一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统

本发明属于无人飞行器动力领域，具体涉及一种一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统。

背景技术：

1、近来，小型无人机技术迅速发展，在航空领域展现出旺盛的生命力，成为世界各国争相研究的热点。此外，信息共享技术、协同技术等新型技术的提出与应用正推动着小型飞行器应用领域的拓展，如高空侦查、检测、救灾、物资投送等。

2、为实现飞行器工作区间向高海拔拓展，动力系统的选型至关重要。反三角转子发动机体积小、功重比高、航时长，可实现飞行器远距离、低速、低油耗巡航；而小型液体火箭发动机动力强劲、加速性能好，可提高飞行器响应速度，快速抵达目标地域。

3、截至目前，液体火箭发动机大多用于中大型航空航天飞行器，作为前几级动力系统。而微小型飞行器大多采用内燃机、电动力、小型涡喷等发动机作为动力。然而，电动力存在续航能力不足、工作裕度(工作海拔、工作温度)较窄，且加速性能差；小型涡喷发动机推力大，但油耗过高；传统内燃机动力性能较差，发动机高空功率衰减更加明显。相比较以上动力系统，反三角转子发动机体积更小，功重比更高、续航能力更强，在高空飞行器动力系统领域具有良好的前景。

4、然而，反三角转子发动机-液体火箭发动机组合动力研究尚处于空白。将反三角转子发动机-液体火箭发动机组合动力应用于微小型飞行器，可以兼顾两种动力系统的优势，实现高速运行、低速巡航两种工作状态转变。组合动力可用于初始阶段快速响应、抵达目标地域，后续阶段长航时巡航，可用于快速救灾、侦查等功能飞行器，具有良好的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，以解决上述存在的技术问题。本发明通过设置微型液体火箭发动机为第一级巡飞器动力，反三角转子发动机作为第二级无人机动力，同时作为驱动带动增压装置工作。通过串联式设置两级动力系统，同时提高无人飞行器快速响应能力与长时间巡航能力。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，包括飞行器壳体，在飞行器壳体前段布置有氧化剂供应系统和燃料供应系统，在飞行器壳体中段布置有增压装置、反三角转子发动机动力系统和发动机控制系统，在飞行器壳体尾部布置有微型液体火箭发动机动力系统；

4、氧化剂供应系统与燃料供应系统一方面与反三角转子发动机动力系统相连接，另一方面通过增压装置与微型液体火箭发动机动力系统相连接；控制系统用于控制燃料与氧化剂流量以及发动机点火时机。

5、本发明进一步的改进在于，飞行器壳体呈圆筒状，包括分别通过连接器依次连接的巡飞器前段、巡飞器中段和巡飞器尾部，巡飞器中段中布置有无人机壳体；巡飞器中段分为两级，第一级微型液体火箭发动机动力系统动力工作完毕后，此处的连接器解除约束，无人机壳体由第二级反三角转子发动机动力系统提供推力。

6、本发明进一步的改进在于，巡飞器前段呈椭圆状。

7、本发明进一步的改进在于，氧化剂供应系统包括中储氧罐和供氧管路，储氧罐内存有高压氧气，布置于巡飞器前段内，供氧管路一端与储氧罐连接，另一端与反三角转子发动机动力系统和增压装置的供氧端连接，且供氧量分别通过供氧总阀门与转子发动机供氧阀门调节。

8、本发明进一步的改进在于，燃料供应系统包括燃料箱、供油管路和燃油预热管路，燃料箱内存有航煤燃料，燃料箱沿周向安装于储氧罐上，供油管路一端连接于燃料箱，另一端连接于反三角转子发动机动力系统和增压装置的燃料端，供油量分别通过供油总阀门与转子发动机供油阀门调节；燃油预热管路布置在微型液体火箭发动机动力系统处，用于与尾喷管内的高温尾气热交换，实现燃油预热，提高燃烧效率。

9、本发明进一步的改进在于，增压装置采用离心式增压结构，包括主动齿轮、从动齿轮、涡轮泵主轴、增压涡轮、涡轮泵壳体、涡轮泵端盖和支撑轴承；

10、涡轮泵壳体与涡轮泵端盖组成内腔，支撑轴承安装于巡飞器中段上，用于定位涡轮泵主轴；从动齿轮安装于涡轮泵主轴上，并与主动齿轮啮合；增压涡轮安装于涡轮泵壳体内，与涡轮泵主轴过盈配合；涡轮泵壳体设置进、出口，分别与供氧管路、供油管路和燃油预热管路连接。

11、本发明进一步的改进在于，反三角转子发动机动力系统包括化油器、进气歧管、转子发动机本体、转子发动机点火器和发动机输出主轴；

12、化油器与供油管路连接，进气歧管与供氧管路连接；化油器与供氧管路均与转子发动机本体的进气管道连接；转子发动机点火器通过发动机控制系统控制；发动机输出主轴穿过转子发动机本体，与主动齿轮连接，通过旋转向外输出扭矩。

13、本发明进一步的改进在于，微型液体火箭发动机动力系统包括氧化剂喷注器、喷油嘴、火箭发动机点火器和尾喷管；

14、氧化剂喷注器分散布置、垂直安装于尾喷管头部，喷油嘴与燃油预热管路连接，周向安装于尾喷管前段，沿气流方向向后呈斜45°布置；火箭发动机点火器周向布置于尾喷管前段，通过发动机控制系统控制；尾喷管安装于巡飞器尾部上。

