动力源。

3.如权利要求2所述的金属基凝胶超燃冲压发动机，其特征是，所述高压气源和所述凝胶燃料供应机构横向布置，所述高压气源和所述凝胶燃料供应机构的连线平行于所述燃烧室(5)的轴线设置。

4.如权利要求3所述的金属基凝胶超燃冲压发动机，其特征是，所述高压气源包括高压气罐(301)和设置在高压气罐(301)上的雾化气管路和驱动气管路；

5.如权利要求1所述的金属基凝胶超燃冲压发动机，其特征是，所述高压气源为可燃气体。

6.如权利要求1所述的金属基凝胶超燃冲压发动机，其特征是，所述环形喷注腔(3010)上设置有多个喷注口。

7.如权利要求1-6任一项所述的金属基凝胶超燃冲压发动机，其特征是，所述凝胶燃料供应机构包括凝胶燃料储箱(304)、活塞(303)和凝胶燃料供应管路(307)；

8.如权利要求1-6任一项所述的金属基凝胶超燃冲压发动机，其特征是，所述燃烧室(5)中间设置有凹腔(502)。

9.如权利要求8所述的金属基凝胶超燃冲压发动机，其特征是，所述螺旋换热管路(309)的部分设置在所述凹腔(502)的内壁。

10.一种金属基凝胶超燃冲压发动机使用方法，使用如权利要求1-9任一项所述的金属基凝胶超燃冲压发动机，包括如下步骤：

技术总结本发明属于超燃冲压发动机领域，具体涉及到一种金属基凝胶超燃冲压发动机及其方法，包括凝胶燃料供应系统以及依次设置的进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管；凝胶燃料供应系统包括高压气源、凝胶燃料供应机构、螺旋换热管路和环形喷注腔；螺旋换热管路绕设在燃烧室的壁内；凝胶燃料供应机构输出的凝胶燃料经过螺旋换热管路从环形喷注腔喷入燃烧室的上游；高压气源用于给环形喷注腔提供雾化气。本发明提出了一种利用凝胶燃料作为燃料的超燃冲压发动机，并使用螺旋换热管路输送凝胶燃料，一方面可以使凝胶燃料与燃烧室进行充分的换热，进而对凝胶燃料进行升温。另一方面可以降低发动机热损失并对燃烧室提供一定的热防护功能。技术研发人员：黄利亚,薛鸿涵,张家瑞,龚名荃,杨和受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18