一种利用低背压扫气的高初压脉冲爆震装置及方法

本发明属于爆震燃烧动力及航空航天推进，具体涉及脉冲爆震动力装置的循环控制与能量转化技术。

背景技术：

1、爆震波具有燃烧效率高、传播速度快的特点，其燃烧过程接近等容燃烧，因此基于爆震燃烧的动力系统相比基于缓燃的等压燃烧系统具有更高的热效率和功率密度，在航空航天推进领域具备良好的应用前景。爆震燃烧的组织方式主要有脉冲爆震、旋转爆震、驻定爆震三种，其中脉冲爆震技术相比另外两种方式在可控性与易实现性上更具优势。常规脉冲爆震发动机的工作循环通常由吹扫废气、填充燃料、点火起爆、排气做功四部分组成。

2、现有脉冲爆震发动机的吹扫过程会增加系统结构的复杂度，还会额外消耗吹扫气体并占用循环时间。此外，现有脉冲爆震发动机几乎都不设置排气阀，燃烧初始压力和燃烧终了时刻的压力都处于较低水平，这是制约脉冲爆震发动机推力和效率的关键因素。在非稳态脉冲气流经过固定喷管时，若排气压比不足，固定型面喷管的高效工作区间较窄，能量转换效率会进一步受到限制。借助低背压环境可在排气阶段实现燃烧室的彻底扫气，并在排气阀闭合状态下将燃料填充至远高于背压的水平，再结合燃烧过程的自增压特性形成高效的推力产生机制，但目前还缺乏针对这种运行模式的、具备详细时序控制参数的循环方法及对应的能量转化技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用低背压扫气的高初压脉冲爆震装置及方法，用于解决传统脉冲爆震循环增设吹扫流程结构复杂，已燃气做功压力低推力小，循环压比小热效率低，固定型面喷管能量转化效率偏低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种利用低背压扫气的高初压脉冲爆震装置，包括：

4、燃烧室；

5、供给单元，所述供给单元通过进气阀连通至所述燃烧室的进气端；

6、进气阀，所述进气阀装配于所述供给单元与所述燃烧室之间，用于导通或阻断流体通路；

7、点火组件，所述点火组件固定装配于所述燃烧室的腔壁；

8、排气阀，所述排气阀装配于所述燃烧室的排气端与喷管的进气端之间，用于导通或阻断流体通路；

9、喷管，所述喷管的进气端对接所述排气阀的出口侧。

10、在一种可能的实现方式中，所述供给单元包括燃料供应源、氧化剂供应源；

11、所述燃料供应源的出口侧连通至所述进气阀的入口侧；

12、所述氧化剂供应源的出口侧连通至所述进气阀的入口侧。

13、在一种可能的实现方式中，还包括时序控制单元；

14、所述时序控制单元分别与所述进气阀、所述排气阀、所述点火组件信号连接；

15、所述时序控制单元用于调控所述进气阀、所述排气阀与所述点火组件的动作时序。

16、在一种可能的实现方式中，还包括低压空间、真空泵；

17、所述低压空间连通设置于所述喷管的出口侧；

18、所述真空泵的抽气端连通至所述低压空间，用于抽取所述低压空间内的气体。

19、第二方面，本发明提供一种利用低背压扫气的高初压脉冲爆震方法，适用于所述的装置，包括以下步骤：

20、关闭所述排气阀并开启所述进气阀，通过所述供给单元向处于低压状态的所述燃烧室内填充反应介质至设定初始压力；

21、关闭所述进气阀使所述燃烧室形成密闭容腔，启动所述点火组件引燃所述燃烧室内的反应介质，完成燃烧并生成高温高压燃气；

22、开启所述排气阀，使所述燃烧室内的高温高压燃气流经所述喷管向低背压环境排出；

23、持续排气至所述燃烧室内部压力恢复至低背压水平，完成单次脉冲循环，单次脉冲循环总周期由填充时段、点火延迟时段、排气延迟时段、排气复位时段累加构成，点火后燃烧室内燃料完全燃烧所需时间为燃烧所需时间。