15、本发明进一步的改进在于，尾喷管呈收敛-扩张形状。

16、本发明进一步的改进在于，包括控制器、氧化剂阀门控制器、供油阀门控制线路和点火控制线路；

17、氧化剂阀门控制器与供油阀门控制线路分别与供养总阀门、转子发动机供氧阀门、供油总阀门、转子发动机供油阀门连接，通过控制器电信号控制阀门开度，控制反三角转子发动机动力系统和微型液体火箭发动机动力系统的燃油供应量；点火控制线路与转子发动机点火器、火箭发动机点火器连接，通过控制器电信号控制点火时刻。

18、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

19、在工作裕度方面，本发明采用反三角转子发动机-液体火箭发动机组合动力，采用航煤为燃料，相较于传统的单一动力，如内燃机、涡喷发动机，组合动力系统中的高效反三角转子发动机以及液体火箭发动机使得飞行器工作海拔更高，可适用于高空低温低压工作环境。

20、在执行任务方面，本发明中的组合动力可使得飞行器在开始工作或加速阶段使用液体火箭发动机，获得更高的飞行速度与加速度，可适用于启动加速、快速抵达等工作状态；在匀速飞行阶段，飞行器舍弃液体火箭动力，以转子发动机为动力，维持更长的续航时间，可适用于抵达目标地点附近的长时间巡航工况。

21、在动力系统布置方面，本发明中的反三角转子发动机一方面作为无人机动力系统，另一方面通过曲轴齿轮机构带动小型增压器，为液体火箭发动机燃料与氧化剂增压，实现高效燃烧。组合动力空间布置高效，占据体积更小，增加了无人飞行器负载，可携带更多的检测设备、救援物资、灭火粉剂等物品。

技术特征：

1.一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，包括飞行器壳体，在飞行器壳体前段布置有氧化剂供应系统和燃料供应系统，在飞行器壳体中段布置有增压装置、反三角转子发动机动力系统和发动机控制系统，在飞行器壳体尾部布置有微型液体火箭发动机动力系统；

2.根据权利要求1所述的一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，飞行器壳体呈圆筒状，包括分别通过连接器依次连接的巡飞器前段、巡飞器中段和巡飞器尾部，巡飞器中段中布置有无人机壳体；巡飞器中段分为两级，第一级微型液体火箭发动机动力系统动力工作完毕后，此处的连接器解除约束，无人机壳体由第二级反三角转子发动机动力系统提供推力。

3.根据权利要求2所述的一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，巡飞器前段呈椭圆状。

4.根据权利要求2所述的一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，氧化剂供应系统包括中储氧罐和供氧管路，储氧罐内存有高压氧气，布置于巡飞器前段内，供氧管路一端与储氧罐连接，另一端与反三角转子发动机动力系统和增压装置的供氧端连接，且供氧量分别通过供氧总阀门与转子发动机供氧阀门调节。

5.根据权利要求4所述的一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，燃料供应系统包括燃料箱、供油管路和燃油预热管路，燃料箱内存有航煤燃料，燃料箱沿周向安装于储氧罐上，供油管路一端连接于燃料箱，另一端连接于反三角转子发动机动力系统和增压装置的燃料端，供油量分别通过供油总阀门与转子发动机供油阀门调节；燃油预热管路布置在微型液体火箭发动机动力系统处，用于与尾喷管内的高温尾气热交换，实现燃油预热，提高燃烧效率。

6.根据权利要求5所述的一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，增压装置采用离心式增压结构，包括主动齿轮、从动齿轮、涡轮泵主轴、增压涡轮、涡轮泵壳体、涡轮泵端盖和支撑轴承；

7.根据权利要求6所述的一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，反三角转子发动机动力系统包括化油器、进气歧管、转子发动机本体、转子发动机点火器和发动机输出主轴；

8.根据权利要求7所述的一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，微型液体火箭发动机动力系统包括氧化剂喷注器、喷油嘴、火箭发动机点火器和尾喷管；

9.根据权利要求8所述的一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，尾喷管呈收敛-扩张形状。

10.根据权利要求8所述的一种无人机用转子-液体火箭发动机串联式组合动力系统，其特征在于，包括控制器、氧化剂阀门控制器、供油阀门控制线路和点火控制线路；

技术总结本发明公开了一种一种无人机用转子‑液体火箭发动机串联式组合动力系统。所述系统采取航空煤油为燃料，包括氧化剂供应系统微型液体火箭发动机动力系统和发动机控制系统等。所述氧化剂供应系统与燃料供应系统安装于壳体内，由发动机控制系统调节供油阀门、点火器开启时刻。氧化剂与航煤燃料一方面经过输送管路进入转子发动机，用于燃烧做功，带动离心式增压装置工作；另一方面进入增压装置，经过增压后进入火箭发动机，经过雾化、混合，点燃后经过尾喷管喷出，获得推进动力。所述第一级火箭动力工作完毕后，连接器解除约束，巡飞器外壳抛弃，结束高速工作状态。此时，内置无人机由第二级转子发动机提供动力，进入低速巡航状态。技术研发人员：何光宇,杨正浩,杜洋,耿琪,王瑞受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6