高超音速飞行器制造技术

本实用新型专利技术公开的是一种能在天空从静止加速到超高音速并可返回重复使用的高超音速飞行器。要实现这种高超音速飞行器，至关重要的是发动机：提供了一款能在低马赫速度下启动的冲压/火箭发动机与现有的涡扇或涡喷发动机配合使用；将国外已研究的涡轮/超燃冲压发动机改造为涡轮/超燃冲压/火箭发动机；将现有加力式涡扇发动机升级为涡扇/超燃冲压/火箭发动机。同时将飞行器设计成面积和角度可变的机翼以适应它在不同马赫数等条件下飞行，将飞行器与空气高速摩擦的表面设计成摩擦力和气动加热都小的凸凹不平鲨鱼皮状。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】
本专利技术涉及航空、航天飞行器的有关问题，具体地说是指能在空天从静止加速到超高音速并可返回重复使用的飞行器。【
技术介绍
】我们通常把距地100千米以内为航空、100千米以外为航天。要实现这种高超音速飞行器，至关重要的是发动机，而现有的各种发动机都有各种缺点和不足，无法实现高超音速飞行:活塞式、涡轴、涡桨、涡喷、涡扇、加力式涡扇发动机的飞行器只能亚音速、跨音速和超音速最多M3在距地30千米的范围内飞行。超燃冲压发动机无法在静止状态下自行启动，认为需要使用火箭助推到M4时才能启动，在大气层外不能使用。火箭发动机可在大气层外使用，但需要自身携带大量的氧化剂且不可重复使用。国外已研究过涡轮/超燃冲压和火箭/超燃冲压等组合式发动机，但前者只能在大气层内工作，且由于距地高度不同，空气中的氧含量也不同，发动机的效率难以保证；后者的火箭需要自身携带氧化剂且不可全部重复使用，不能充分利用含氧量高的低空中的氧。【
技术实现思路
】本专利技术的目的在于避免上述各种发动机的不足，提供一种能从静止到高超声速在大气层内外都能重复使用的高超音速发动机。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是:1、研制一款能在低马赫速度下启动的冲压/火箭发动机与现有的涡扇或涡喷发动机配合使用；2、将国外已研究的涡轮/超燃冲压发动机改造为涡轮/超燃冲压/火箭发动机；3、将现有加力式涡扇发动机升级为涡扇/超燃冲压/火箭发动机。分别通过上述三种发动机实现飞行器从地面静止、空中超音速、高空及太空高超音速飞行。同时将飞行器设计成面积和角度可变的机翼以适应它在不同马赫数等条件下飞行，将飞行器与空气高速摩擦的表面设计成摩擦力和气动加热都小的凸凹不平藍鱼皮状。本专利技术同现有技术相比，具有以下优点:1、由于飞行器使用了全新的组合发动机可以像普通飞机一样起飞和降落、可以从静止到超高音速在大气层内外飞行，几乎所有部件可重复使用；2、由于飞行器与空气高速摩擦的表面设计成像鲨鱼皮那样凸凹不平，不仅可以因减小飞行器与空气的摩擦力而减小飞行阻力，还可以利用空气冷却来减轻气动加热。【【附图说明】】图1是能在低马赫速度下启动的冲压/火箭发动机方案示意图；图2是稍加改进的加力式涡扇发动机；图3是升级为涡轮/超燃冲压/火箭发动机方案示意图；图4是改造成涡扇/超燃冲压/火箭发动机方案示意图；图5为凸凹不平的鲨鱼皮状固体表面与流体滑动摩擦分析示意图。【【具体实施方式】】下面结合附图对本专利技术高超音速飞行器作详细说明:如图1所示的能在低马赫速度下启动的冲压/火箭发动机方案示意图，依次是可调进气道和与它通过氧化剂可调喷嘴、氧化剂输送管道相通的飞行器上装有液氧或其他氧化剂储罐、燃料喷嘴、喇叭形气体扩散室、空心圆锥体气体扩散器、空心圆锥气体减速器、燃烧室和可调尾喷口 。一定速度的空气从可调进气道进入，雾化燃料从燃料喷嘴喷出与空气混合，混合气体在扩散器的作用下在扩散室内均匀扩散到燃烧室，部分经扩散器内蜂窝状通气管通过的混合气体在减速器的作用下反弹回来在它前面和扩散器后面形成一个气团，经加在扩散器和减速器及它们支架两端的高压在气团内和它们支架之间产生电火花引燃气团和混合气体，混合气体在燃烧室内充分燃烧后从尾喷口 高速喷出从而产生向前的推力。由于有速度较慢稳定燃烧的气团的存在，不管进入可调进气道的空气有多快，也能保证混合气体能在燃烧室内充分燃烧。我们就可以与图2中稍加改进的加力式涡扇发动机配合使用，由于传统的加力式涡扇发动机没有将外涵道的空气和燃料与内涵道排出缺氧燃气分开导致它们在加力燃烧室混合，会导致加力燃烧不充分而影响发动机的效率。我们在涡轮后面增加一个燃气收集室和长度适当的喷口或排气管，将内涵道排出的缺氧燃气与外涵道的空气和燃料分开，待外涵道的空气和燃料充分燃烧后一同从尾喷口 排出。在加力式涡扇发动机的前面增加一个在高速飞行该发动机停止工作时为减小其对飞行的阻力而可关闭的三角形进气道。装有图1能在低马赫速度下启动的冲压/火箭发动机和图2稍加改进的加力式涡扇发动机的飞行器，先启动加力式涡扇发动机将飞行器加速到额定速度和高度时，再启动能在低马赫速度下启动的冲压/火箭发动机一起将飞行器加速到不适合使用加力式涡扇发动机时将其关闭，由冲压/火箭发动机继续将飞行器加速更高的速度和高度，之间可根据空气中的氧含量随高度的增加而减少的情况，该发动机可自动调节可调进气道的进气量和燃料喷嘴的喷油量，还可同时打开并调整氧化剂可调喷嘴向发动机内喷入适量经燃烧室预热了的氧等氧化剂，使该发动机的工作始终处于最佳状态。