一种轴对称构型的核能化学能混合多模式涡轮冲压组合发动机

本发明属于航空航天发动机领域，更具体地，涉及一种轴对称构型的核能化学能混合多模式涡轮冲压组合发动机。

背景技术：

1、动力装置是实现宽速域高超声速飞行的主要关键技术。目前任何一种单一类型的发动机都不能满足高超声速飞行器的飞行要求，组合动力成为必然需求。从性能、费用、安全和技术可行性等方面考虑，涡轮冲压组合循环发动机将是目前最具优势、率先实现工程应用的潜在组合动力方案，适合水平起降、宽速域高超声速飞行任务需求，然而也仍然面临推力陷阱问题、推阻余量不足、综合效能有待提高等问题，相对于人类对高速飞行、超远航程的追求仍有差距。

2、当前，传统化学能推进性能已逐渐逼近上限，化学加热能力受限、比冲性能难以显著提高、且自身能量密度低仍是瓶颈问题，制约了飞行续航能力。在满足飞行器推力需求的前提下，持续提高发动机比冲性能，实现超声速、乃至高超声速的超远程航程，是人类需要持续探索、发展的重要方向。核能燃料以其巨大的能量潜力、能量密度而著称，基于核能加热技术的核热推进应用是一种极具潜力的解决方案，理论上具有无限大的能量比冲特性、极限巡航能力，为人类实现更高、更快、更远的高超声速飞行应用提供了一条可行思路。事实上，核热推进技术已经经历了70余年的发展，在涡轮、冲压、火箭推进方面进行了很多试验。同样受限于传统单一动力的工作范围限制，面向宽速域组合动力集成应用的核热组合推进方案，有望成为未来高超声速极限航程飞行的终极解决方案。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轴对称构型的核能化学能混合多模式涡轮冲压组合发动机，可为更大载荷、更远飞行距离的超声速飞机提供组合动力解决方案，满足飞行器水平起降、亚声速或超声速经济巡航等应用需求。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种轴对称构型的核能化学能混合多模式涡轮冲压组合发动机，包括：机体外壳及均设置在机体外壳内的进气旋转开关、机体外壳、压气机、前开关门、堆芯换热器、后开关门、涡轮、尾喷管、冲压进气道、堆芯换热器内机匣、发动机转轴、冲压排气喷管及设置于涡轮与尾喷管之间的加力燃烧室；

3、所述发动机转轴的前端与压气机的动叶栅连接，后端与涡轮的动叶栅连接；所述堆芯换热器内机匣、堆芯换热器从内到外依次环形围绕所述发动机转轴的中部；所述尾喷管设置在所述涡轮后侧；

4、所述机体外壳内侧与压气机外侧支板之间的空腔形成冲压进气道；所述冲压进气道的入口处设置进气旋转开关，用于开启或关闭冲压进气道的入口，出口处设置前开关门，所述前开关门的一端与压气机外侧支板连接，另一端可绕相应连接轴旋转，当其与机体外壳内侧接触时，所述冲压进气道的出口被关闭，否则被开启，且当其与堆芯换热器内机匣接触时，压气机的气流出口被封闭；

5、所述机体外壳内侧与涡轮外侧支板之间的空腔形成冲压排气喷管，所述冲压排气喷管的入口处设置后开关门，所述后开关门的一端与涡轮外侧支板连接，另一端可绕相应连接轴旋转，当其与机体外壳内侧接触时，所述冲压排气喷管的入口被关闭，否则被开启，且当其与堆芯换热器内机匣接触时，涡轮的气流入口被封闭。

6、按照本发明的第二方面，提供了一种飞行器，包括如第一方面所述的发动机。

7、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

8、本发明提供的轴对称构型的核能化学能混合多模式涡轮冲压组合发动机，主要动力不依赖传统化学能，而采用更具潜力的核能，利用核能作为涡轮冲压组合发动机的主要能量来源，发挥核能推进的能量优势，可以实现比现有化学能推进方式更高的比冲、更大的推力，理论上具有无限续航能力；其次，本发明充分考虑到涡轮发动机在来流马赫数较小时具有高比冲的特殊优势，以及冲压发动机推重比大，成本低，在来流马赫数较大时使用，有较高的经济性的特点，将两者进行组合为涡轮冲压组合发动机，让涡轮发动机作为冲压发动机的助推器，充分发挥它们各自的优势以及组合优势。涡轮冲压组合发动机能够满足空间运载、高速运输、远程快速打击等任务需求，具备可常规起降、可多次重复使用、经济性好等优点；此外，本发明颠覆传统并联组合形式，创新性地采用共轴式组合布局，共用堆芯换热器，共用可调收扩尾喷管以及加力燃烧室，提高空间利用率和结构集成度以及飞行器的机动性能，充分发挥涡轮发动机和冲压发动机各自的性能优势以及共轴并联的结构优势：

