一种分离式多级推力的水下动力系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种分离式多级推力的水下动力系统及其控制方法，将水冲压发动机嵌套在环状中空的固体火箭发动机中，设计出了一种分离式多级推力水下动力系统。助推段由固体火箭发动机提供推力，增大了推力，缩短了加速时间。续航段由固体水冲压发动机推进，提高了发动机比冲和续航时间。本发明专利技术对助推段固体火箭发动机进行了改进，将助推段发动机设计成环状中空的形状，嵌套于水冲压发动机补燃室外，均匀环状造型能够保证助推段发动机脱离时航行体受力均匀，大大提高发动机可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种分离式多级推力的水下动力系统及其控制方法
本专利技术涉及一种分离式多级推力的水下动力系统及其控制方法，属于水下航行动力

技术介绍
水下航行器以其在水中自主航行的卓越性能，常被运用于在水下进行各项活动和任务。传统水下航行器大多采用螺旋桨式推进，这种推进方式有航行速度慢，航程短的缺点，同时，为螺桨提供能源的电池在长期储存上存在诸多困难。针对传统螺桨式推进的缺陷，世界各国开始采用喷射式推进系统。常见的喷气式动力系统分为助推段和续航段两级发动机，其中续航段采用金属燃料水冲压发动机，助推段的推力由捆绑在航行体外壁的多个小型固体火箭发动机提供。航行体首先经过助推段发动机推进加速，当速度达到水冲压发动机的工作需求时，助推段多个小型固体火箭发动机脱离航行体，水冲压发动机开始工作，产生推力，保证航行体完成后续的航行。但是，悬挂在外壁的小型固体火箭发动机会为航行体加速阶段带来不必要的阻力，而且在脱离航行体时，所有的小型发动机的脱离并不能精准控制在同一时刻，这样会造成航行体受力不均，大大降低航行的可靠性。所以，为了解决这一问题，本专利技术将助推段固体火箭发动机设计成环状并嵌套于续航段水冲压发动机的外侧，能够很好地解决助推段发动机脱离时造成的航行体受力不均的问题，对于提高航行体的性能具有重要意义。
技术实现思路
针对传统水下动力系统推进下的航行体速度较低，以及传统动喷气式动力系统在助推发动机分离阶段容易造成航行体受力不均的缺陷，本专利技术的目的是提供一种分离式多级推力的水下动力系统及其控制方法，一方面，可以满足大推力加速以及长时间持续高速航行的工作需求，另一方面，有效减少甚至杜绝了助推段发动机在分离时造成的航行体受力不均的问题，大大提高水下航行体的航行能力。本专利技术的目的是这样实现的：包括通过爆炸螺栓连接的续航段发动机和助推段发动机，续航段发动机包括续航段发动机壳体、依次设置在续航段发动机壳体内的续航段进水管路、续航段燃气发生器、续航段补燃室、续航段尾喷管，续航段燃气发生器内设置有续航段药柱；所述助推段发动机包括与续航段发动机壳体连接的助推段发动机壳体、设置在助推段发动机壳体内的助推段发动机药柱、与助推段发动机壳体端部连接的助推段发动机尾喷管。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.续航段发动机壳体包括壳体前段、阶梯状的壳体后段，且壳体后段的大端与壳体前段连接，助推段发动机壳体、壳体前段、壳体后段的大端的外径相等，助推段发动机壳体是与壳体后段的大端的端面连接，所述助推段发动机药柱是环形的且两端通过助推段发动机药柱支撑件与助推段发动机壳体连接，所述壳体后段的小端位于助推段发动机药柱内。2.续航段进水管路包括主进水管、与主进水管连接的进水管缓冲室、与进水管缓冲室连接的一次进水管和二次进水管，一次进水管和二次进水管的端部分别与续航段补燃室连通且在管路上设置有进水管球形阀；续航段燃气发生器包括依次连接的续航段燃气发生器前封头、续航段燃气发生器筒体、续航段燃气发生器喷管，续航段补燃室与续航段燃气发生器喷管连通，续航段尾喷管与续航段补燃室端部连接。3.所述一次进水管和二次进水管分别有四个且交替设置，二次进水管的长度大于一次进水管的长度。4.助推段发动机药柱采用含金属的DB/Al/AP高能固体推进剂；续航段药柱采用纳米铝基固体推进剂，推进剂为质量分数为70～90％的铝、7.5～20％的过氯酸铵以及2.5～10％粘合剂制成的高能推进剂。5.一种分离式多级推力的水下动力系统的控制方法，包括所述分离式多级推力的水下动力系统，具体是：(1)助推段加速阶段：续航段发动机不工作，续航段主进水管、续航段一次进水管(5)、续航段二次进水管不工作，续航段进水管阀门关闭；助推段发动机药柱燃烧产生的燃气从助推段发动机尾喷管喷出产生推力；(2)分离阶段：助推段发动机停止工作，爆炸螺栓炸断，助推段发动机与航行体分离；(3)续航阶段：续航段进水管阀门打开，续航段主进水管、续航段一次进水管、续航段二次进水管开始工作，续航段燃气发生器中推进剂自持燃烧产生的高温燃气在续航段补燃室中与冲压进入的海水掺混二次燃烧，产生的燃气从续航段尾喷管喷出产生推力。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种分离式多级推力的水下动力系统，针对传统喷气式水下动力系统将助推段发动机悬挂在续航段发动机侧面，为加速阶段带来额外阻力且脱离航行体时造成航行体受力不均的问题，将助推段固体火箭发动机设计成环状并嵌套于续航段水冲压发动机的外侧，两者之间通过爆炸螺栓连接。这种设计减少了航行体加速阶段阻力，大大削弱了助推段分离时造成的航行体受力不均的问题。本专利技术提供的一种分离式多级推力的水下动力系统，在助推段固体火箭发动机中采用DB/Al/AP固体推进剂，在药柱设计上采用内外燃药柱增大燃面面积，实现航行体水下大推力加速；在续航段水冲压发动机中采用纳米铝基固体推进剂，纳米级铝颗粒能够增大与海水的接触面积，促进推进剂的燃烧；同时，高能金属基推进剂也能够大幅提高续航阶段发动机的比冲和续航时间。在助推加速阶段，助推发动机固体推进剂燃烧，产生的燃气从助推段尾喷管喷出，为航行体提供推力。在续航阶段，续航段燃气发生器中纳米铝金属基推进剂燃烧，产生的高温燃气通过燃气发生器喷管进入补燃室，与海水反应，产生的高温燃气从尾喷管排出，产生推力。本专利技术提供的一种分离式多级推力的水下动力系统，将水冲压发动机与固体火箭发动机在结构上进行嵌套，实现了水下多级推进装置的合理布局，满足大推力加速以及长时间持续高速航行的工作需求，有效减少甚至杜绝了助推段发动机在分离时造成的航行体受力不均的问题，极大地提高水下航行体的综合性能。附图说明图1是本专利技术一种分离式多级推力的水下动力系统立体图；图2是本专利技术一种分离式多级推力的水下动力系统剖视图；图3是续航段发动机(含壳体)立体图；图4是续航段发动机(无壳体)立体图；图5是续航段发动机(含壳体)剖视图；图6是助推段发动机立体图；图7是助推段发动机剖视图；图8是助推段发动机A-A截面剖视图；图9是助推段发动机药柱支撑件；其中，1-续航段燃气发生器，2-续航段补燃室，3-续航段尾喷管，4-续航段主进水管，5-续航段一次进水管，6-续航段二次进水管，7-续航段入水缓冲室，8-续航段一次进水管阀门，9-续航段二次进水管阀门，10-续航段燃气发生器前封头，11-续航段燃气发生器筒体，12-续航段燃气发生器喷管，13-续航段补燃室前盖，14-续航段补燃室筒体，15-续航段尾喷管收敛段，16-续航段尾喷管扩张段，17-续航段药柱，18-续航段药柱弹性垫，19-续航段发动机壳体前段，20-续航段发动机壳体后段，21-助推段发动机壳体，22-助推段发动机药柱，23-助推段发动机药柱支撑件，24-助推段发动机尾喷管，25-爆炸螺栓。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。结合图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分离式多级推力的水下动力系统，其特征在于：包括通过爆炸螺栓连接的续航段发动机和助推段发动机，续航段发动机包括续航段发动机壳体、依次设置在续航段发动机壳体内的续航段进水管路、续航段燃气发生器、续航段补燃室、续航段尾喷管，续航段燃气发生器内设置有续航段药柱；所述助推段发动机包括与续航段发动机壳体连接的助推段发动机壳体、设置在助推段发动机壳体内的助推段发动机药柱、与助推段发动机壳体端部连接的助推段发动机尾喷管。/n

