适应旋转爆震螺旋激波特性的轴对称可调喷管

本发明涉及旋转爆震发动机，尤其是涉及一种适应旋转爆震螺旋激波特性的轴对称可调喷管。

背景技术：

1、爆震波是一种以超声速传播的燃烧波，其燃烧形式激烈而又迅速。爆震波的产生主要是由于激波的诱导，其结构则由前导激波去和反应区组成。反应区紧随在前导激波区之后，经由前导激波的压缩，反应物加热燃烧释放出远超普通燃烧的能量。相较于等压燃烧，爆震燃烧的优点主要在于自增压和高放热速率、高热循环效率，能加大地降低系统复杂程度(driscoll r,george a s,gutmark e j.numerical investigation of injectionwithin an axisymmetric rotating detonation engine[j].international journal ofhydrogen energy,2016,41(3):2052-2063)；因此爆震发动机成为推进领域的热门研究方向。

2、硅锗合金作为一种高温条件下广泛应用热电材料，其主要优点有较高的热稳定性、较强的抗氧化能力、高熔点(蔡星宇,王赞.硅锗热电材料的研究现状[j].河南科技,2019,no.670(08):140-141)。利用半导体塞贝克效应，即p型(空穴)半导体和n型(电子)半导体相连形成的pn结，一端置于热源附近形成热端，另一端置于冷源附近形成冷端。热激发作用使得热端的空穴和电子浓度增高，空穴和电子从热端向冷端扩散，形成电势差，连接上负载便可产生电流(chen y,hou x n,ma c y,et al.review of developmentstatus ofbi2te3-based semiconductor themoelectric power gener-ation[j].advances inmaterials science and engineering,2018(5):150-169)。

3、利用硅锗合金制成热电转换罩，在半导体塞贝克效应的作用下，就可以吸收喷管废热，并将废热转换为电能。注射器式的储气室是一高效水电解装置，利用废热转换而来的电能，能通过电解水的还原反应和氢气的氧化反应，来改变储气室空腔内气体体积，从而为整个可调装置提供动力，减小能耗，实现旋转爆震发动机的高效工作。

4、基于旋转爆震工作的rde(即旋转爆震发动机)，其推力来自于环形燃烧室中传播爆震波，爆震波的传播方式为连续沿周向传播。rde的能量损失主要包括：斜激波能量损失、气体的摩擦损失和燃烧尾气进入大气的掺混损失。所有能量损失中最主要的是斜激波能量损失，因此节省燃料的有效方式就是减小斜激波能量损失，这能大幅度提高发动机效率。

5、斜激波能量损失主要包括两个方面：流场穿过激波时发生的能量损失和激波传播过程中对流场做的功，激波角度和激波强度是影响斜激波能量损失的主要因素，本发明所采用的方法是通过调节激波角度来减小斜激波能量损失。在喷管中，激波角与激波前相对气流角(即气流与激波运动方向的相对角度)呈现高度的正相关性，并表现出一定的因果关系，因此调节激波前相对气流角是调节激波角度的可行方式。喷管设计马赫数的轴向分布情况和激波传播速度是激波前相对气流角决定因素，这一点指导本发明喷管型面的设计，即先研究最优的激波结构，计算其对应的喷管中的马赫数分布规律，从计算出对应的喷管型面。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种适应旋转爆震螺旋激波特性的轴对称可调喷管，能够在宽速域下实现发动机喉道和出口面积的调节，通过热电转换装置回收废热，提供电能，利用水的电解和还原反应提供动力，实现喷管的自适应流量调节，同时控制激波前相对气流角，使其保持在合理的范围之内，减小斜激波造成能量损失，增大推力并减小能耗，提高旋转爆震发动机的工作效率。

