一种燃面跟随式水冲压供水方法

1.本发明属于水下航行器动力技术领域，具体涉及一种燃面跟随式水冲压供水方法。


背景技术：

2.由于航行体在水下航行时，需要克服由外壳与水摩擦产生的粘性阻力，而这种粘性阻力大约是空气阻力的1000倍。水下航行体航行所需要的能量与航行速度的立方成正比，即若要将航速提高10倍，则需要消耗1000倍的能量。因此。常规动力的航行体在水下的航速一般在30-70节，很难有大的突破。
[0003]“超空泡”航行体，即是以“超空泡”物理特性为理论依据，利用自然形成或人为制造的“超空泡”达到减阻的目的。超空泡航行体可以突破水下航行体的运动速度极限，随着舰船科技的发展，各种探测拦截手段的日新月异，超高速航行体是世界各国军事研究的重点。
[0004]
推进系统是超空泡航行体的一个技术瓶颈。常规火箭发动机在水中具有两大严重的技术缺陷：航程有限和当深度增加时推力随着压力的增加而下降。其中，推力随着压力的增加而下降问题可利用超空泡推进螺旋桨技术来加以解决。增大航程则可用一种高能量密度的动力装置技术来解决——金属燃料水反应发动机；金属基燃料与水反应的组织形式是金属燃料水反应发动机的技术难点，即如何提高金属燃料与水反应的掺混燃烧效果。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种燃面跟随式水冲压供水方法，可实现发动机进水位置跟随燃面推移变化。
[0006]
一种燃面跟随式水冲压供水方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤1：将推进剂填装至发动机壳体内，在发动机壳体内壁沿推进剂长度方向布设喷水装置，发动机壳体外侧连接供水腔；所述喷水装置包括喷嘴、电磁阀和烧蚀材料；所述电磁阀用于控制喷嘴的开闭，所有喷水装置的电磁阀由控制模块控制；所述烧蚀材料粘贴在喷嘴的出水孔处；
[0008]
步骤2：在发动机点火后，推进剂燃烧产生燃面，且随着推进剂的不断燃烧，燃面从推进剂的起始端不断向终端推移；通过控制模块发出指令，控制发动机壳体内壁周向的喷水装置随着燃面的推进打开，实现雾化水对燃面的追随效果；燃面的高温会破坏烧蚀材料，供水腔内的液态水在压差作用下，从烧蚀材料被破坏、并且对应电磁阀已经打开的喷嘴中雾化喷出，雾化水与高温燃气掺混并发生反应；
[0009]
由于推进剂的导热性能有限，被推进剂覆盖的烧蚀材料不会被破坏，仍起密封作用，并且在电磁阀关闭的情况下，不会有水从密封的喷嘴处渗出。
[0010]
进一步地，所述发动机壳体内壁沿推进剂长度方向等间距布设喷水装置，相邻两组喷水装置的间距为a，且有一组喷水装置位于推进剂起始端之前，编号为n1；其余喷水装
置均在推进剂起始端之后，按照在推进剂长度方向上距离推进剂起始端由近到远的顺序依次编号为n2,
…
,ni；i为喷水装置总数；
[0011]
所述步骤2中控制模块控制发动机壳体内壁周向的喷水装置随着燃面的推进打开，实现雾化水对燃面的追随效果的方法具体为：
[0012]
步骤2.1：将推进剂药柱总长度b、推进剂燃速γ、发动机总工作时长t输入控制模块中；
[0013]
步骤2.2：控制模块启动发动机点火，并开始计时，时间t、计数器i和j初始赋值均为1；
[0014]
步骤2.3：控制模块控制编号为ni的喷水装置中的电磁阀打开；若i》i，则表示全部喷水装置已开启，则控制模块不再控制喷水装置；
[0015]
步骤2.4：计算燃面在推进剂长度方向上距离编号为n1的喷水装置的距离s；
[0016]
s＝γ
×
t+s0[0017]
