本发明专利技术提出基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置及调节方法，包括燃烧室和喷管，喷管扩张段靠近喷管喉部周向均布有若干质量注入装置；超临界水通过质量注入装置的喷口喷出，与达到超声速的燃气掺混，使得主流在射流作用下发生流动方向偏转，进一步使得万向连接处旋转，从而带动喷管尾部摆动，实现推力矢量调节。本发明专利技术实现了喷管燃气流动方向调节，推进剂和超临界水在发动机中的分开存贮，使之便于携带；可对喷管质量注入装置进行调控，实现喷管矢量调节；超临界水可以不同流速、不同流量沿壁面进入喷管喉部，与超声速燃气来流掺混燃烧，从而调控超声速燃气来流特性，降低喷管羽流红外信号和喷管附面层损失。降低喷管羽流红外信号和喷管附面层损失。降低喷管羽流红外信号和喷管附面层损失。
【技术实现步骤摘要】
基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置及调节方法
[0001]本专利技术属于固体火箭发动机喷管超声速燃气来流与超临界流体掺混燃烧及喷管推力调节领域，特别涉及基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置及调节方法。
技术介绍
[0002]导弹作为一种最重要的战略战术武器，其机动性和突防能力显得尤为重要。而具有推力矢量控制的发动机可极大的提高导弹的机动性和突防能力。推力调节技术是固体火箭发动机的一个重要研究领域，喷管是火箭发动机产生推力的装置，通过调节喷管推力及方向从而降低喷管燃气羽流红外辐射特性和喷管附面层损失、动力学损失是未来的发展方向。
[0003]目前实现发动机推力大小调节的方法是通过流体挤压的方式达到喉部燃气实际流通面积的调节，主要有涡流阀方案，即在喷管入口处设一个中心塞体，用于调整主流燃气的流动方向，主流燃气经流道进入涡旋室，涡旋室周围壳体上开有控制燃气切向喷射的喷射孔，在无切向燃气时，主燃气与正常喷管内流动没有区别，当有控制气流喷入时，气流混合，控制气流所带入的角动量会诱发旋转，增大压力梯度和流动阻力，促使燃烧室压力升高，从而推力增大。该方案在燃烧室内放置中心分流体，将会增加发动机的消极质量，同时，若燃气中含有金属固相颗粒，回旋易使颗粒在燃烧室内中心分流体处沉积；另外，回旋将增加喷管出口的径向动量，造成推力损失。
[0004]因此有必要设计一种基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置，解决以上难点并对喷管推力矢量调节控制进行研究，从而调控喷管燃气特性。
[0005]基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置其设计难点一在于喷管射流孔如何设计以达到喷管多方向多角度偏转的目的；难点二在于燃烧室与喷管间如何连接以达到喷管尾部可自由摆动的目的；难点三在于超临界流体与超声速燃气来流如何掺混配合以实现膨胀比实时调节与附面层损失和羽流红外特性减小的目的。超声速燃气来流与超临界流体掺混燃烧过程十分复杂，它是一种充满激波、膨胀波、混合层的黏性、可压缩湍流流动、并伴有多种相互作用和有限速率化学反应的超声速流动过程。
技术实现思路
[0006]为了减小喷管动力学损失与附面层损失，降低羽流红外特性，本专利技术提出了基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置及调节方法，本专利技术实现了喷管燃气流动方向调节，推进剂和超临界水在发动机中的分开存贮，使之便于携带；可对喷管质量注入装置进行调控，实现喷管矢量调节；超临界水可以不同流速、不同流量沿壁面进入喷管喉部，与超声速燃气来流掺混燃烧，从而调控超声速燃气来流特性，降低喷管羽流红外信号和喷管附面层损失。
[0007]本专利技术的技术方案是：基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置，包括燃烧室和喷管，其特征在于，所述燃烧室出口和喷管之间采用密封的万向连接；喷管扩张段靠近喷管喉部周向均布有若干质量注入装置；
[0008]所述燃烧室内设有推进剂，推进剂燃烧产生高温高压燃气，进入喷管收敛段加速达到超声速；
[0009]所述质量注入装置为若干个，质量注入装置一端开口作为注水入口，另一端开有圆孔作为喷口，内部为空腔作为注水通道；若干个质量注入装置均布在喷管内部时，喷口端朝向喷管内腔；
[0010]超临界水通过质量注入装置的喷口喷出，与达到超声速的燃气掺混，使得主流在射流作用下发生流动方向偏转，进一步使得万向连接处旋转，从而带动喷管尾部摆动，实现推力矢量调节；掺混后的气体形成水蒸气，一部分在喷管喉部和喷管扩张段的壁面形成气膜，一部分降低燃气来流速度，并与反应产物一起从喷管末端排出，形成喷管羽流。
[0011]进一步的，所述万向连接为球形连接头。
[0012]进一步的，所述密封为隔热层与耐高温密封圈。
[0013]进一步的，还包括超临界流体储箱和水泵，所述质量注入装置通过质量注入通道与水泵连接，水泵通过圆形管道与临超界流体储箱连接，临超界水储藏在临超界流体储箱中。