【技术特征摘要】
1.一种分离式多级推力的水下动力系统，其特征在于：包括通过爆炸螺栓连接的续航段发动机和助推段发动机，续航段发动机包括续航段发动机壳体、依次设置在续航段发动机壳体内的续航段进水管路、续航段燃气发生器、续航段补燃室、续航段尾喷管，续航段燃气发生器内设置有续航段药柱；所述助推段发动机包括与续航段发动机壳体连接的助推段发动机壳体、设置在助推段发动机壳体内的助推段发动机药柱、与助推段发动机壳体端部连接的助推段发动机尾喷管。


2.根据权利要求1所述的一种分离式多级推力的水下动力系统，其特征在于：续航段发动机壳体包括壳体前段、阶梯状的壳体后段，且壳体后段的大端与壳体前段连接，助推段发动机壳体、壳体前段、壳体后段的大端的外径相等，助推段发动机壳体是与壳体后段的大端的端面连接，所述助推段发动机药柱是环形的且两端通过助推段发动机药柱支撑件与助推段发动机壳体连接，所述壳体后段的小端位于助推段发动机药柱内。


3.根据权利要求1或2所述的一种分离式多级推力的水下动力系统，其特征在于：续航段进水管路包括主进水管、与主进水管连接的进水管缓冲室、与进水管缓冲室连接的一次进水管和二次进水管，一次进水管和二次进水管的端部分别与续航段补燃室连通且在管路上设置有进水管球形阀；续航段燃气发生器包括依次连接的续航段燃气发生器前封头、续航段燃气发生器筒体、续航段燃气发生器喷管，续航段补燃室与续航段燃气发生器喷管连通，续航段尾喷管与续航段补燃室端部连接。


4.根据权利要求3所述的一种分离式多级推力的水下动力系统，其特征在于：所述一次进水管和二次进水管分别有四个且交替设置，二次进水管的长度大于一次进水管的长度。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王革，周凌，周博成，刘丛林，杨海威，关奔，梅自强，陈磊，王英男，苏成志，李德坚，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23