高超音速飛行器的制造方法
【專利說明】
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及航空、航天飛行器的有關(guān)問題，具體地說是指能在空天從靜止加速到超高音速并可返回重復(fù)使用的飛行器。
[0003]【【背景技術(shù)】】
[0004]我們通常把距地100千米以內(nèi)為航空、100千米以外為航天。要實(shí)現(xiàn)這種高超音速飛行器，至關(guān)重要的是發(fā)動機(jī)，而現(xiàn)有的各種發(fā)動機(jī)都有各種缺點(diǎn)和不足，無法實(shí)現(xiàn)高超音速飛行:活塞式、渦軸、渦槳、渦噴、渦扇、加力式渦扇發(fā)動機(jī)的飛行器只能亞音速、跨音速和超音速最多M3在距地30千米的范圍內(nèi)飛行。超燃沖壓發(fā)動機(jī)無法在靜止?fàn)顟B(tài)下自行啟動，認(rèn)為需要使用火箭助推到M4時才能啟動，在大氣層外不能使用。火箭發(fā)動機(jī)可在大氣層外使用，但需要自身攜帶大量的氧化劑且不可重復(fù)使用。國外已研究過渦輪/超燃沖壓和火箭/超燃沖壓等組合式發(fā)動機(jī)，但前者只能在大氣層內(nèi)工作，且由于距地高度不同，空氣中的氧含量也不同，發(fā)動機(jī)的效率難以保證；后者的火箭需要自身攜帶氧化劑且不可全部重復(fù)使用，不能充分利用含氧量高的低空中的氧。
[0005]【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]本發(fā)明的目的在于避免上述各種發(fā)動機(jī)的不足，提供一種能從靜止到高超聲速在大氣層內(nèi)外都能重復(fù)使用的高超音速發(fā)動機(jī)。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:1、研制一款能在低馬赫速度下啟動的沖壓/火箭發(fā)動機(jī)與現(xiàn)有的渦扇或渦噴發(fā)動機(jī)配合使用；2、將國外已研究的渦輪/超燃沖壓發(fā)動機(jī)改造為渦輪/超燃沖壓/火箭發(fā)動機(jī)；3、將現(xiàn)有加力式渦扇發(fā)動機(jī)升級為渦扇/超燃沖壓/火箭發(fā)動機(jī)。分別通過上述三種發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)飛行器從地面靜止、空中超音速、高空及太空高超音速飛行。同時將飛行器設(shè)計(jì)成面積和角度可變的機(jī)翼以適應(yīng)它在不同馬赫數(shù)等條件下飛行，將飛行器與空氣高速摩擦的表面設(shè)計(jì)成摩擦力和氣動加熱都小的凸凹不平藍(lán)魚皮狀。
[0008]本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):1、由于飛行器使用了全新的組合發(fā)動機(jī)可以像普通飛機(jī)一樣起飛和降落、可以從靜止到超高音速在大氣層內(nèi)外飛行，幾乎所有部件可重復(fù)使用；2、由于飛行器與空氣高速摩擦的表面設(shè)計(jì)成像鯊魚皮那樣凸凹不平，不僅可以因減小飛行器與空氣的摩擦力而減小飛行阻力，還可以利用空氣冷卻來減輕氣動加熱。
【【附圖說明】】
[0009]圖1是能在低馬赫速度下啟動的沖壓/火箭發(fā)動機(jī)方案示意圖；
[0010]圖2是稍加改進(jìn)的加力式渦扇發(fā)動機(jī)；
[0011 ]圖3是升級為渦輪/超燃沖壓/火箭發(fā)動機(jī)方案示意圖；
