一种预热式进水冲压发动机结构与控制方法

1.本发明属于水下航行器动力技术领域，具体涉及一种预热式进水冲压发动机结构与控制方法。


背景技术：

2.目前，各国海军在水面舰艇、潜艇装备以及新概念新技术等方面取得重大进展。当前形势下，水下高效攻击性武器在现代战场中的作用显得愈加重要。根据作战方案的要求，水下攻击性武器必需同时兼具远程追踪和近距离快速攻击的特点，这对水下武器的动力推进系统提出了更高的要求：务必具有高能量密度；必须具备长时间工作能力；必须具备快速打击能力。在传统的动力系统中，电推进方式的工作时间较长，可以灵敏的变航速运行，具有较强的追踪能力，但爆发力不足，难以完成快速打击任务。固体燃料推进系统爆发力很强，但推进功率单一，不能调节，且燃料携带量有限，不适合远程追踪。因此急需开展新型动力技术研究，以满足当前作战需求。
3.在各种可利用的能源中，金属燃料所具有的高热值能量受到各国的重视，尤其部分金属燃烧过程所需要的氧化剂可以由工作环境中引入的水介质充当，其可行性和方便性已经得到证明，并在已有武器型号中得到利用，值得深入挖掘其具备的潜力。但在已有的航行器动力系统中，航速单一，难以实现航速转换，缺乏作战需要的灵活性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种预热式进水冲压发动机结构与控制方法，针对不同作战方针，将水冲压高金属含量推进剂发动机与高金属含量固体火箭发动机相结合，通过合理设计进水方法，调整冲压入水总量与入水分布方式，满足不同航行速度下系统对推进动力的需求；同时提高金属水反应效率，从而提高发动机做功效率。一种预热式进水冲压发动机结构，发动机壳体的头部装药段(1)的后端依次接至少一个组合段，最后一个组合段的尾部接尾燃烧室段后再接喷嘴(5)；其中，组合段由燃烧室段(2)及后端连接的进水段(3)构成；燃烧室段(2)的壳体为内外双层结构，形成一个环腔(4)；进水段(3)的壳体也为内外双层结构，形成一个两端封闭的环腔；进水段(3)的环腔中具有连接两侧燃烧室段(3)的环腔(4)的通道，使得两端的环腔(4)联通；
5.至少一个燃烧室段(2)的外壳体上设置有总进水口(10)，总进水口(10)通过一个进水控制阀(8)连接外部进水口(9)；每个进水段(3)的环腔的外壳体通过一个进水控制阀(8)联通到前端或者后端的燃烧室段(3)的环腔(4)的出水口(11)；每个进水段(3)的内侧壳体上沿周向均匀设置多个内部进水口(12)。
6.较佳的，装药段(1)、组合段以及尾燃烧室段互相连接处通过端部的法兰盘(7)对接。
7.较佳的，所述法兰盘(7)通过螺栓相连。
8.较佳的，所述法兰盘(7)通过焊接方式相连。
9.较佳的，所述组合段的数量为1-3个。
10.一种预热式进水冲压发动机结构的控制方法，包括：
11.(1)水冲压发动机工作启动后，点燃药柱(6)；
12.(2)打开外部进水口(9)连接的进水控制阀(8)；
13.(3)开启第一个进水段(3)上接的进水控制阀(8)；
14.(4)每经过一个设定时间后，顺次打开后面进水段(3)的进水控制阀(8)；
15.或者，打开选定的进水段(3)的进水控制阀(8)。
16.本发明具有如下有益效果：
17.本发明提供的预热式进水冲压发动机，突破了传统水下航行器单一航速的限制，可通过调节进水量与进水方式实现对发动机功率的控制，从而实现对航速的控制。冲压发动机的进水系统设计巧妙，通过预热的方式进入发动机内，即利用燃料燃烧余热，又提高了进水雾化效率，从而提高了燃料的燃烧效率。本发明提供的发动机，无需其他附加装置，即可在同一发动机燃烧室结构中，实现低速巡航和高速打击两种典型运动状态，有效节省了水下航行器的空间，实现小空间内集成多种复杂功能。提高了水下武器系统的战斗性与灵活性。
18.本发明设计的发动机壳体为中空，冲压进水在进入燃烧室前，通过壳体实现预热，更有利于雾化蒸发。
19.本发明设计的进水系统有多次进水入口，一次进水入口离药柱较近，根据设计方案，通过控制通水阀的开度，调整进水量，实现进水与金属燃料定量燃烧反应。二次进水分为两次进入，在发动机喷嘴前设计两个入水口，减小单个喷嘴的进水流量，提高雾化效果，有利于充分燃烧。
