一种实现脉冲爆震火箭发动机高频工作方法

摘要

本发明提出了一种实现脉冲爆震火箭发动机高频工作方法，在脉冲爆震火箭发动机工作过程中，脉冲爆震火箭发动机的燃料供给系统以及氧化剂供给系统中的供给控制阀门始终打开；氧化剂供给压力和燃料的供给压力均处于爆震波平台区压力的正负5%范围内；氧化剂供给系统以氧气与氮气的混合物作为氧化剂，氧气浓度为30%～45%，氮气浓度为70%～55%。在推进剂填充阶段氧化剂与燃料正常供给，爆震波形成后，爆震管内的压力可以阻断氧化剂和燃料的供给，实现了氧化剂与燃料的间歇式供给。本方案去除了传统的隔离气体填充阶段，同时脉冲爆震火箭发动机工作频率不会受到电动阀工作频率的限制，仅由点火频率决定，这样可以提高脉冲爆震火箭发动机的工作频率。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体为一种实现脉冲爆震火箭发动机高频工作方法。

背景技术

脉冲爆震火箭发动机是一种利用脉冲爆震波产生周期性冲量的非定常推进系统， 是基于爆震燃烧基础上的间歇式工作的动力装置。研究表明，脉冲爆震火箭发动机的 工作频率对其性能参数有着重要影响。工作频率越高，发动机的工作状态越稳定，噪 声越小，同时可以得到更大的推力和推重比。当工作频率达到100Hz时，发动机产生 的推力趋近于连续。因此提高脉冲爆震火箭发动机的工作频率对其实际应用有着重要 意义。

脉冲爆震火箭发动机高频工作主要需要解决的问题有氧化剂与燃料的高速喷注与 混合，脉冲爆震间歇式燃烧方式与供油、供气、排气的匹配等。脉冲爆震火箭发动机 的一个工作周期包括燃料氧化剂填充阶段、爆震波形成和传播阶段、隔离气体填充阶 段和排气阶段。目前实验室中一般采用电磁阀控制推进剂与隔离气体的间歇式填充。 电磁阀的开启和关闭需要一定的响应时间，这就决定了电磁阀的工作频率有一个上限， 一般的脉冲爆震火箭发动机的工作频率都无法超越该频率上限。另外，隔离气体填充 阶段的时间也限制了工作频率的提高。

发明内容

要解决的技术问题

为实现氧化剂与燃料的有效供给，同时打破电磁阀对脉冲爆震火箭发动机工作频 率的限制，尽可能地提高脉冲爆震火箭发动机工作频率，本发明提出了一种实现脉冲 爆震火箭发动机高频工作方法。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种实现脉冲爆震火箭发动机高频工作方法，其特征在于：在脉冲爆震火箭 发动机工作过程中，脉冲爆震火箭发动机的燃料供给系统以及氧化剂供给系统中的供 给控制阀门始终打开；氧化剂供给压力和燃料的供给压力均处于爆震波平台区压力的 正负5%范围内；氧化剂供给系统以氧气与氮气的混合物作为氧化剂，氧气浓度为 30%～45%，氮气浓度为70%～55%。

所述一种实现脉冲爆震火箭发动机高频工作方法，其特征在于：氧气浓度为40%， 氮气浓度为60%。

有益效果

采用本发明提出的一种脉冲爆震火箭发动机高频工作方法，氧化剂采用氧气浓度 为30%～45%的氮氧混合物，其中优选氧气浓度为40%，氧化剂供给压力与燃料供给压 力为爆震波平台区压力，脉冲爆震火箭发动机工作时，电动阀保持常开状态，火花塞 按照设置的频率点火。推进剂填充阶段氧化剂与燃料正常供给，爆震波形成后，爆震 管内的压力可以阻断氧化剂和燃料的供给，实现了氧化剂与燃料的间歇式供给，并在 一定程度上隔离新鲜反应物与上一个循环的高温产物。本方案去除了传统的隔离气体 填充阶段，同时脉冲爆震火箭发动机工作频率不会受到电动阀工作频率的限制，仅由 点火频率决定，这样可以提高脉冲爆震火箭发动机的工作频率。

