一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的RBCC发动机

本发明涉及火箭基组合循环发动机，特别是涉及一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机。

背景技术：

1、火箭基组合循环(rocket-based combined cycle,缩写为rbcc)发动机工作速域宽，当来流气体马赫数在6以上时，总温在1650k以上，当燃料在燃烧室内组织燃烧时，壁面附近高温气体超过2500k。工作马赫数越高的rbcc发动机，其燃烧室热力环境越严苛，因此，热防护技术成为制约rbcc发动机技术发展的关键技术之一。

2、发动机热防护主要包括主动热防护和被动热防护，主动热防护是利用与燃气相比温度较低的流体对燃烧室进行换热冷却，而被动热防护是采用轻质的耐烧蚀隔热材料对燃烧室进行热防护。被动热防护是采用轻质的耐烧蚀隔热材料对燃烧室进行热防护，主要应用于单次使用且热环境不十分恶劣的工况。长时间工作的超燃冲压发动机通常采用主动热防护方案，主要包括再生冷却，气膜冷却，液膜冷却，发汗冷却等，其中再生冷却冷却效率高、壁面温度低、系统能量利用率高、升温裂解后的燃料点火性能及燃烧性能优异，应用较为广泛。

3、膜冷却与再生冷却结合的复合冷却系统是目前发动机最佳的冷却方案。气膜冷却通过在近壁面引入冷却气流，冷却气流在发动机主流的压力和壁面摩擦力的作用下黏附在壁面附近，成为一道冷却气膜，在气膜作用下，高温燃气不能与壁面直接进行热量交换，避免了壁面温度过高导致烧蚀。但是，在实际气膜冷却过程中，常常使用来流空气产生气膜，当发动机工作马赫数提高时，来流总温升高，产生的气膜热量升高，导致气膜实际热防护能力降低。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，在高马赫数工作条件下，能够对高总温来流气体冷却，降低形成气膜的温度，提升气膜的热防护能力。

2、本发明提供了一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，rbcc发动机的冲压流道为前后开口的腔体结构，冲压流道的进气口到出气口依次包括第一子流道、第二子流道和第三子流道，相邻两个子流道连通；

3、第二子流道设置有凹腔火焰稳定器、第一燃料支板以及第二燃料支板，凹腔火焰稳定器与第二子流道一体连接，定义凹腔火焰稳定器位于冲压流道的出气口的一侧为凹腔火焰稳定器的后缘；

4、第一燃料支板与第二燃料支板上下对称设置，且均位于第二子流道在凹腔火焰稳定器前缘的一侧，第一燃料支板设置有气膜喷孔和燃料支板喷油孔，凹腔火焰稳定器的后缘壁面设置有至少一个气膜喷孔；

5、冲压流道的外侧设置有用于吸引第一子流道的来流空气形成吸除气的吸除气组件、煤油组件和用于将低温吸除气导入第二子流道的气膜冷却组件，吸除气组件与第一子流道连接，煤油组件与吸除气组件通过用于将吸除气与煤油进行换热形成预热煤油和低温吸除气的换热器连接，气膜冷却组件的一端与换热器连接，气膜冷却组件的另一端与气膜喷孔连接，燃料支板喷油孔与换热器连接。

6、在其中一个实施例中，吸除气组件设置有吸除槽和集气腔，吸除槽的一端与第一子流道连通，吸除槽的另一端与集气腔连通。

7、在其中一个实施例中，煤油组件设置有煤油储箱和煤油调节阀，煤油储箱与换热器通过煤油管路连接，煤油调节阀装配于煤油储箱与换热器中间的煤油管路。

8、在其中一个实施例中，气膜冷却组件包括电源、压气机和导气管，电源与压气机连接，压气机的进气端与换热器连接，压气机的出气端与导气管连接，导气管与所有气膜喷孔连通。

9、在其中一个实施例中，换热器设置有煤油进口、吸除气进口、煤油出口和吸除气出口，煤油进口与煤油储箱通过煤油管路连接，吸除气进口与集气腔连通，煤油出口与燃料支板喷油孔连通，吸除气出口与压气机的进气端连通。

10、在其中一个实施例中，第三子流道的内部设置有支板火箭，第三子流道的外侧设置有侧壁火箭，侧壁火箭的一端与第三子流道连通，另一端设置有第一进口和第二进口，第一进口与煤油储箱连通，第二进口与氧气储箱连通；