[0012]圖4是改造成渦扇/超燃沖壓/火箭發(fā)動機(jī)方案示意圖；
[0013]圖5為凸凹不平的鯊魚皮狀固體表面與流體滑動摩擦分析示意圖。
[0014]【【具體實(shí)施方式】】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明高超音速飛行器作詳細(xì)說明:
[0016]如圖1所示的能在低馬赫速度下啟動的沖壓/火箭發(fā)動機(jī)方案示意圖，依次是可調(diào)進(jìn)氣道[1]和與它通過氧化劑可調(diào)噴嘴[2]、氧化劑輸送管道[3]相通的飛行器上裝有液氧或其他氧化劑儲罐[4]、燃料噴嘴[5]、喇叭形氣體擴(kuò)散室[6]、空心圓錐體氣體擴(kuò)散器
[7]、空心圓錐氣體減速器[8]、燃燒室[9]和可調(diào)尾噴口 [10]。一定速度的空氣從可調(diào)進(jìn)氣道[1]進(jìn)入，霧化燃料從燃料噴嘴[5]噴出與空氣混合，混合氣體在擴(kuò)散器[7]的作用下在擴(kuò)散室[6]內(nèi)均勻擴(kuò)散到燃燒室[9]，部分經(jīng)擴(kuò)散器[7]內(nèi)蜂窩狀通氣管通過的混合氣體在減速器[8]的作用下反彈回來在它前面和擴(kuò)散器[7]后面形成一個氣團(tuán)[11]，經(jīng)加在擴(kuò)散器[7]和減速器[8]及它們支架兩端的高壓在氣團(tuán)[11]內(nèi)和它們支架之間產(chǎn)生電火花引燃?xì)鈭F(tuán)[11]和混合氣體，混合氣體在燃燒室[9]內(nèi)充分燃燒后從尾噴口 [10]高速噴出從而產(chǎn)生向前的推力。由于有速度較慢穩(wěn)定燃燒的氣團(tuán)[11]的存在，不管進(jìn)入可調(diào)進(jìn)氣道
[1]的空氣有多快，也能保證混合氣體能在燃燒室[9]內(nèi)充分燃燒。
[0017]我們就可以與圖2中稍加改進(jìn)的加力式渦扇發(fā)動機(jī)配合使用，由于傳統(tǒng)的加力式渦扇發(fā)動機(jī)沒有將外涵道的空氣和燃料與內(nèi)涵道排出缺氧燃?xì)夥珠_導(dǎo)致它們在加力燃燒室混合，會導(dǎo)致加力燃燒不充分而影響發(fā)動機(jī)的效率。我們在渦輪后面增加一個燃?xì)馐占襕12]和長度適當(dāng)?shù)膰娍诨蚺艢夤躘13]，將內(nèi)涵道排出的缺氧燃?xì)馀c外涵道的空氣和燃料分開，待外涵道的空氣和燃料充分燃燒后一同從尾噴口 [14]排出。在加力式渦扇發(fā)動機(jī)的前面增加一個在高速飛行該發(fā)動機(jī)停止工作時為減小其對飛行的阻力而可關(guān)閉的三角形進(jìn)氣道[15]。
[0018]裝有圖1能在低馬赫速度下啟動的沖壓/火箭發(fā)動機(jī)和圖2稍加改進(jìn)的加力式渦扇發(fā)動機(jī)的飛行器，先啟動加力式渦扇發(fā)動機(jī)將飛行器加速到額定速度和高度時，再啟動能在低馬赫速度下啟動的沖壓/火箭發(fā)動機(jī)一起將飛行器加速到不適合使用加力式渦扇發(fā)動機(jī)時將其關(guān)閉，由沖壓/火箭發(fā)動機(jī)繼續(xù)將飛行器加速更高的速度和高度，之間可根據(jù)空氣中的氧含量隨高度的增加而減少的情況，該發(fā)動機(jī)可自動調(diào)節(jié)可調(diào)進(jìn)氣道[1]的進(jìn)氣量和燃料噴嘴[5]的噴油量，還可同時打開并調(diào)整氧化劑可調(diào)噴嘴[2]向發(fā)動機(jī)內(nèi)噴入適量經(jīng)燃燒室[9]預(yù)熱了的氧等氧化劑，使該發(fā)動機(jī)的工作始終處于最佳狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入到空氣中的氧含量不適合該發(fā)動機(jī)工作的高度和速度時，將可調(diào)進(jìn)氣道[1]完全關(guān)閉，由可調(diào)噴嘴[2]噴出的液氧等氧化劑繼續(xù)與燃料噴嘴[5]噴出的燃料燃燒，這時該發(fā)動機(jī)就成了可以在大氣層外工作的火箭發(fā)動機(jī)了。