其中，s0为初始填装时推进剂起始端与编号为n1的喷水装置在推进剂长度方向上的距离；
[0018]
步骤2.5：若s》j
×
a，则令i＝i+1，j＝j+1，t＝t+1，并执行步骤2.6；否则，令t＝t+1，返回步骤2.4；
[0019]
步骤2.6：若s》b，则执行步骤2.7；否则返回步骤2.3；
[0020]
步骤2.7：若t》t，则工作结束；否则返回步骤2.4。
[0021]
进一步地，所述烧蚀材料采用受热可升华的材料。
[0022]
进一步地，所述烧蚀材料采用聚四氟乙烯或者石墨。
[0023]
本发明的有益效果在于：
[0024]
本发明通过对传统水冲压发动机的供水方式进行改进，在发动机壁面预置喷嘴，并使用控制模块对水冲压发动机内部燃面位置进行计算，通过判断燃面与喷嘴之间的距离是否超过给定值，调整不同位置喷嘴的打开时序，实现对水冲压发动机工作过程中对供水位置的控制，实现雾化水对燃面的追随效果，解决了由于燃面退移而导致的“喷嘴位置与燃面距离过远、雾化水不能充分与高温燃气掺混”问题，并实现总供水流量的实时调节，可提高发动机的燃烧效率。
附图说明
[0025]
图1为本发明中发动机供水系统布置示意图。
[0026]
图2为本发明中喷嘴布置示意图。
[0027]
图3为本发明中实现雾化水对燃面的追随效果的控制流程图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0029]
如图1所示，供水腔7与发动机壳体4表面采用焊接连接，确保没有漏气等现象出现。喷嘴1与供水腔7通过螺纹连接，所设计发动机壳体4的壁厚应大于喷嘴1的长度，使安装后的喷嘴1与推进剂之间有足够的空间用来进行密封处理。发动机壳体4内壁上喷嘴安装孔的位置可根据发动机所装填推进剂的长度、以及推进剂预期燃速确定，在合理范围内，可尽
量多设置喷嘴安装孔位。要求实现发动机点火前，至少1个喷嘴安装孔位于推进剂燃面与喷管之间，目的是使推进剂在自持燃烧释放高温燃气后，能够与喷嘴1进入的雾化水11发生掺混，实现二次燃烧，提高发动机工作效率。在对喷嘴1进行密封处理时，可将烧蚀材料3粘贴在喷嘴出水孔处，避免出现发动机点火瞬间喷嘴结构被破坏等现象。各喷嘴顶部均安装有电磁阀2，经控制线5连接至控制模块8中，经由控制模块8发出指令，可实现对单个电磁阀的控制。
[0030]
较佳的，烧蚀材料3可采用聚四氟乙烯或者石墨等受热可升华的材料，不会堵塞喷嘴。
[0031]
较佳的，发动机壳体沿轴向可安装15个喷嘴，轴向排布4个喷嘴，用于实现燃气与供水的充分掺混。
[0032]
较佳的，喷嘴可采用耐高温的电磁阀进行控制，结构简单、可靠。
[0033]
在发动机点火后，按照设计供水流量，控制模块8发出指令，依次控制部分电磁阀2打开。在推进剂11自持燃烧过程中，产生的高温将燃面10与发动机喷管之间的喷嘴表面的烧蚀材料3破坏，使得喷嘴能够实现雾化喷水功能。液态水通过供水管路6进入到供水腔7中，此时，供水腔7内的液态水在压差作用下，可从烧蚀材料3被破坏、并且对应电磁阀2已经打开的喷嘴1中雾化喷出，雾化水9与高温燃气掺混并发生反应，发动机内温度、压强迅速升高，发动机正常工作，产生推力。由于推进剂11的导热性能有限，被推进剂覆盖的烧蚀材料3不会被破坏，仍起密封作用。并且在电磁阀2关闭的情况下，不会有水从密封的喷嘴处渗出。随着推进剂11的不断燃烧，燃面10不断向左退移。通过控制系统对所设计推进剂的燃烧性能的计算，可以自动控制不同位置的电磁阀2依次打开，实现雾化水对燃面的追随效果。也可以根据设计，依次打开不同位置的电磁阀2，实现对供水流量的控制效果。
