超音速冲压式喷气发动机和相关飞行器以及方法技术

本发明专利技术的名称为超音速冲压式喷气发动机和相关飞行器以及方法。超音速冲压式喷气发动机包括收敛入口，配置为将燃料流引入燃烧室中的气流中并且燃烧该燃料空气混合物流以产生排气流的燃烧器，和配置为加速排气的扩散出口喷嘴。燃烧器包括含有至少一个电弧喷射引擎的燃料喷射系统。产生用于飞行器的推力的方法包括在收敛入口处压缩超音速进气流，将燃料流喷射到燃烧室中的气流中以产生燃料空气混合物流，点燃燃料空气混合物流以产生排气流，并且由扩散出口喷嘴排出排气流。将燃料流喷射到气流中包括以足以在燃料流与气流之间产生剪切的燃料速度喷射燃料流。

Supersonic ramjet engines and related aircraft and methods

The invention is named as a supersonic ramjet engine and related aircraft and a method thereof. A supersonic ramjet engine includes a convergent inlet, a burner configured to introduce a fuel flow into the airflow in the combustion chamber and burn the fuel-air mixture flow to generate an exhaust flow, and a diffuse outlet nozzle configured to accelerate the exhaust flow. The burner includes a fuel injection system comprising at least one arc jet engine. The method of generating thrust for aircraft includes compressing supersonic intake flow at convergence inlet, injecting fuel flow into airflow in combustion chamber to generate fuel-air mixture flow, igniting fuel-air mixture flow to generate exhaust flow, and discharging exhaust flow from diffusion outlet nozzle. The fuel flow is injected into the airflow including a fuel flow at a rate sufficient to generate shear between the fuel flow and the airflow.

