水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置及方法

本发明属于水下航行器动力，涉及一种水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置及方法。

背景技术：

1、水下航行器在工程应用中具有多种优势，而水下阻力高，因此为提高传统发动机的推进性能，提出水冲压发动机技术，即利用外界海水充当燃烧所需氧化剂，能够减轻航行器自身重量，并大大提高发动机推进效率，提升航行器机动性能。水下航行器多是依靠较高的运行速度来吸入外界海水，但航行轨道的确定需要协调实际环境以及打击需求等多方面因素，因此航行器要不断地机动，从而摆脱追踪。

2、航行器启动初期时速度较低，以及航行器搜索目标改变航行方向时都难以吸入足量的海水，同时入水的压强低也难以进入燃烧室内。进水的不稳定将会严重影响燃烧室的稳定工作，严重时还会造成熄火，使航行任务失败。目前有多个研究提出了采用预置氧化剂来辅助燃烧，但大多携带足量氧化剂从而保证使用，这样会占用大量空间并降低发动机比冲。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置及方法，在主进水管道上安装流量控制机构，用水作为发动机的氧化剂，能够调控水箱中水的通过量来精确控制发动机推力。在不同航行状态下采用不同供水方式，改进现有技术存在的进水量难以灵活调控的问题。通过主进水管道能够充分利用燃气发生器和燃烧室内的余温，对管内的海水预热提升燃烧效率，管道本身也会降温防止被烧蚀。主进水管道呈中心式布局，由航行器头部穿过水箱及燃气发生器延伸至燃烧室内，能够吸入外界海水并在管内运输，既节约空间还将外界环境、水箱及燃烧室连通，通过调控水箱流量实现发动机推力的精确控制。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置，包括主进水管道、水箱、燃气发生器、燃烧室、喷管、出水泵、进水阀门、传感器和水箱控制单元；主进水管道呈中心式布局，主进水管道依次穿过水箱和燃气发生器后伸入燃烧室内；喷管安装于燃烧室尾端；水箱控制单元、出水泵及进水阀门装于水箱外并连通主进水管道；当水箱控制单元接收到改变发动机推力的信号后，控制出水泵及进水阀门工作状态从而调节水箱流量mw来调控发动机推力f，实现发动机氧化剂流量供应的自适应调节。

4、作为优选，所述水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置，包括主进水管道、水箱、燃气发生器、燃烧室、喷管、流速调节器、出水泵、单向阀、进水阀门、水箱控制单元、点火装置、药柱、一次进水喷口、二次进水喷口、速度传感器、流量传感器、压力传感器、信号传输装置。

5、水箱控制单元接收到改变发动机推力的信号后，控制出水泵及进水阀门的工作状态从而调节水箱流量mw来调控发动机推力f，实现发动机氧化剂供应流量的自适应调节；出水泵调控水箱是否出水及出水量，进水阀门调控水箱是否进水及进水量。

6、流速调节器、单向阀安装于主进水管道上，分别控制主进水管道管内水流速及运输方向。

7、一次进水喷口和二次进水喷口安装于主进水管道后段上，伸入燃烧室内，沿周向布置至少四个喷嘴，喷嘴用于将水作为氧化剂喷注入燃烧室中。

8、点火装置安装于燃气发生器内部，用于给药柱点火并产生贫氧燃气。

9、速度传感器、流量传感器及压力传感器安装于主进水管道尾端并伸入燃烧室后部，用于测量燃烧反应参数；信号传输装置覆盖于主进水管道表面，从水箱控制器处延伸至传感器处，当速度传感器、流量传感器及压力传感器测量到航行器实时参数后能够将其传输到水箱控制单元中。

10、作为进一步优选，主进水管道、一次进水喷口和二次进水喷口使用耐烧蚀材料，信号传输装置外表面包覆抗烧蚀层；速度传感器、流量传感器及压力传感器使用耐受高温高压材料，测量的数据范围应包括燃烧室内所能达到的极值。

11、本发明公开的水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节方法，基于所述水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置实现。所述水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节方法，包括如下步骤：

12、步骤一、外界进水量为mw1、燃烧室进水量为mw2，则水的通入量之间关系为：

13、mw＝mw2-mw1 (1)

14、步骤二、在t1时刻，航行器以速度vt1在给定深度h下航行；速度传感器、流量传感器、压力传感器实时测量计算所需的参数，参数包括推进剂流量mp，喷管排气速度ve和喷管出口压强pe；已知水的密度ρ、重力加速度g和标准大气压强pa，则环境压强p0为：

15、p0＝pa+ρgh (2)

16、航行器结构的主进水管道直径为d、喷管出口面积为ae，则外界进水量mw1为：

17、

18、t1时刻航行器的推力f、和阻力fd为：

19、

20、

21、其中cf为阻力系数，s为航行器垂直方向的截面积；

22、步骤三、将式(1)、(2)和(3)代入式(4)并整理得到推力f和水箱通水量mw之间的关系f＝f(mw)，具体如式(6)所示：

23、

24、步骤四、根据式(5)和(6)得到t2时刻的速度vt2：

25、

26、需保证t2时刻大于t1时刻且不超过0.01毫秒，m为航行器总质量，θ代表航行器头部轴线方向与垂直方向的夹角；

27、步骤五、对比步骤四得到的vt2与预期的t2时刻速度值差值是否小于预设阈值ε，若不小于预设阈值ε返回步骤三，根据步骤三、步骤四自适应调节水箱流量mw；若小于预设阈值ε则输出水箱流量mw给水箱控制单元，当水箱控制单元接收到改变发动机推力的信号后，控制出水泵及进水阀门工作状态从而调节水箱流量mw，用水作为发动机的氧化剂调控发动机推力f，实现发动机氧化剂流量供应的自适应调节。

28、有益效果：

29、1、本发明公开的水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置及方法，用水作为发动机的氧化剂，水箱外装有进水道和出水道实现出水供氧和进水储氧。当航行器低速航行或拐弯时，难以达到进水所需的量和压强，则利用水箱出水辅助供氧，保证水冲压发动机的持续工作及航行器正常航行。当航行器以高速前进时，进水量多于燃烧室所需量，则水箱通过蓄水补充氧化剂。由于航行过程中可以吸入外界水进行补充，因此减少了初始携带量，进而减小储箱体积，节约空间。

30、2、本发明公开的水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置及方法，根据构建的水箱的通水量与发动机推力之间的关系，只需控制出水泵及进水阀门工作状态从而调节水箱通水量就能够调控发动机推力。航行器靠近目标后需要不断机动改变速度，水箱控制单元能够依据预期的目标速度自动计算得到匹配的通水量，实现氧化剂的自适应调节。本发明能够减少人为调控的工作，并提高了反应的速度和精度。

31、3、本发明公开的水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置及方法，主进水管道采用中心式布局，同时外界进水及预置水箱进水共用管道，去除了多个分支进水管道，减少了管路数量，能够节省空间，并减少管路弯折造成的总压损失。主进水管道穿过燃气发生器伸入至燃烧室内，水在管内流动时可利用燃气发生器内的余温进行预热提高燃烧效率，同时水还能够冷却管壁，防止主进水管道被烧蚀。

32、4、本发明公开的水冲压发动机氧化剂供应及流量自适应调节装置及方法，主进水管道、一次进水喷口和二次进水喷口使用耐烧蚀材料，信号传输装置外表面包覆抗烧蚀层；速度传感器、流量传感器及压力传感器使用耐受高温高压材料。