当进入到空气中的氧含量不适合该发动机工作的高度和速度时，将可调进气道完全关闭，由可调喷嘴喷出的液氧等氧化剂继续与燃料喷嘴喷出的燃料燃烧，这时该发动机就成了可以在大气层外工作的火箭发动机了。下面来分析超燃冲压发动机推力情况:假设单位时间通过进气道进入空气的质量为ml，速度为vl，进气道的面积为si ;喷入燃料的质量为m2，氧化剂的质量为m3，燃气喷出的速度为v2，尾喷口 的面积为s2 ;空气、燃料和氧化剂经过发动机的时间为to则空气的加速的为:al = (v2_vl)/t，燃料和氧化剂的加速的为:a2 = v2/t，根据牛顿第二定律，燃气对尾喷口 的推力为:f2 = ml*al+(m2+m3) *a2= ml (v2-vl) /1+ (m2+m3) v2/t,根据帕斯卡原理:在密闭容器内，施加于静止液(流)体上的压强将以等值同时传到各点。高压燃气给容器内壁单位面积的压力相同(因燃气的密度很小，重力的影响可以忽略不计)，则对进气道的反向推力为:p = fl/sl = f2/s2,则:f1= f2*sl/s2 = *sl/s2，超燃冲压发动机的推力为:f = f2-fl= ml(v2-Vl)/t+(m2+m3)v2/t-*sl/s2= *(l_sl/s2)，由此可见:发动机的推力与燃气经过发动机的加速度成正比，也跟进气道和尾喷口 的面积即大小比有关，当然也跟燃气即参与燃烧做功的燃料与吸入的空气质量有关。要想获得最大的推力，必须综合考虑上述三者的关系。同时从理论上讲，只要有空气通过进气道持续进入燃烧室与燃料喷嘴喷出的燃料燃烧做功对燃料和空气产生加速度，该发动机就能正常工作产生推力，只是速度越快进入进气道的空气越多，喷嘴喷出的参与燃烧做功的燃料越多，燃料和氧在适当长度的燃烧室(速度越快需要的燃烧室越长)内燃烧越充分，燃气喷出的速度就越快、推力就越大、效率就越高。涡桨和大涵道比的涡扇发动机适合低速飞行。加力式涡扇、涡喷和超燃冲压发动机就适合超音速和高超音速飞行，我们可以让高超音速飞行器与陆地和航母上的大型和小型电磁或燃气弹射器使用，让它跨过低速、直接高速起飞，提高它的飞行能力、扩展它的使用范围。当ml = 0、vl = 0、si = 0时当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高超音速飞行器，其特征在于其冲压/火箭发动机包括可调进气道和与它通过氧化剂可调喷嘴[2]、氧化剂输送管道[3]相通的飞行器上装有液氧或其他氧化剂储罐[4]、燃料喷嘴[5]、喇叭形气体扩散室[6]、空心圆锥气体扩散器[7]、空心圆锥气体减速器[8]、燃烧室[9]和可调尾喷口[10]，高速气流在空心圆锥气体扩散器[7]和减速器[8]之间形成一个稳定燃烧保证冲压发动机持续工作的高温气团[11]；其涡轮/超燃冲压/火箭发动机包括可调进气道修改成还可完全关闭并在其内部增加氧化剂可调喷嘴[2]，在涡轮后面增加一个燃气收集室[16]和长度适当的喷口或排气管[17]，冲压发动机的喷油嘴[18]把雾化的燃料与进来的空气混合点火燃烧后，经锥底在前空心锥形扩散减速器[19]均匀扩散到燃烧室进一步充分燃烧，并在锥形扩散减速器[19]锥尖和排气管[17]之间形成一个高温燃气团[20]以保证燃气不会熄灭、冲压发动机能持续工作，直到速度和高度不适合涡喷时才将其关闭单独使用冲压发动机，然后将可调进气道由小面积逐渐到完全关闭，可调喷嘴[2]由小到完全打开，它就成了火箭发动机；其涡扇/超燃冲压/火箭发动机包括在风扇和加力燃烧室之间合适位置增加一个可向外打开的进气道[21]和一个可向内关闭涡扇发动机外涵道的开关[22]，在进气道[21]的后面设氧化剂可调喷嘴[2]，当加力式涡扇发动机将飞行器送到它能够到达的最大速度和高度时，打开进气道[21]，然后关闭外涵道的开关[22]和涡扇发动机的三角形进气道[15]，这时空气流就会绕过风扇从进气道[21]进入与喷油嘴[23]喷出的雾化燃料混合点火燃烧后，经锥底在前的空心锥形扩散减速器[24]均匀扩散到燃烧室进一步充分燃烧，并在锥形扩散减速器[24]锥尖和 排气管[13]之间形成一个高温燃气团[25]以保证燃气不会熄灭、冲压发动机能持续工作，随着速度和高度不断提高，可逐渐缩小进气道[21]、增加可调喷嘴[2]喷出氧化剂的速度，直到完全关闭进气道[21]、可调喷嘴[2]完全打开就成了火箭发动机，进气道[21]可不与涡扇外涵道共用以第三涵道直接进入加力燃烧室；将飞行器与空气高速摩擦的表面设计成摩擦力和气动加热都小的凸凹不平鲨鱼皮状。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴畏，
申请(专利权)人：吴畏，
类型：新型
国别省市：湖南;43