【技术实现步骤摘要】
超音速冲压式喷气发动机和相关飞行器以及方法
本公开内容涉及超音速冲压式喷气发动机。
技术介绍
冲压式喷气发动机是在没有轴流压缩机的燃烧室中使用发动机的向前运动来压缩进气的吸气式喷气发动机。超音速燃烧冲压式喷气发动机，也称为超音速冲压式喷气发动机，是在燃料-空气混合物的超音速流中发生燃烧的冲压式喷气发动机。使用超音速燃烧可以产生相对于利用亚音速燃烧可以实现的在增加的马赫数下的更高水平的性能，如在冲压式喷气发动机或涡轮喷气发动机中。在超音速冲压式喷气发动机的设计中主要的工程约束涉及可用于点燃和完成燃料-空气混合物的燃烧的短时间。例如，超音速冲压式喷气发动机可以具有如此长度并且可以配置为在如此速度下操作，在该速度下空气在1毫秒(ms)量级的时间段内穿过超音速冲压式喷气发动机燃烧器。如果燃料被作为射流或以液滴的形式喷射进入燃烧室，那么燃料必须蒸发和扩散进入气流以产生有效可燃烧的燃料-空气混合物。然而，扩散通常是相对缓慢的过程，产生在空气穿过燃烧室的时间范围期间燃料和空气的低效混合。因此，燃料和空气的低效混合可以导致潜在推力的损失和/或燃料的浪费。
技术实现思路
本文公开了超音速冲压式喷气发动机以及相关飞行器和方法。超音速冲压式喷气发动机包括配置为压缩进气流的收敛入口，具有位于收敛入口下游的燃烧室的燃烧器，和位于燃烧室下游的扩散出口喷嘴。燃烧器配置为将燃料流引入燃烧室中的气流中以产生燃料空气混合物流，并且点燃和燃烧燃料空气混合物流以产生排气流。燃烧器包括燃料喷射系统，该燃料喷射系统包括至少一个电弧喷射引擎(arcjet)，该电弧喷射引擎配置为以足以在燃料流与气流之间产生剪切的燃料速度将燃料流喷射至燃烧室中的气流中。扩散出口喷嘴配置为加速排气流以产生超音速冲压式喷气发动机的推力。产生用于飞行器的推力的方法包括：在收敛入口中压缩超音速进气流，将燃料流喷射入位于收敛入口下游的燃烧室中的气流中以产生燃料空气混合物流，点燃燃烧室中的燃料空气混合物流，维持燃料空气混合物流在燃烧室中的燃烧以产生排气流，并且从位于燃烧室下游的扩散出口喷嘴排出排气流。将燃料流喷射入气流中包括以足以在燃料流与气流之间产生剪切的燃料速度喷射燃料流。附图说明图1是根据本公开内容的表示超音速冲压式喷气发动机和飞行器的示意图。图2是根据本公开内容的表示燃料喷射系统的示意性横截面图。图3是根据本公开内容的表示燃料喷射系统的示意图。图4是根据本公开内容的表示燃料喷射系统的另一示意图。图5是根据本公开内容的示意性表示产生用于飞行器的推力的方法的流程图。具体实施方式本文公开了超音速冲压式喷气发动机以及相关的飞行器和方法。通常，在附图中，以实线图解在给定实例中可能包括的元件，而以虚线图解对于给定实例可选的元件。然而，以实线图解的元件对于本公开内容的所有实例不是必需的，并且可以从具体实例中省略以实线示出的元件，而不背离本公开内容的范围。图1是根据本公开内容的超音速冲压式喷气发动机100的示例性、非排他性实例的示意图，诸如可以与飞行器10结合使用。例如，和如图1中示意性图解的，飞行器10可以包括飞行器主体20，一个或多个超音速冲压式喷气发动机100固定至其，以便向飞行器10提供推力。飞行器10通常可用于运输人员、货物和/或其他有效负载，并且可以是商业飞行器、军用飞行器或武器诸如导弹。根据本公开内容使用至少一个超音速冲压式喷气发动机100的飞行器10通常可以配置为以超音速速度，即超过1马赫的速度运行。如本文所使用，马赫数旨在指示关于(即，除以)周围空气中的声音的速度，诸如可能受周围空气的性质(诸如温度)的影响。如图1中示意性图解，超音速冲压式喷气发动机100包括配置为压缩进气流112的收敛入口110，具有位于收敛入口110下游的燃烧室130的燃烧器120，以及位于燃烧室130下游的扩散出口喷嘴220。进气流112可以具有超音速的空气速度(如，关于收敛入口110)，即大于至少1马赫。作为更具体的实例，进气流112的空气速度可以大于2马赫、大于4马赫和/或大于6马赫。燃烧器120配置为在燃烧室130内将燃料流132引入气流112中以产生燃料空气混合物流134，并且点燃和燃烧燃料空气混合物流134以产生排气流136。如图1中示意性图解，燃烧室130可以包括混合区131和位于混合区131下游的燃烧区133，燃料流132在混合区131中与气流112混合以产生燃料空气混合物流134，燃料空气混合物流134在燃烧区中燃烧。扩散出口喷嘴220配置为加速排气流136以产生推力。燃烧器120包括具有至少一个电弧喷射引擎160的燃料喷射系统150，电弧喷射引擎160配置为在燃烧室130中将燃料流132喷射至气流112中。燃料喷射系统150通常配置为将燃料流132喷射至燃烧室130中以在燃料流132和气流112之间产生剪切。燃料喷射系统150可以根据燃料流132被喷射到燃烧室130中的燃料速度进行表征。例如，燃料喷射系统150可以配置为以如此的燃料速度将燃料流132喷射到燃烧室130中，该燃料速度大于或等于在收敛入口110中的进气流112的空气速度。如本文所使用，术语“速度(speed)”旨在指相应速度矢量(velocity)的大小，而与相应速度矢量的方向无关。作为实例，燃料速度可以是进气流112的空气速度的至少一半、至少等于、至少2倍、至少3倍、和/或至少4倍。燃料流132的燃料速度和气流112的空气速度之间的这种不匹配可促进燃料流132与气流112的混合，诸如通过在燃料流132与气流112之间产生剪切，从而引入湍流以促进燃料流132与气流112的混合。另外，如果燃料流132的燃料喷射压力大于气流112的入口空气压力，则可在燃烧室130内形成冲击波以进一步增强燃料-空气混合。利用电弧喷射引擎160将燃料流132引入燃烧室130可用于实现足以产生剪切和/或冲击波以增加燃料空气混合物流134的均匀性的燃料速度和/或燃料压力。额外地或可选地，燃料喷射系统150可以根据与进气流112的流动方向平行的燃料流132的纵向燃料流速度矢量分量进行表征。作为实例，燃料喷射系统150可以配置为以纵向燃料流速度矢量分量将燃料流132喷射到燃烧室130中，纵向燃料流速度矢量分量的大小为进气流112的空气速度的至少一半、至少等于、至少2倍、至少3倍、和/或至少4倍。燃料流132的纵向燃料流速度矢量分量与进气流112的空气速度之间的这种不匹配也可促进燃料流132与气流112的混合，例如通过在燃料流132与气流112之间产生剪切，从而引入湍流以促进燃料流132与气流112的混合。图2提供了根据本公开内容的电弧喷射引擎160的示意性横截面图解。如图2中示意性图解，电弧喷射引擎160可以包括电弧喷射引擎主体162，其限定燃料流132流过的内部体积164。电弧喷射引擎160还可以包括第一电极166、第二电极168和电压源190，电压源190配置为跨越第一电极166和第二电极168施加电压以在第一电极166和第二电极168之间形成离子化的等离子体的电弧170。更具体地，电弧喷射引擎主体162可以包括和/或限定第一电极166，并且第二电极168可以延伸到电弧喷射引擎主体162的内部体积164中。作为实例，可以配置电弧喷射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超音速冲压式喷气发动机(100)，其包括：配置为压缩进气流(112)的收敛入口(110)；包括位于所述收敛入口下游的燃烧室(130)的燃烧器(120)，其中所述燃烧器配置为将燃料流(132)引入所述燃烧室中的气流中以产生燃料空气混合物流(134)，并且点燃和燃烧所述燃料空气混合物流以产生排气流(136)，其中所述燃烧器包括燃料喷射系统(150)，所述燃料喷射系统包括至少一个电弧喷射引擎(160)，所述电弧喷射引擎配置为以足以在所述燃料流与所述气流之间产生剪切的燃料速度将所述燃料流喷射至所述燃烧室中的气流中；和位于所述燃烧室下游并配置为加速所述排气流以产生所述超音速冲压式喷气发动机的推力的扩散出口喷嘴(220)。