附图说明
20.图1为本发明的预热式进水冲压发动机示意图。
21.其中，1-装药段，2-燃烧室段，3-进水段，4-环腔，5-喷嘴，6-药柱，7-连接法兰，8-进水控制阀，9-外部进水口，10-总进水口，11-出水口，12-内部进水口。
具体实施方式
22.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
23.如图1所示，本发明的预热式进水冲压发动机壳体分段连接而成，头部装药段1的后端依次接至少一个组合段，最后一个组合段的尾部接尾燃烧室段后再接喷嘴5；其中，组合段由燃烧室段2及后端连接的进水段3构成；燃烧室段2的壳体为内外双层结构，形成一个环腔4；进水段3的壳体也为内外双层结构，形成一个两端封闭的环腔；进水段3的环腔中具有连接两侧燃烧室段3的环腔4的通道，使得两端的环腔4联通，最后所有燃烧室段2的环腔4均联通，外部进水经由进水控制阀8通过总进水口10进入环腔4，可在环腔4内预热。
24.其中，至少一个燃烧室段2的外壳体上设置有总进水口10，总接水口10通过一个进水控制阀8连接外部进水口9；每个进水段3的环腔的外壳体通过一个进水控制阀8联通到前端或者后端的燃烧室段3的环腔4的出水口11；每个进水段3的内侧壳体上沿周向均匀设置多个内部进水口12。
25.发动机壳体各分段之间通过法兰盘7由连接螺栓相连，组合段可拆卸，发动机总长度也将随之变化。可根据推力需要或者根据不同药柱6的燃烧需要，调整进水段3数量(即组合段数量)，可设置1-3个进水段，也可为配合不同药柱6的燃烧特点，改变燃烧室段3的长度，由此改变进水段3中内部进水口12与药柱6间的距离，达到控制燃气与进水的化学反应程度的目的。
26.进水控制阀8用于控制进水口是否打开工作。外部进水口9由外部进水，通过进水控制电阀8经筒体总进水口10进入发动机中空壳体1，全部燃烧室段2的环腔4。从发动机头部，第一个进水段3的进水控制阀8打开后，燃烧室段2的环腔4中水经出水口11进入进水段3的环腔，并经进水段3内壳体上的内部进水口12进入发动机燃烧室内部，参与燃烧反应。同理，后面进水段3的进水过程跟第一个进水段3的进水过程一样。
27.发动机药柱6可根据推力设计需要，制作成空心结构或者实心结构，设置于发动机头部的装药段1内，总进水口10可以设置在第一个燃烧室段2的壳体上。
28.本发明装置的工作原理为：
29.水冲压发动机在接到启动指令后，首先点燃烧药柱6，产生燃气，再航行体外部的水进入发动机壳体的环腔4中，再由电磁阀8控制，先后进入第一个进水段3、第二个进水段3和第三个进水段3的内部入水口12，再经内部入水口12的雾化作用与发动机内的药柱6燃烧产生的燃气掺混，发生金属水反应，释放热量并增加工质，再由喷嘴5降压加速喷射出发动机，产生推力。
30.总结本发明直喷式多级动力水下推进器的操作方法，步骤如下：
31.(1)水冲压发动机工作启动后，药柱6被点燃，产生少量燃气，发动机燃烧室温度升高。
32.(2)打开外部进水口9连接的进水控制阀8，将航行体外部的水引入第一个燃烧室段2的环腔4中，通过第一个进水段3中设置的通道，充满所有燃烧室段2的环腔4，吸收由药柱6燃烧产生的热量，水温升高，同时对壳体产生冷作用。
33.(3)开启第一个进水段3上接的进水控制阀8，外部进水经由该进水段3内壳体上的内部进水口12进入第一个燃烧室段3内，发生雾化，并与药柱6燃烧产生的燃气发生水反应，进一步释放燃料能量，并提升燃烧室内温度。
34.(4)同理，打开第二个进水段3的进水控制阀8，壳体环腔4内预热后的外部进水进入燃烧室内，与内部燃气掺混，进一步发生汽化相变，增加发动机做功工质。
35.(5)燃气与相变蒸发后的水蒸汽从发动机喷嘴5喷出，产生推力，推动航行体前行。
36.(6)根据推力需要，可以选择开启部分进水段3的进水控制阀8，进水量将随之调整，从而调整金属水反应量，控制发动机的做功功率。
37.(7)也可根据航行体空间限制，拆卸部分组合段，调整发动机长度，使其适应作战方案。
38.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。