动态火箭推进器

摘要

本发明属于火箭领域，具体涉及动态火箭推进器。本发明提供的动态火箭推进器，采用固态燃料，并设置控制元件，从而使所述箭体底部生成适于火箭飞行的拉瓦尔喷管结构。所述控制元件包括箭体外壳，当所述固态燃料燃烧时外壳下边沿可随同所述固态燃料的燃烧面动态烧蚀消耗。这样，在火箭的飞行过程中，可使所述箭体底部动态生成适于火箭飞行的喷管结构，且所产生的丢弃物实质上作为推进火箭飞行的工质由所述喷管结构喷出，即可及时的丢弃火箭多余的重物，不产生体积较大的丢弃物，从而提高火箭飞行路径设计的自由程度。

权利要求

1.动态火箭推进器，包括箭体，所述箭体内填充固态燃料且所述箭体上设有随同固态燃料燃烧时动态使所述箭体底部生成适于火箭飞行的拉瓦尔喷管结构的控制元件，所述控制元件包括包裹所述固态燃料且当所述固态燃料燃烧时其下端边沿可随同所述固态燃料的燃烧动态烧蚀消耗的外壳，所述外壳为由形状记忆材料制成的记忆外壳，所述记忆外壳记忆的横截面面积小于所述箭体的横截面面积。

2.根据权利要求1所述的动态火箭推进器，其特征在于：所述箭体内设有若干电极及控制各所述电极放电状态的放电控制系统和/或至少一条注入冷却剂的冷却通道。

3.根据权利要求1或2所述的动态火箭推进器，其特征在于：所述记忆外壳表面设有横向划痕和/或构成所述记忆外壳材料的内部设有横向纤维物料。

4.根据权利要求1或2所述的动态火箭推进器，其特征在于：所述控制元件还包括设于所述箭体内且由记忆材料制成的管状构件，所述管状构件记忆的横截面面积大于管状构件的横截面面积。

5.根据权利要求4所述的动态火箭推进器，其特征在于：所述管状构件表面设有横向划痕和/或其材料内部设有横向纤维物料。

6.根据权利要求1所述的动态火箭推进器，其特征在于：所述控制元件还包括设于所述箭体内部固态燃料的下方的喷管生成构件；所述喷管生成构件内从上到下贯穿有至少一条形如拉瓦尔喷管的第一通道和/或所述喷管生成构件外壁与外壳内壁共同构成形如拉瓦尔喷管的第二通道。

7.根据权利要求6所述的动态火箭推进器，其特征在于：所述动态火箭推进器内部设有连接所述喷管生成构件的牵引爬升机构。

8.根据权利要求6所述的动态火箭推进器，其特征在于：所述喷管生成构件内设有冷却装置，所述喷管生成构件表面设有与所述冷却装置连通的冷却物质出口。

说明书

动态火箭推进器

技术领域

[0001] 本发明属于火箭领域，具体涉及动态火箭推进器。

背景技术

[0002] 火箭是以热气流高速向后喷出，利用产生的反作用力向前运动的喷气推进装置。它自身携带燃烧剂与氧化剂，不依赖空气中的氧助燃，既可在大气中，又可在外层空间飞行。现代火箭可作为快速远距离运输工具，可以用来发射卫星和投送武器战斗部（如弹头）。

[0003] 传统的火箭大抵上由火箭外壳、燃料、发动机等组成。火箭外壳的作用是保护火箭内部部件以及支撑火箭。火箭燃料燃烧时产生的能量为火箭飞行提供动力。发动机控制燃料的燃烧以及火焰的喷射。

[0004] 火箭飞行过程中由于燃料的逐步消耗，原本装燃料的外壳会逐步变空，而多余的空壳对于火箭的推进没有任何意义，且将成为火箭飞行过程中携带的多余重量，因此为减少整个火箭的重量，通常是将空壳在空中直接丢弃。现有的办法是将火箭做成多级火箭，每级火箭都配备发动机，每用完一级火箭的燃料就丢弃一级火箭的空壳。

[0005] 因此，仅从丢弃多余重量角度考虑，火箭应该制造成无限多级，做到可以尽量及时的丢弃多余重量。但是，火箭级数越多火箭的复杂性就越大，而且每一级都要有自己的发动机，这样反而增加重量，所以火箭级数不能太多。现有火箭级数通常不超过三级。所以现有火箭不能做到非常及时的丢弃多余重量。

