[发明专利]一种宽域吸气组合式空天发动机及其工作方法和应用

说明书

本发明提供了一种宽域吸气组合式空天发动机及其工作方法和应用，该空天发动机以氨作为燃料和冷却介质，其工作模态按照飞行马赫数主要包括Ma0～Ma2的纯涡轮模态、Ma2～Ma5的预冷模态和Ma5～Ma10的纯冲压模态。本发明构思合理，设计难度低，以氨作为燃料和冷却介质能使其在Ma0～Ma2的纯涡轮模态、Ma2～Ma5的预冷模态和Ma5～Ma10的纯冲压模态下高效工作运行，动力强劲，可以在有效利用氨的高热沉的同时，实现燃烧产物的无碳排放(产物为氮气和水)，有效拓展发动机的工作马赫数，缩短发动机的设计周期，降低成本，能在很大程度上避免使用氢或碳氢燃料面临的技术瓶颈，能够大幅提高飞行器的飞行马赫数范围，具备广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及吸气式空天发动机技术领域，具体涉及一种宽域吸气组合式空天发动机及其工作方法和应用。

背景技术

宽速域组合发动机是未来空天飞行器的核心部件，随着高超声速技术的发展，基于涡轮发动机与冲压发动机的组合发动机——涡轮基组合循环发动机成为最有发展前景的动力系统之一。涡轮基组合循环发动机具有水平起降，比冲高及宽飞行范围等优势，成为近年来高超声速动力领域的研究重点。但遗憾的是，目前可以工作到马赫数7以上的超燃冲压发动机还无法在马赫数4以下提供足够的推力，而现有的涡轮发动机也很难在马赫数3以上正常工作，形成了短期内难以逾越的“推力鸿沟”。为了解决这一问题，目前国内外提出了空气预冷的技术方案，以提升涡轮发动机的最高工作马赫数。

目前，实现进气预冷的方式主要有两种，射流预冷和换热器预冷，相比于射流预冷，换热器预冷可以适应更高来流马赫数的工作范围。发动机工质的选择很关键，国际上主要研究氢燃料，还有部分学者研究了碳氢燃料。与氢燃料相比，氨具有更高的密度，可以将飞行器体积做的更小。而且氨不会给材料带来“氢脆”问题，简化了发动机的加工工艺和加工难度。同时氢的储存条件远比氨苛刻；与碳氢燃料相比，氨的燃烧产物中不含碳，更环保。而且氨在高温下不会像含碳燃料那样结焦积碳，堵塞换热管道，有望工作于比碳氢燃料马赫8以上的更高马赫数。

因此，本发明选用氨作为燃料和预冷工质，提出了一种宽速域吸气组合式发动机。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种构思合理，设计难度低，动力强劲，工作效率高，能在很大程度上避免使用氢或碳氢燃料面临的技术瓶颈，能够大幅提高飞行器的飞行马赫数范围，具备广阔的应用前景的宽域吸气组合式空天发动机及其工作方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种宽域吸气组合式空天发动机，以氨作为燃料和冷却介质，其工作模态按照飞行马赫数主要包括Ma0～Ma2的纯涡轮模态、Ma2～Ma5的预冷模态和Ma5～Ma10的纯冲压模态。

所述宽域吸气组合式空天发动机，其中：所述空天发动机包括进气道、预冷器、混合器、压气机、预燃烧室、涡轮、主燃烧室和冲压燃烧室；

所述预冷器利用氨冷却介质对全部或部分来流空气进行预冷，其进气端通过管道连接所述进气道并通过所述进气道接收来流空气，输出端通过管道连接所述混合器的输入端；

所述混合器用于将所述预冷器冷却的空气进行混合，其出气端通过管道连接所述压气机的进气端；

所述压气机用于对预冷后温度降低的空气进行压缩，其出气端通过管道连接所述预燃烧室；所述压气机通过轴还与所述涡轮连接；

所述预燃烧室的出气端通过管道连接至所述涡轮的进气端，以将过量的空气与部分氨燃料燃烧后形成富氧燃气送入所述涡轮；

所述涡轮的出气端通过管道连接所述主燃烧室的进气端，所述主燃烧室的出气端连接有主路喷管；所述涡轮利用富氧燃气作为做功介质，驱动所述涡轮带动所述压气机压缩空气；所述主燃烧室将富氧燃气与另一部分氨燃料燃烧，形成高温燃气通过所述主路喷管排出，提供推力；