[0014]进一步的，通过设计安装在喷管上的质量注入装置的数量以及设计单个质量注入装置喷口的数量，来实现对喷管角度偏转和流量的控制。
[0015]基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置的调节方法，包括以下四个阶段：
[0016]第一阶段：推进剂在燃烧室内燃烧，产生高温高压燃气；
[0017]第二阶段：高温高压燃气进入喷管收敛段后，在喷管收敛段内进行加速达到超声速后，进入喷管喉部；
[0018]第三阶段：进入喷管喉部的高温高压燃气进入喷管扩张段；同时超临界水通过质量注入装置注入喷管扩张段，定义高温高压燃气为主流燃气，注入的超临界水为射流；本阶段共包括五部分内容：
[0019](1)柔性气动型面形成阶段：超临界水与与进入喷管扩张段的燃气进行掺混，超临界水挤压主流燃气的流动空间，形成新的主流燃气流动膨胀型面，实现膨胀比的调节；(2)推力矢量调节阶段：主流燃气经过射流作用后发生流动方向偏转，导致主流通道内壁面两侧压力不平衡，进而产生侧向力使球形连接处旋转，喷管尾部摆动，主流燃气方向变化；
[0020](3)：掺混冷却阶段：主流燃气与超临界水发生热交换吸热对超声速燃气来流进行冷却，从而发生物理相变使超临界水变为水蒸气，此过程为掺混冷却阶段；
[0021](4)气膜生成阶段：部分水蒸气在喷管喉部和喷管扩张段的壁面形成一个气膜，进而保护壁面；
[0022](5)掺混反应阶段：另一部分水蒸气与燃气来流发生吸热反应，降低超声速燃气来流的温度，并使得二次燃烧提前；最终水蒸气和反应产物从喷管末端排出，为喷管提供推力，形成喷管羽流。
[0023]专利技术效果
[0024]本专利技术的技术效果在于：相对于现有技术，本专利技术具有以下优势：
[0025]1、本申请可使喷管偏转，从而改变发动机主流燃气方向，获得额外操纵力矩。
[0026]2、本申请可以通过更换不同的质量注入装置以调节喷注的角度和流量。
[0027]3、本申请考虑到推力方向的改变，将超临界水从八个均匀分布的质量注入入口中喷入喷管喉部附近，可选择性打开质量注入装置，注入超临界水，通过对壁面产生侧向力以满足推力矢量调节的要求。
[0028]4、超临界水注入后，挤压主流燃气的流动空间，从而形成新的主流燃气流动膨胀型面，实现膨胀比的实时调节，使发动机时刻处于最佳膨胀状态。同时快速物理相变使超临界水由超临界状态转变为气相，充分发挥了它们的物理吸热能力，降低了喷管羽流红外特性。
[0029]5、本申请考虑到在气相状态下水和超声速燃气来流的混合均匀程度，在注入装置底部均匀设置三个喷孔，使得燃气来流与超临界水混合更加均匀充分，降低了喷管化学动力学损失，同时该反应为吸热反应，从而进一步降低了喷管羽流红外特性。
[0030]6、与涡流阀方案相比，本系统既可实现发动机推力大小调节，又可使超临界水与超声速燃气充分掺混，降低喷管羽流红外特性，减小附面层损失，增大推力。
附图说明
[003本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置，其特征在于，包括燃烧室和喷管，其特征在于，所述燃烧室出口和喷管之间采用密封的万向连接；喷管扩张段靠近喷管喉部周向均布有若干质量注入装置；所述燃烧室内设有推进剂，推进剂燃烧产生高温高压燃气，进入喷管收敛段加速达到超声速；所述质量注入装置为若干个，质量注入装置一端开口作为注水入口，另一端开有圆孔作为喷口，内部为空腔作为注水通道；若干个质量注入装置均布在喷管内部时，喷口端朝向喷管内腔；超临界水通过质量注入装置的喷口喷出，与达到超声速的燃气掺混，使得主流在射流作用下发生流动方向偏转，进一步使得万向连接处旋转，从而带动喷管尾部摆动，实现推力矢量调节；掺混后的气体形成水蒸气，一部分在喷管喉部和喷管扩张段的壁面形成气膜，一部分降低燃气来流速度，并与反应产物一起从喷管末端排出，形成喷管羽流。2.如权利要求1所述的基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置，其特征在于，所述万向连接为球形连接头。3.如权利要求1所述的基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置，其特征在于，所述密封为隔热层与耐高温密封圈。4.如权利要求1所述的基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置，其特征在于，还包括超临界流体储箱和水泵，所述质量注入装置通过质量注入通道与水泵连接，水泵通过圆形管道与临超界流体储箱连接，临超界水储藏在临超界流体储箱中。5.如权利要求1所述的基于多孔射流矢量合成技术的流体喉部喷管推力调节装置，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘殊远，王佩佩，程群力，韩陆洋，刘林林，张研，胡松启，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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