[0006] 此外，火箭丢弃的外壳可能会砸到地面的人或物，因此导致丢弃地点不能随意选择，因此在一定程度上也会对火箭的飞行路线产生限制。

[0007] 现有的火箭用发动机来控制燃料燃烧和喷射来为火箭提供动力。发动机的主要组成部分有燃烧室、喷嘴。燃料在燃烧室内燃烧然后通过喷嘴喷出产生动力。燃烧室和喷嘴都是用耐高温、高强度材料做成。有时这两个部分还配备有冷却装置，以保护该机构在高温下不被烧毁。其存在以下不足：其一，发动机需要采用耐高温且高强度的材料制作而成，这样造成发动机的制造成本较高；其二，发动机作为火箭的一个组成部分，在每一级火箭上均需配备发动机，由于发动机本身的重量通常比较重，因此发动机的设置也在客观上加重的整个火箭的重量；其三，由于受限于发动机材料的耐热能力，发动机内的火焰温度不能过高，这样不利于提高整个火箭的推进动力；其四，发动机的结构复杂，尤其是液体燃料火箭，发动机管道多且容易泄露液体，极易造成危险；其五，发动机喷管开口通常不能随着外界气压调节开口大小，使发动机损失效率。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题在于提供动态火箭推进器，藉以减少如下问题：

[0009] 1、现有火箭产生丢弃物体积过大且无法及时丢弃火箭多余的重物；

[0010] 2、制造成本过高；

[0011] 3、燃料能量利用效率低。

[0012] 本发明提供的动态火箭推进器是这样实现的：

[0013] 动态火箭推进器，包括箭体，所述箭体内填充固态燃料且所述箭体上设有随同固态燃料燃烧时动态使所述箭体底部生成适于火箭飞行的拉瓦尔喷管结构的控制元件，所述控制元件包括包裹所述固态燃料且当所述固态燃料燃烧时其下端边沿可随同所述固态燃料的燃烧动态烧蚀消耗的外壳。

[0014] 具体地，所述箭体内设有若干电极及控制各所述电极放电状态的放电控制系统和/或至少一条注入冷却剂的冷却通道。

[0015] 具体地，所述外壳为由形状记忆材料制成的记忆外壳，所述记忆外壳记忆的横截面面积小于所述箭体的横截面面积。

[0016] 具体地，所述记忆外壳表面设有横向划痕和/或构成所述记忆外壳材料的内部设有横向纤维物料。

[0017] 具体地，所述控制元件还包括设于所述箭体内且由记忆材料制成的管状构件，所述管状构件记忆的横截面面积大于管状构件的横截面面积。

[0018] 具体地，所述管状构件表面设有横向划痕和/或其材料内部设有横向纤维物料。

[0019] 具体地，所述控制元件还包括设于所述箭体内部固态燃料的下方的喷管生成构件；所述喷管生成构件内从上到下贯穿有至少一条形如拉瓦尔喷管的第一通道和/或所述喷管生成构件外壁与外壳内壁共同构成形如拉瓦尔喷管的第二通道。

[0020] 具体地，所述动态火箭推进器内部设有连接所述喷管生成构件的牵引爬升机构。

[0021] 具体地，所述喷管生成构件内设有冷却装置，所述喷管生成构件表面设有与所述冷却装置连通的冷却物质出口。

[0022] 本发明的有益效果在于：本发明提供的动态火箭推进器，采用固态燃料，并设置控制元件，从而使所述箭体底部生成适于火箭飞行的拉瓦尔喷管结构。所述控制元件包括箭体外壳，当所述固态燃料燃烧时外壳下边沿可随同所述固态燃料的燃烧面动态烧蚀消耗。这样，在火箭的飞行过程中，可使所述箭体底部动态生成适于火箭飞行的拉瓦尔喷管结构，且所产生的丢弃物实质上作为推进火箭飞行的工质由所述拉瓦尔喷管结构喷出，即可及时的丢弃火箭多余的重物，不产生体积较大的丢弃物，从而提高火箭飞行路径设计的自由程度。此外，由于该推进器结构简单，所以能降低制造成本。由于推进器在工作时将外壳当做喷管的一部分，所以该推进器容易生成尺寸较大的拉瓦尔喷管结构，而较大的拉瓦尔喷管结构有利于提高燃料的能量利用效率。

附图说明

[0023] 图1是本发明提供的动态火箭推进器实施例一的结构示意图；

[0024] 图2是本发明提供的动态火箭推进器实施例二的结构示意图；

[0025] 图3是本发明提供的动态火箭推进器实施例三的结构示意图。

具体实施方式

[0026] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0027] 实施例一

[0028] 请参照图1，动态火箭推进器，包括箭体，所述箭体内填充固态燃料1a且所述箭体上设有随同固态燃料1a燃烧时动态使所述箭体底部生成适于火箭飞行的拉瓦尔喷管结构3a的控制元件2a，所述控制元件2a包括包裹所述固态燃料且当所述固态燃料燃烧时其下端边沿可随同所述固态燃料的燃烧动态烧蚀消耗的外壳21a。