[0019]下面來分析超燃沖壓發(fā)動機(jī)推力情況:假設(shè)單位時間通過進(jìn)氣道[1]進(jìn)入空氣的質(zhì)量為ml，速度為vl，進(jìn)氣道[1]的面積為si ;噴入燃料的質(zhì)量為m2，氧化劑的質(zhì)量為m3，燃?xì)鈬姵龅乃俣葹関2，尾噴口 [10]的面積為s2 ;空氣、燃料和氧化劑經(jīng)過發(fā)動機(jī)的時間為
to
[0020]則空氣的加速的為:al = (v2_vl)/t，
[0021]燃料和氧化劑的加速的為:a2 = v2/t，
[0022]根據(jù)牛頓第二定律，燃?xì)鈱ξ矅娍?[10]的推力為:
[0023]f2 = ml*al+(m2+m3) *a2
[0024]= ml (v2-vl) /1+ (m2+m3) v2/t,
[0025]根據(jù)帕斯卡原理:在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液(流)體上的壓強(qiáng)將以等值同時傳到各點(diǎn)。高壓燃?xì)饨o容器內(nèi)壁單位面積的壓力相同(因燃?xì)獾拿芏群苄?，重力的影響可以忽略不?jì))，則對進(jìn)氣道[1]的反向推力為:p = fl/sl = f2/s2,
[0026]則:f1= f2*sl/s2 = [ml(v2_vl)/t+(m2+m3)v2/t]*sl/s2，
[0027]超燃沖壓發(fā)動機(jī)的推力為:
[0028]f = f2-fl
[0029]= ml(v2-Vl)/t+(m2+m3)v2/t-[ml(v2_vl)/t+(m2+m3)v2/t]*sl/s2
[0030]= [ml(v2_vl)/t+(m2+m3)v2/t]*(l_sl/s2)，
[0031]由此可見:發(fā)動機(jī)的推力與燃?xì)饨?jīng)過發(fā)動機(jī)的加速度成正比，也跟進(jìn)氣道[1]和尾噴口 [10]的面積即大小比有關(guān)，當(dāng)然也跟燃?xì)饧磪⑴c燃燒做功的燃料與吸入的空氣質(zhì)量有關(guān)。要想獲得最大的推力，必須綜合考慮上述三者的關(guān)系。同時從理論上講，只要有空氣通過進(jìn)氣道[1]持續(xù)進(jìn)入燃燒室[9]與燃料噴嘴[5]噴出的燃料燃燒做功對燃料和空氣產(chǎn)生加速度，該發(fā)動機(jī)就能正常工作產(chǎn)生推力，只是速度越快進(jìn)入進(jìn)氣道[1]的空氣越多，噴嘴[5]噴出的參與燃燒做功的燃料越多，燃料和氧在適當(dāng)長度的燃燒室[9](速度越快需要的燃燒室[9]越長)內(nèi)燃燒越充分，燃?xì)鈬姵龅乃俣染驮娇?、推力就越大、效率就越高。渦槳和大涵道比的渦扇發(fā)動機(jī)適合低速飛行。加力式渦扇、渦噴和超燃沖壓發(fā)動機(jī)就適合超音速和高超音速飛行，我們可以讓高超音速飛行器與陸地和航母上的大型和小型電磁或燃?xì)鈴椛淦魇褂茫屗邕^低速、直接高速起飛，提高它的飛行能力、擴(kuò)展它的使用范圍。
[0032]當(dāng)ml = 0、vl = 0、si = 0時