24、在一种可能的实现方式中，所述通过所述供给单元向处于低压状态的所述燃烧室内填充反应介质至设定初始压力的步骤包括：

25、开启所述供给单元的燃料供应源向所述燃烧室内输送燃料介质；

26、开启所述供给单元的氧化剂供应源向所述燃烧室内输送氧化剂介质；

27、使燃料介质与氧化剂介质在所述燃烧室内部混合形成可燃烧的反应介质；

28、所述启动所述点火组件引燃所述燃烧室内的反应介质，完成燃烧并生成高温高压燃气的步骤包括：

29、由所述点火组件触发爆燃火焰，火焰在燃烧室内自发加速并由爆燃状态转变为爆震状态；

30、在密闭的所述燃烧室内完成爆震燃烧反应，形成高温高压燃气环境。

31、在一种可能的实现方式中，所述完成单次脉冲循环，单次脉冲循环总周期由填充时段、点火延迟时段、排气延迟时段、排气复位时段累加构成的步骤包括：

32、将时序控制单元分别与所述进气阀、所述排气阀、所述点火组件建立信号连接；

33、通过所述时序控制单元分别调控所述填充时段对应的进气阀开启时长、所述点火延迟时段对应的进气阀关闭后点火启动时机、所述排气延迟时段对应的点火后排气阀开启时机、所述排气复位时段对应的排气持续时长；

34、通过调整四个时段各自的时长参数，改变单次脉冲循环的总周期长度。

35、在一种可能的实现方式中，当自然环境背压较高时，所述使所述燃烧室内的高温高压燃气流经所述喷管向低背压环境排出的步骤包括：

36、在所述喷管的出口侧布设低压空间；

37、将真空泵的抽气通路连通至所述低压空间，启动所述真空泵持续抽取所述低压空间内部气体，维持所述低压空间稳定的低背压工况；

38、将所述喷管排出的高温高压燃气先导入所述低压空间，再经由所述真空泵把燃气向外排出至外部环境。

39、在一种可能的实现方式中，所述开启所述排气阀，使所述燃烧室内的高温高压燃气流经所述喷管向低背压环境排出的步骤包括：

40、以所述点火组件的点火启动时刻为时间基准，结合所述燃烧室内燃烧反应进度调整所述排气阀的开启时刻；

41、选择在燃烧反应完成前、燃烧反应完成瞬间、燃烧反应完成后延迟任一节点开启所述排气阀；

42、通过排气延迟时段的调整，改变所述燃烧所需时间与所述排气复位时段二者的时间衔接节点。

43、在一种可能的实现方式中，所述持续排气至所述燃烧室内部压力恢复至低背压水平，完成单次脉冲循环的步骤包括：

44、重复执行单次脉冲循环的全部操作流程，形成连续脉冲式工作工况；

45、通过所述填充时段调整所述燃烧室内反应介质的设定初始压力，改变燃烧结束后的燃气终态压力；

46、通过协同调控脉冲循环工作频率与反应介质填充初始压力，实现装置推力与输出功率的连续可调控制。

47、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：现有脉冲爆震循环需要增设吹扫流程完成废气清理，会增加配套结构数量，还会额外消耗吹扫气体并占用循环工作时长，本发明借助低背压环境完成燃烧室废气扫出，省去吹扫对应的结构与介质消耗。现有脉冲爆震发动机燃烧初始压力和做功压力都较低，本发明利用排气阀极大地提高了燃烧初始压力，拉大燃气与外界环境的压力差值，拓宽固定型面喷管高效工作的工况范围，有效提升能量转化的整体效率。

48、现有脉冲爆震动力装置大多依靠自适应频率输出推力，推力调节区间较为有限，也缺少针对燃烧室受热状态的调控手段，难以兼顾不同应用场景的输出功率与装置热防护要求。本发明可通过改变循环工作频率与燃料填充初始压力调整推力输出大小，同时依靠控制排气阀启闭时间调整高温燃气在燃烧室内的停留时长，以此调控壁面受热情况，兼顾动力输出调节与装置热管理两方面的运行需要，更好地适配不同工况的使用要求。

49、现有脉冲爆震循环大多设计在高背压环境下运行，但燃烧终态压力较低使做功压比较低，固定型面喷管高效工作区间较窄。。本发明将设计场景选定于太空低背压环境以提高做功压比，拓宽固定型面喷管高效工作区间范围，同时可在地面环境搭建低压营造系统构造人工低背压条件，让整套循环流程既能够在太空真空环境正常运行，也可以在地面完成试验与工况调试，降低方案落地验证的条件门槛，便于和现有地面动力测试体系对接开展性能验证工作。