[0029] 本发明提供的动态火箭推进器，采用内部填充固态燃料1a的箭体，并于所述固态燃料1a上设置控制元件2a，从而使所述箭体底部生成适于火箭飞行的喷管结构3a，同时还于所述固态燃料1a的表面设有包裹所述固态燃料1a且当所述固态燃料1a燃烧时其下边沿可随同所述箭体一同烧蚀的外壳21a。这样，在火箭的飞行过程中，可使所述固态燃料1a底部动态生成适于火箭飞行的喷管结构3a，且所产生的丢弃物实质上作为推进火箭飞行的工质由所述喷管结构3a喷出，即可及时的丢弃火箭多余的重物，不产生体积较大的丢弃物，从而提高火箭飞行路径设计的自由程度。

[0030] 在本实施例中，所述固态燃料1a内设有若干电极5a及控制各所述电极5a放电状态的放电控制系统和/或至少一条注入冷却剂7a的冷却通道6a。在这里，通过冷却通道6a注入冷却剂7a和控制电极5a的放电状态来控制所述固态燃料1a的燃烧速度，进而达到调节燃烧面4a形状的目的。当燃烧速度过快时，可通过加大冷却剂7a的注入量，达到使所述燃烧面4a降温甚至熄灭。所述电极5a可向所述燃烧面4a下端放射电弧，从而加快所述燃烧面4a上固态燃料的燃烧，或者加快某些特定位置的燃烧速度，或者点燃固态燃料。此外，所述电极5a放电所需的气体环境可由所述冷却通道6a注入的冷却剂7a气化来提供。
另外，需要指出的是，本发明采用的冷却通道6a和电极5a均是可随同所述固态燃料1a上燃烧面4a的推进动态烧蚀，且冷却通道6a、电极5a及由冷却通道6a注入的冷却剂7a气化后所产生的气体均可随同固态燃料1a燃烧气化所述产生的气体一起由所述喷管结构3a喷出，亦即，所述冷却通道6a、电极5a及由冷却通道6a注入的冷却剂7a气化后所产生的气体应当视为推动火箭飞行的工质的一部分。更具体地，所述电极5a及冷却通道6a均沿所述固态燃料1a的轴向方向且并行于所述固态燃料1a的轴向设置。另外，在本实施例中，亦可通过适当的增强各所述电极5a的机械强度，从而加强所述固态燃料1a的机械强度。

[0031] 此外，可通过在所述箭体上增加探测所述电极5a电感的电感检测设备，从而得知电极的长度，进而换算出固态燃料1a的余量。通过探测所述电极5a的电阻的电阻检测设备，从而得知火焰燃烧的温度，进而换算出固态燃料1a燃烧的快慢以及该火箭推进器是否已经关机。

[0032] 此外，通过控制所述冷却通道6a上冷却剂7a的液面距离所述燃烧面4a的距离，来调控所述燃烧面4a的面积大小。具体是这样的，当所述冷却剂7a距离所述燃烧面4a较远时，所述燃烧面4a上的燃烧焰将点燃所述冷却通道6a上没有冷却剂7a的部分，在这种情况下，所述冷却通道6a上没有冷却剂7a的部分也成为了所述燃烧面4a的一部分，从而使所述燃烧面4a总的面积比较大。因此，通过调整所述冷却剂7a距离所述燃烧面4a距离，可以调节所述燃烧面4a的面积。

[0033] 在实施例中，所述外壳21a为由形状记忆材料制成的记忆外壳，所述记忆外壳记忆的横截面面积小于所述固态燃料1a的横截面面积。所述记忆外壳具体的制作方式可以如下：首先使所述记忆外壳记住一横截面相对于所述固态燃料1a的横截面较小的形状，再将所述记忆外壳的横截面扩大成可包裹所述固态燃料1a的结构，从而完成在所述固态燃料1a上设置记忆外壳的过程。

[0034] 上述制作所述记忆外壳采用的形状记忆材料可以是记忆合金或高分子热缩材料。用形状记忆材料制作所述固态燃料1a的外壳，该材料是箭体的结构材料为箭体提供机械支撑，同时该材料也动态生成拉瓦尔喷管结构，同时也是消耗材料，同时也是一种推进工质。