附图说明

图1：本发明所用的实验装置示意图，燃料为液态

图2：氧化剂、燃料供给与点火的工作时序图

图3：脉冲爆震火箭发动机工作频率为60Hz的压力波形图

图4：压力波形局部放大图

图5：本发明所用的实验装置示意图，燃料为气态

其中：1、挤压气体气瓶；2、截止阀，其中2-1为第一截止阀，2-2为第二截止阀， 2-3为第三截止阀，2-4为第四截止阀，2-5为第五截止阀；3、减压阀，其中3-1为第 一减压阀，3-2为第二减压阀，3-3为第三减压阀；4、液态燃料箱；5、电动阀，其中 5-1为第一电动阀，5-2为第二电动阀，5-3为第三电动阀；6、爆震管；7、火花塞；8、 防回火装置；9、氧化剂气瓶；10、气态燃料气瓶。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

实施例1：

参照附图1，本实施例中的脉冲爆震火箭发动机装置包括爆震管、燃料供给系统、 氧化剂供给系统、点火系统。

本实施例中，采用液态汽油作为燃料，氮气作为挤压气体，挤压气体通过第一截 止阀2-1、第一减压阀3-1和第二截止阀2-2与燃料箱4连接，燃料箱通过第三截止阀 2-3和第一电动阀5-1接到爆震管6头部的喷嘴上。氧化剂供给系统包括氧化剂气瓶9， 通过第四截止阀2-4、第二减压阀3-2和第二电动阀5-2以及防回火装置8接到爆震管 上。点火系统包括火花塞7和点火频率控制装置。

氧化剂供给系统中采用氧气与氮气的混合物作为氧化剂，其中氧气浓度为 30%～45%、氮气浓度为70%～55%，本实施例中取氧气浓度为30%，氮气浓度为70%， 采用这样配比的氧化剂，脉冲爆震火箭发动机工作时可以实现起爆，并能省去传统控 制方法需要的隔离气体。

在脉冲爆震火箭发动机工作过程中，控制氧化剂供给和燃料供给的阀门一直打开， 火花塞按一定的频率点火。氧化剂、燃料供给与点火的工作时序图如附图2所示，一 个工作周期点火一次，下降沿点火。而氧化剂的供给压力与燃料的供给压力接近爆震 波的平台区压力，本实施例氧化剂的供给压力与燃料的供给压力设置为爆震波的平台 区压力的正负5%范围内，而平台区压力如图4所示。这样在填充阶段，氧化剂与燃 料可以正常供给；爆震波形成及传播阶段，爆震管内的压力可以阻碍氧化剂燃料的供 给，实现氧化剂与燃料的间歇式供给。另外，燃料和氧化剂的间歇式供给可在一定程 度上隔离新鲜反应物与上一个循环的高温产物，从而省去了传统脉冲爆震火箭发动机 工作过程中隔离介质的填充过程。从而实现发动机的工作频率与点火频率一致。

本实施例中，在爆震管的爆震波传播段等距离安装四个压力传感器p1，p2，p3， p4，分别测量各处的压力，用来判断是否形成爆震波。并利用四个压力传感器p1，p2， p3，p4采集压力随时间变化的曲线。实验中最高点火频率达到60Hz，p1，p2，p3， p4对应的压力变化曲线如附图3所示，从图中可以看出脉冲爆震火箭发动机工作频率 为60Hz。

上述实验结果表明，这种脉冲爆震火箭发动机高频工作方法是可行的。附图4为 单次爆震压力波形放大图，氧化剂与燃料的供给压力与图中的平台区压力相近。这种 控制方法实现了氧化剂与燃料的有效供给，去除了传统的隔离气体填充阶段，打破了 电磁阀工作频率对脉冲爆震火箭发动机工作频率的限制，实现了脉冲爆震火箭发动机 的高频工作。