2、所述适应旋转爆震螺旋激波特性的轴对称可调喷管，由固定段、储气室、推杆、连接环、牵引器、收缩板、扩张内板、扩张外板、勾连片和热电转换罩组成；所述固定段是由燃烧室向喷管过渡的框架，所述储气室在固定段外设置4个，固定段外部设有4个铰架用于支撑储气室，所述收缩板设24块，固定段内部设有24个槽口用于支撑收缩板，并限制收缩板除轴向以外的位移；所述推杆与储气室对应设有4根，储气室和推杆采用类同注射器结构，储气室内气体体积变化推动推杆前后移动，储气室与固定段铰接，推杆与连接环铰接；所述连接环为两块半圆环，连接环上设有铰架，用于同推杆和牵引器铰接；所述牵引器的一端铰接连接环，牵引器的另一端铰接扩张外板，用于牵引扩张外板移动；所述扩张内板设12块，扩张外板设12块，勾连片设24个；扩张内板与收缩板铰接，扩张内板、扩张外板的两端均设有凸出圆柱，扩张内板和扩张外板之间由两端分别勾连扩张内板、扩张外板的凸出圆柱的勾连片连接；所述热电转换罩为锥形硅锗合金外罩，用于吸收喷管废热，并将其转换为电能，为整个可调喷管提供能量。

3、所述扩张内板与收缩板铰接，两者在一定角度范围内相对转动。

4、收缩板和扩张外板的连接处设有通孔，收缩板和扩张外板可通过轴连接，以使两者能相对转动；

5、所述扩张外板外侧有铰接座，扩张外板通过铰接座与牵引器铰接。

6、所述收缩板、扩张内板和扩张外板为具有特殊型面的金属板。所述特殊型面基于旋转爆震伴随螺旋激波特性而设计而成，以减少斜激波能量损失。

7、所述储气室采用注射器外筒的形式，推杆采用注射器内芯的形式，储气室为一高效电解水装置，其内发生水的电解和还原的反应，能改变空腔气体体积，从而移动推杆，实现可调装置的运转。

8、本发明热电转换罩采用硅锗合金，硅锗合金具有高热稳定性、强抗氧化能力、高熔点的优点，是一种广泛应用的高温区热电材料，本发明的硅锗合金热电转换罩能够把喷管废热转换为电能，并通过一种高效的水电解装置，把电能转换为空气的动能，实现装置的自适应调节，节约能源。

9、针对旋转爆震发动机能量损失的主要因素斜激波，本发明基于斜激波螺旋特性的研究成果，设计出能有效降低斜激波能量损失的喷管型面。采取该特殊型面，可以在宽速域的各种工况下将激波前相对气流角控制在合适的范围之内，从而控制激波角度，进而减小旋转爆震发动机中的斜激波能量损失。同时喷管结构可调节，能改变喉道和出口面积，能在各工况下调节推力，提供旋转爆震发动机工作效率。

10、本发明技术创新点如下：

11、1、收缩板、扩张板型面以及相关构件都是基于旋转爆震伴随螺旋激波特性而设计的，这使得喷管能够减小斜激波损失，实现能量管理，既能调节喉道和出口面积，又能让发动机保持较低的能量损耗。

12、2、安装在喷管外的热电转换罩为耐高温的硅锗合金，能吸收喷管的大部分废热，并将其转换为电能，实现喷管的自适应调节。

13、3、储气室和推杆采用了注射器的形式，并且带有一种高效的水电解装置，利用水的电解反应和氢气的氧化反应，改变空腔气体体积，提供推力。

14、4、热电转换罩产生的电能直接或间接供给储气室，为水的电解反应提供能量。

15、与传统可调喷管相比，本发明具有如下优点：

16、(1)节约能源，热电转换罩能将部分无法提供推力的喷管废热转换为电能，并通过水电解装置转换为动力，为整个可调装置提供动力，实现喷管的自适应调节的同时，节约额外的能量输入；另外特殊型面也能使得斜激波损失达到最小，进一步减小能耗。

17、(2)设计新颖，基于螺旋斜激波运动规律设计的特殊的收缩板和扩张板型面，能在调节喉道面积和出口面积获得更大推力的同时，保持比较理想的激波前相对气流角，实现能量管理，从而减小斜激波造成的能量损失。

18、(3)工作范围广，能在宽速域下调节发动机喉道和出口面积，实现发动机的高效运转。