[0034]
一种燃面跟随式水冲压供水方法的操作流程如图3所示。发动机壳体4内壁沿推进剂11长度方向等间距布设喷水装置，相邻两组喷水装置的间距为a，且有一组喷水装置位于推进剂11起始端之前，编号为n1；其余喷水装置均在推进剂11起始端之后，按照在推进剂11长度方向上距离推进剂11起始端由近到远的顺序依次编号为n2,
…
,ni；i为喷水装置总数；
[0035]
步骤1：将推进剂11填装至发动机壳体4内，在发动机壳体4内壁沿推进剂11长度方向布设喷水装置，发动机壳体4外侧连接供水腔7；所述喷水装置包括喷嘴1、电磁阀2和烧蚀材料3；所述电磁阀2用于控制喷嘴1的开闭，所有喷水装置的电磁阀2由控制模块8控制；所述烧蚀材料3粘贴在喷嘴1的出水孔处；
[0036]
步骤2：在发动机点火后，推进剂11燃烧产生燃面10，且随着推进剂11的不断燃烧，燃面10从推进剂11的起始端不断向终端推移；通过控制模块8发出指令，控制发动机壳体4内壁周向的喷水装置随着燃面10的推进打开，实现雾化水对燃面的追随效果；燃面10的高温会破坏烧蚀材料3，供水腔7内的液态水在压差作用下，从烧蚀材料3被破坏、并且对应电磁阀2已经打开的喷嘴1中雾化喷出，雾化水9与高温燃气掺混并发生反应；
[0037]
由于推进剂11的导热性能有限，被推进剂11覆盖的烧蚀材料3不会被破坏，仍起密封作用，并且在电磁阀2关闭的情况下，不会有水从密封的喷嘴1处渗出。
[0038]
所述步骤2中控制模块8控制发动机壳体4内壁周向的喷水装置随着燃面10的推进打开，实现雾化水对燃面的追随效果的方法具体为：
[0039]
步骤2.1：将推进剂11药柱总长度b、推进剂11燃速γ、发动机总工作时长t输入控
制模块8中；
[0040]
步骤2.2：控制模块8启动发动机点火，并开始计时，时间t、计数器i和j初始赋值均为1；
[0041]
步骤2.3：控制模块8控制编号为ni的喷水装置中的电磁阀2打开；若i》i，则表示全部喷水装置已开启，则控制模块8不再控制喷水装置；
[0042]
步骤2.4：计算燃面10在推进剂11长度方向上距离编号为n1的喷水装置的距离s；
[0043]
s＝γ
×
t+s0[0044]
其中，s0为初始填装时推进剂11起始端与编号为n1的喷水装置在推进剂11长度方向上的距离；
[0045]
步骤2.5：若s》j
×
a，则令i＝i+1，j＝j+1，t＝t+1，并执行步骤2.6；否则，令t＝t+1，返回步骤2.4；
[0046]
步骤2.6：若s》b，则执行步骤2.7；否则返回步骤2.3；
[0047]
步骤2.7：若t》t，则工作结束；否则返回步骤2.4。
[0048]
本发明通过对传统水冲压发动机的供水方式进行改进，在发动机壁面预置喷嘴，并使用控制模块对水冲压发动机内部燃面位置进行计算，通过判断燃面与喷嘴之间的距离是否超过给定值，调整不同位置喷嘴的打开时序，实现对水冲压发动机工作过程中对供水位置的控制，实现雾化水对燃面的追随效果，解决了由于燃面退移而导致的“喷嘴位置与燃面距离过远、雾化水不能充分与高温燃气掺混”问题，并实现总供水流量的实时调节，可提高发动机的燃烧效率。