9、(1)相比于传统涡轮冲压组合发动机，本发明采用更具潜力的核能作为主要动力，理论上具有无限续航能力，同时可以选择使用化学能，通过加力燃烧室提高飞行器的机动性，有利于组合发动机飞行器选择更优的飞行策略。

10、(2)相较于传统涡轮冲压的组合布局方式，本发明采用单通道进气方案，冲压进气道处于通道外环位置，涡轮进气道处于通道内圈位置，共用堆芯换热器，形成轴对称构型的核能涡轮冲压组合循环发动机，最大化地共用内部结构空间。

11、(3)采用内部有限机械结构调节，实现核能涡轮冲压组合循环发动机的多模态转换，实现从水平起飞到高声速飞行的宽速域变化。

12、进一步地，本发明提供的轴对称构型的核能涡轮冲压组合发动机还具备加力燃烧室，以核能作为主动力的同时也进行化学能补燃的组合，同时发挥补燃加力，有利于组合发动机飞行器选择更优的飞行策略；例如在巡航工作模式时，以核能作为动力，将具备极限比冲、无限航程的潜力；通过辅以化学能补燃，可进入机动飞行阶段。

技术特征：

1.一种轴对称构型的核能化学能混合多模式涡轮冲压组合发动机，其特征在于，包括：机体外壳(2)及均设置在机体外壳(2)内的进气旋转开关(1)、机体外壳(2)、压气机(3)、前开关门(4)、堆芯换热器(5)、后开关门(6)、涡轮(7)、尾喷管、冲压进气道(10)、堆芯换热器内机匣(11)、发动机转轴(12)、冲压排气喷管(13)及设置于涡轮与尾喷管之间的加力燃烧室(8)；

2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块，所述控制模块用于控制所述进气旋转开关(1)、前开关门(4)及后开关门(6)的开启或关闭，以使所述发动机在预设工作模态下运行；其中，所述预设工作模态包括核能涡轮工作模态、核能冲压-涡轮组合工作模态及核能冲压工作模态。

3.如权利要求2所述的发动机，其特征在于，在当前来流马赫数在第一区间时，所述控制模块控制进气旋转开关(1)关闭、前开关门(4)的另一端与机体外壳(2)内侧接触，以关闭冲压进气道(10)的入口及出口，并控制后开关门(6)的另一端与机体外壳(2)内侧接触，以关闭冲压排气喷管(13)的入口，从而使发动机在核能涡轮工作模态下运行；其中，第一区间为(0,2]。

4.如权利要求2所述的发动机，其特征在于，在当前来流马赫数在第二区间时，控制所述进气旋转开关(1)旋转以部分开启冲压进气道(10)的入口、控制前开关门(4)旋转以部分开启冲压进气道(10)的出口；并控制后开关门(6)的另一端旋转以部分开启冲压排气喷管(13)的入口，从而使发动机在核能冲压-涡轮组合工作模态下运行；其中，第二区间为(2,3]。

5.如权利要求2所述的发动机，其特征在于，在当前来流马赫数在第三区间时，所述控制模块控制所述进气旋转开关(1)完全打开、前开关门(4)的再次旋转以增大冲压进气道(10)的出口面积；并控制后开关门(6)的另一端与内侧及堆芯换热器内机匣(11)接触，以关闭涡轮(7)的入口，从而使发动机在核能冲压工作模态下运行；其中，第三区间为(3,5]。

6.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述进气旋转开关(1)包括框架及一个或多个面板；

7.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述尾喷管的喉道面积可调。

8.一种飞行器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的发动机。

技术总结本发明公开了一种轴对称构型的核能化学能混合多模式涡轮冲压组合发动机，属于航空航天发动机领域，该发动机采用核能涡轮冲压组合构型，发动机的转轴前端连接压气机，后端连接涡轮，堆芯换热器环形围绕在发动机转轴中间，使发动机不论在冲压工作模态还是涡轮工作模态，均能共用堆芯换热器、尾喷管以及加力燃烧室，提高空间利用率和结构集成度，同时通过发动机内部有限变结构调节方式，实现宽速域多模态高效热力匹配工作与模态过渡转换控制需求，充分发挥核能涡轮发动机与核能冲压发动机的性能优势，整体结构更加紧凑、重量更轻，提高了推重比，可以满足更高效率、更远航程的水平起降高超声速飞机的推进需求。技术研发人员：罗飞腾,覃飞鈜,陈文娟,龙垚松受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2