[发明专利]频率特性可调的超声速掺混增强结构及火箭基组合发动机

说明书

本发明提供一种频率特性可调的超声速掺混增强结构及火箭基组合发动机，包括超声速来流隔板，超声速来流隔板的两侧设有超声速来流通道，两个超声速来流通道在超声速来流隔板的尾端连通并形成超声速来流掺混区，超声速来流掺混区与超声速来流通道通过引流管连通，引流管包括设在超声速来流隔板的内部的扩张腔，扩张腔内设有容积可调的扩张管。由于引流管的两端存在压差，不需要提供额外的气源就可以在超声速来流掺混区形成射流，实现超声速来流掺混区的掺混增强控制，同时在引流管内布置扩张管，使得引流管喷出的射流具有一定的频率特性，并由于扩张管的容积大小可调，使得引流后管喷出的射流频率可调。本发明应用于超声速来流掺混控制领域。

技术领域

本发明涉及超声速来流掺混控制领域，尤其涉及一种频率特性可调的超声速掺混增强结构及火箭基组合发动机。

背景技术

引射作为火箭基组合发动机(Rocket Based Combined Cycle，RBCC)的关键过程，起到将火箭燃气与来流空气进行混合的作用。对于RBCC而言，自由来流经过进气道，在喷管尾缘与喷管燃气接触，当两者的混合达到分子层面即可发生化学反应，实现利用空气中氧气提高发动机比冲的目的。然而由于来流速度很高，在燃烧室内驻留的时间极短(小于1-3ms)，如何实现燃气与空气快速高效的混合是引射的关键问题，即增强掺混效果，决定了整个推进系统的性能。

超声速混合层作为引射过程的典型流动形式受到广泛关注，其中又以薄隔板产生的混合层为主要研究对象。然而在实际过程中，火箭燃气的温度极高(大于3500K，喷管喉部热流密度达到107～108W/m²)，喷管出口的温度也超过2500K。为了保护引射火箭几何结构，需要采用一定的冷却方式，这样势必导致后缘厚度增加，形成超声速钝后缘混合层，其流场结构如图1所示。

现有技术中对超声速来流掺混增强的控制方式包括两大类，即主动和被动。被动控制方案以改变尾缘结构为主，包括突片、锯齿、波瓣等，多基于改变尾缘结构，从而产生流向涡或不稳定脉动。主动控制方法则是主要通过向被控流场中主动注入能量和动量，从而改变流场的特征结构，达到控制掺混增强的作用。

基于改变尾缘结构的被动控制方案，结构简单、控制效果明显，但主要是针对从现实问题中抽象出来的薄后缘混合层，对于实际的钝后缘混合层，其隔板较厚，不易改变后缘结构，同时采用尖尾缘构型不利于防热。基于振片的主动控制方案，将振动片布置在流场中，对于真实情况下的组合发动机燃烧室，高温燃气很容易就会将振动片熔化。

发明内容

针对现有技术中对超声速来流掺混增强的控制方式无论是采用主动控制方案还是采用被动控制方案，都难以有效应用在实际中这一技术问题，本发明的目的是提供一种频率特性可调的超声速掺混增强结构及火箭基组合发动机，在超声速来流隔板内部设置引流管，用引流管将超声速来流掺混区与超声速来流通道连通，由于引流管的两端存在压差，不需要提供额外的气源，利用流场本身的流动特点就可以在超声速来流掺混区形成射流，从而实现对超声速来流掺混区的掺混增强控制，同时通过扩张腔、引流前管与引流后管组成引流管，并在扩张腔内设置容积可调的扩张管，使得引流前管内的气流在扩张管内重新组织，使得引流后管喷出的射流具有一定的频率特性，并且由于扩张管的容积大小可调，使得引流后管喷出的射流频率可调。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种频率特性可调的超声速掺混增强结构，其采用的技术方案是：

频率特性可调的超声速掺混增强结构，包括超声速来流隔板，所述超声速来流隔板的两侧分别设有超声速来流通道；

两个超声速来流通道在超声速来流隔板的尾端连通并在超声速来流隔板尾端的后方形成超声速来流掺混区，超声速来流掺混区与至少一个超声速来流通道通过至少一个引流管连通；

所述引流管包括设在超声速来流隔板的内部的扩张腔、引流前管与引流后管，所述扩张腔的一端通过引流前管与超声速来流通道，所述扩张腔的另一端通过引流后管与超声速来流掺混区连通；