[0049]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种燃面跟随式水冲压供水方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：将推进剂(11)填装至发动机壳体(4)内，在发动机壳体(4)内壁沿推进剂(11)长度方向布设喷水装置，发动机壳体(4)外侧连接供水腔(7)；所述喷水装置包括喷嘴(1)、电磁阀(2)和烧蚀材料(3)；所述电磁阀(2)用于控制喷嘴(1)的开闭，所有喷水装置的电磁阀(2)由控制模块(8)控制；所述烧蚀材料(3)粘贴在喷嘴(1)的出水孔处；步骤2：在发动机点火后，推进剂(11)燃烧产生燃面(10)，且随着推进剂(11)的不断燃烧，燃面(10)从推进剂(11)的起始端不断向终端推移；通过控制模块(8)发出指令，控制发动机壳体(4)内壁周向的喷水装置随着燃面(10)的推进打开，实现雾化水对燃面的追随效果；燃面(10)的高温会破坏烧蚀材料(3)，供水腔(7)内的液态水在压差作用下，从烧蚀材料(3)被破坏、并且对应电磁阀(2)已经打开的喷嘴(1)中雾化喷出，雾化水(9)与高温燃气掺混并发生反应；由于推进剂(11)的导热性能有限，被推进剂(11)覆盖的烧蚀材料(3)不会被破坏，仍起密封作用，并且在电磁阀(2)关闭的情况下，不会有水从密封的喷嘴(1)处渗出。2.根据权利要求1所述的一种燃面跟随式水冲压供水方法，其特征在于：所述发动机壳体(4)内壁沿推进剂(11)长度方向等间距布设喷水装置，相邻两组喷水装置的间距为a，且有一组喷水装置位于推进剂(11)起始端之前，编号为n1；其余喷水装置均在推进剂(11)起始端之后，按照在推进剂(11)长度方向上距离推进剂(11)起始端由近到远的顺序依次编号为n2,
…
,n
i
；i为喷水装置总数；所述步骤2中控制模块(8)控制发动机壳体(4)内壁周向的喷水装置随着燃面(10)的推进打开，实现雾化水对燃面的追随效果的方法具体为：步骤2.1：将推进剂(11)药柱总长度b、推进剂(11)燃速γ、发动机总工作时长t输入控制模块(8)中；步骤2.2：控制模块(8)启动发动机点火，并开始计时，时间t、计数器i和j初始赋值均为1；步骤2.3：控制模块(8)控制编号为n
i
的喷水装置中的电磁阀(2)打开；若i>i，则表示全部喷水装置已开启，则控制模块(8)不再控制喷水装置；步骤2.4：计算燃面(10)在推进剂(11)长度方向上距离编号为n1的喷水装置的距离s；s＝γ
×
t+s0其中，s0为初始填装时推进剂(11)起始端与编号为n1的喷水装置在推进剂(11)长度方向上的距离；步骤2.5：若s>j
×
a，则令i＝i+1，j＝j+1，t＝t+1，并执行步骤2.6；否则，令t＝t+1，返回步骤2.4；步骤2.6：若s>b，则执行步骤2.7；否则返回步骤2.3；步骤2.7：若t>t，则工作结束；否则返回步骤2.4。3.根据权利要求1所述的一种燃面跟随式水冲压供水方法，其特征在于：所述烧蚀材料(3)采用受热可升华的材料。4.根据权利要求1所述的一种燃面跟随式水冲压供水方法，其特征在于：所述烧蚀材料(3)采用聚四氟乙烯或者石墨。

技术总结
本发明属于水下航行器动力技术领域，具体涉及一种燃面跟随式水冲压供水方法。本发明通过对传统水冲压发动机的供水方式进行改进，在发动机壁面预置喷嘴，并使用控制模块对水冲压发动机内部燃面位置进行计算，通过判断燃面与喷嘴之间的距离是否超过给定值，调整不同位置喷嘴的打开时序，实现对水冲压发动机工作过程中对供水位置的控制，实现雾化水对燃面的追随效果，解决了由于燃面退移而导致的“喷嘴位置与燃面距离过远、雾化水不能充分与高温燃气掺混”问题，并实现总供水流量的实时调节，可提高发动机的燃烧效率。发动机的燃烧效率。发动机的燃烧效率。


技术研发人员：陈宏 张欢 刘丛林 单永志 孙娜 郭建明 刘子初 刘一术 郜冶
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/5