【技术特征摘要】
2017.07.31 US 15/665,2271.一种超音速冲压式喷气发动机(100)，其包括：配置为压缩进气流(112)的收敛入口(110)；包括位于所述收敛入口下游的燃烧室(130)的燃烧器(120)，其中所述燃烧器配置为将燃料流(132)引入所述燃烧室中的气流中以产生燃料空气混合物流(134)，并且点燃和燃烧所述燃料空气混合物流以产生排气流(136)，其中所述燃烧器包括燃料喷射系统(150)，所述燃料喷射系统包括至少一个电弧喷射引擎(160)，所述电弧喷射引擎配置为以足以在所述燃料流与所述气流之间产生剪切的燃料速度将所述燃料流喷射至所述燃烧室中的气流中；和位于所述燃烧室下游并配置为加速所述排气流以产生所述超音速冲压式喷气发动机的推力的扩散出口喷嘴(220)。2.根据权利要求1所述的超音速冲压式喷气发动机(100)，其中所述至少一个电弧喷射引擎(160)包括第一电极(166)和第二电极(168)，其中所述燃料喷射系统(150)还包括可调电压源(190)，其配置为跨越所述第一电极和所述第二电极施加电压；和其中所述燃料喷射系统配置为调节所述电压以调节所述燃料速度。3.根据权利要求1所述的超音速冲压式喷气发动机(100)，其中所述至少一个电弧喷射引擎(160)包括第一电极(166)和第二电极(168)，其中所述燃料喷射系统(150)还包括可调电压源(190)，所述可调电压源配置为跨越所述第一电极和所述第二电极施加电压；和其中所述燃料喷射系统配置为调节所述电压以调节所述燃料流(132)的涡量。4.根据权利要求1所述的超音速冲压式喷气发动机(100)，其中所述至少一个电弧喷射引擎(160)包括第一电极(166)和第二电极(168)，其中所述燃料喷射系统(150)还包括可调电压源(190)，所述可调电压源配置为跨越所述第一电极和所述第二电极施加电压；和其中所述燃料喷射系统配置为调节所述电压以调节所述燃料空气混合物流(134)的均匀性。5.根据权利要求1所述的超音速冲压式喷气发动机(100)，其中所述至少一个电弧喷射引擎(160)包括限定内部体积(164)的电弧喷射引擎主体(162)，当被所述至少一个电弧喷射引擎喷射时所述燃料流(132)流动通过所述电弧喷射引擎主体并且所述电弧喷射引擎主体限定延伸进入所述电弧喷射引擎主体的所述内部体积的第一电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·R·赫尔，J·A·格罗斯尼克，D·尼基克，K·G·鲍克特，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US