11、第一进口与煤油储箱之间设置有煤油调节阀，第二进口与氧气储箱之间设置有氧气截止阀。

12、在其中一个实施例中，换热器为相互缠绕的煤油换热管路和吸除气换热管路，煤油换热管路的一端通过煤油管路与煤油储箱连接，煤油换热管路的另一端通过煤油管路与燃料支板喷油孔连通，吸除气换热管路的两端分别与集气腔和压气机连通。

13、在其中一个实施例中，煤油储箱的压力大于10mpa，煤油储箱中煤油的温度为300k。

14、本发明的有益效果：

15、(1)本发明通过吸除气组件吸引第一子流道的来流空气形成吸除气，加快了冲压流道进气口附近的气流流速，进而提升了冲压流道进气口的进气量，能够提升发动机燃烧室总进气量。

16、(2)本发明通过换热器将高总温的吸除气作为热源，对煤油进行预热，提升了煤油喷注的初始温度，能够促进煤油液滴在燃烧室内的雾化，蒸发与掺混，使燃烧反应更加充分，燃烧效率提高，推力增大，提升发动机比冲性能。

17、(3)本发明的吸除气经过换热器换热后形成低温吸除气经气膜冷却组件导入到气膜喷孔形成气膜，气膜的冷却能力气膜冷却能力决定于形成气膜的气体来流温度，来流温度越低，形成的气膜冷却能力越强。本发明通过以煤油充当冷却剂，实现了对高总温来流吸除气的冷却，降低形成气膜的来流气体温度，提升了气膜的热防护能力。

技术特征：

1.一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，其特征在于，所述rbcc发动机的冲压流道为前后开口的腔体结构，所述冲压流道的进气口到出气口依次包括第一子流道、第二子流道和第三子流道，相邻两个子流道连通；

2.如权利要求1所述的一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，其特征在于，所述吸除气组件设置有吸除槽(2)和集气腔(3)，所述吸除槽(2)的一端与所述第一子流道连通，所述吸除槽(2)的另一端与所述集气腔(3)连通。

3.如权利要求2所述的一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，其特征在于，所述煤油组件设置有煤油储箱(5)和煤油调节阀(4)，所述煤油储箱(5)与所述换热器(6)通过煤油管路连接，所述煤油调节阀(4)装配于煤油储箱(5)与换热器(6)中间的煤油管路。

4.如权利要求3所述的一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，其特征在于，所述气膜冷却组件包括电源(11)、压气机(7)和导气管，所述电源(11)与所述压气机(7)连接，所述压气机(7)的进气端与所述换热器(6)连接，所述压气机(7)的出气端与所述导气管连接，所述导气管与所有气膜喷孔(8)连通。

5.如权利要求4所述的一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，其特征在于，所述换热器(6)设置有煤油进口、吸除气进口、煤油出口和吸除气出口，所述煤油进口与所述煤油储箱(5)通过煤油管路连接，所述吸除气进口与所述集气腔(3)连通，所述煤油出口与所述燃料支板喷油孔(9)连通，所述吸除气出口与所述压气机(7)的进气端连通。

6.如权利要求5所述的一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，其特征在于，第三子流道的内部设置有支板火箭(14)，所述第三子流道的外侧设置有侧壁火箭(17)，所述侧壁火箭(17)的一端与所述第三子流道连通，另一端设置有第一进口和第二进口，所述第一进口与所述煤油储箱(5)连通，第二进口与氧气储箱连通；

7.如权利要求6所述的一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，其特征在于，所述换热器(6)为相互缠绕的煤油换热管路和吸除气换热管路，所述煤油换热管路的一端通过煤油管路与煤油储箱(5)连接，煤油换热管路的另一端通过煤油管路与燃料支板喷油孔(9)连通，所述吸除气换热管路的两端分别与集气腔(3)和压气机(7)连通。

8.如权利要求7所述的一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的rbcc发动机，其特征在于，所述煤油储箱(5)的压力大于10mpa，所述煤油储箱(5)中煤油的温度为300k。

技术总结本发明公开了一种高马赫数下利用吸除气冷却支板凹腔气膜的RBCC发动机，RBCC发动机的冲压流道为前后开口的腔体结构，冲压流道的进气口到出气口依次包括第一子流道、第二子流道和第三子流道，相邻两个子流道连通。通过吸除气组件吸引低温来流空气形成吸除气与煤油进行换热形成预热煤油和低温吸除气，煤油温度升高能够促进煤油液滴在燃烧室内的雾化，蒸发与掺混，使燃烧反应更加充分，燃烧效率提高，推力增大，提升发动机比冲性能，低温吸除气形成的形成气膜能够提升气膜的热防护能力。技术研发人员：朱韶华,陈兴良,秦飞,景婷婷,高天,何国强受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4