实施例2：

参照附图5，本实施例中采用气态燃料，去掉了挤压气体。气态燃料箱10直接通 过第五截止阀2-5、第三减压阀3-3和第三电动阀5-3接到爆震管6头部的喷嘴上。

本实施例中氧化剂供给系统中采用氧气与氮气的混合物作为氧化剂，其中氧气浓 度为40%，氮气浓度为60%，采用这样配比的氧化剂，脉冲爆震火箭发动机工作时可 以实现起爆，并能省去传统控制方法需要的隔离气体。

在脉冲爆震火箭发动机工作过程中，控制氧化剂供给和燃料供给的阀门一直打开， 火花塞按一定的频率点火。氧化剂的供给压力与燃料的供给压力接近爆震波的平台区 压力，本实施例氧化剂的供给压力与燃料的供给压力设置为爆震波的平台区压力的正 负5%范围内，平台区压力如图4所示。这样在填充阶段，氧化剂与燃料可以正常供 给；爆震波形成及传播阶段，爆震管内的压力可以阻碍氧化剂燃料的供给，实现氧化 剂与燃料的间歇式供给。另外，燃料和氧化剂的间歇式供给可在一定程度上隔离新鲜 反应物与上一个循环的高温产物，从而省去了传统脉冲爆震火箭发动机工作过程中隔 离介质的填充过程。从而实现发动机的工作频率与点火频率一致。

本实施例中，在爆震管的爆震波传播段等距离安装四个压力传感器p1，p2，p3， p4，分别测量各处的压力，用来判断是否形成爆震波。并利用四个压力传感器p1，p2， p3，p4采集压力随时间变化的曲线。

实验结果表明，这种脉冲爆震火箭发动机高频工作方法是可行的。这种控制方法 实现了氧化剂与燃料的有效供给，去除了传统的隔离气体填充阶段，打破了电磁阀工 作频率对脉冲爆震火箭发动机工作频率的限制，实现了脉冲爆震火箭发动机的高频工 作。

实施例3：

本实施例氧化剂中氧气浓度为45%，氮气浓度为55%，采用这样配比的氧化剂， 脉冲爆震火箭发动机工作时可以实现起爆，并能省去传统控制方法需要的隔离气体。

在脉冲爆震火箭发动机工作过程中，控制氧化剂供给和燃料供给的阀门一直打开， 火花塞按一定的频率点火。氧化剂的供给压力与燃料的供给压力接近爆震波的平台区 压力，本实施例氧化剂的供给压力与燃料的供给压力设置为爆震波的平台区压力的正 负5%范围内，平台区压力如图4所示。这样在填充阶段，氧化剂与燃料可以正常供 给；爆震波形成及传播阶段，爆震管内的压力可以阻碍氧化剂燃料的供给，实现氧化 剂与燃料的间歇式供给。另外，燃料和氧化剂的间歇式供给可在一定程度上隔离新鲜 反应物与上一个循环的高温产物，从而省去了传统脉冲爆震火箭发动机工作过程中隔 离介质的填充过程。从而实现发动机的工作频率与点火频率一致。

本实施例中，在爆震管的爆震波传播段等距离安装四个压力传感器p1，p2，p3， p4，分别测量各处的压力，用来判断是否形成爆震波。并利用四个压力传感器p1，p2， p3，p4采集压力随时间变化的曲线。

实验结果表明，这种脉冲爆震火箭发动机高频工作方法是可行的。这种控制方法 实现了氧化剂与燃料的有效供给，去除了传统的隔离气体填充阶段，打破了电磁阀工 作频率对脉冲爆震火箭发动机工作频率的限制，实现了脉冲爆震火箭发动机的高频工 作。