[0035] 其中，所述记忆合金可是如下的配方Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si中的一种。所述高分子热缩材料又称高分子形状记忆材料，是高分子材料与辐射加工技术交叉结合的一种智能型材料。普通高分子材料如聚乙烯、聚氯乙烯等通常是线形结构，经过电子加速器等放射源的辐射作用变成网状结构后，这些材料就会具备独特的“记忆效应”，扩张、冷却定型的材料在受热后可以重新收缩恢复原来的形状。热缩材料的记忆性能可用于制作热收缩管材、膜材和异形材，主要特性是加热收缩包覆在物体外表面，能够起到绝缘、防潮、密封、保护和接续等作用，收缩材料的径向收缩率可达50%～80%。

[0036] 火箭在飞行过程中，所述固态燃料1a上的固体燃料由其底部随着其燃烧面4a的逐渐上移，所述记忆外壳将动态形成火箭喷管中常用的拉瓦尔喷管结构。众所述周知，拉瓦尔喷管由三个部分构成，分别为收缩管31a、扩张管33a及连接收缩管31a和扩张管33a的喉管32a组成。

[0037] 下面介绍所述记忆外壳形成拉瓦尔喷管结构各管段的过程。由于所述记忆外壳各个部分受热时间的不同，离所述燃烧面4a越远的记忆外壳的部分温度越高，离所述燃烧面4a越近的记忆外壳的部分温度越低。距离燃烧面较近的记忆外壳部分受热进行收缩而形成所述收缩管31a；距离燃烧面较远且连接所述收缩管31a的记忆外壳部分受热时间相对于所述收缩管31a受热时间更多，呈充分收缩形成所述喉管32a；距离燃烧面更远且连接所述喉管32a的记忆外壳部分由于受热时间较长，已经呈软化状态，且由于受到所述燃烧面4a上燃烧工质所产生的高压气体的压力的影响，此部分的记忆外壳将向外侧扩张从而形成所述扩张管33a。因此，在本实施例中，所述固态燃料1a燃烧的过程中，所述记忆外壳随着所述固态燃料1a燃烧面4a的推进过程，其下部将呈现出火箭喷管结构中常用的拉瓦尔喷管结构。另外，随着所述燃烧面4a的推进，所述收缩管31a将逐步变成喉管32a，所述喉管32a将逐步变成软化扩张管33a，而扩张管33a随着其温度的提高，将开始熔化或气化而脱离所述记忆外壳。由此可见，在本实施例中，所述固态燃料1a的燃烧过程中，其上的记忆外壳将动态形成拉瓦尔喷管结构，且记忆材料制成的记忆外壳可随着所述固态燃料1a上所述燃烧面4a的推进动态的形成及动态烧毁，整个燃烧过程中始终没有体积较大的丢弃物出现。

[0038] 为了防止因所述记忆外壳在烧蚀过程中出现所述扩张部33a末端烧蚀不均匀而造成生成的拉瓦尔喷管结构不佳，作为本实施例进一步的改进，所述记忆外壳表面设有横向划痕和/或所述记忆外壳材料内部设有横向纤维物料。这样，可使得所述记忆外壳烧蚀更为均匀。

[0039] 另外，作为本实施例进一步的改进，所述固态燃料1a中心设有一棒状件或管状件22a。由于所述喉管32a的横截面面积较小，而所述棒状件或管状件22a占据所述喉管32a横截面面积较大，能减小通过所述喉管32a的通气面积，使得通过喉管32a的气流更快。这样，可有效降低制作所述记忆外壳的记忆材料所需的收缩能力，从而降低所述记忆外壳的制作难度。

[0040] 在本实施例中，动态生成和烧毁拉瓦尔喷管结构具有如下优点：

[0041] 1、采用记忆材料制作而成的记忆外壳对记忆材料的耐热性要求降低。

[0042] 在本实施例中，动态火箭推进器在飞行过程中能动态生成燃烧室。当所述燃烧室内温度高压力大时，所述记忆外壳将在较短时间内受热熔化或气化，此时所述拉瓦尔喷管结构呈整体较短且喉管32a较为粗短。反之，当所述燃烧室内温度低压力小时，所述拉瓦尔喷管结构将呈整体较长且喉管32a细长。同时，拉瓦尔喷管结构的形态也对所述燃烧室4a内温度有影响，较长拉瓦尔喷管结构和细长喉管结构其气体排出阻力大，从而有利于提高燃烧室温度。短拉瓦尔喷管结构和粗短喉管结构气体排出阻力小，有利于降低燃烧室温度，低燃烧室温度有利于保护拉瓦尔喷管结构，从而降低了对形成拉瓦尔喷管结构的记忆外壳耐热性的要求。

[0043] 2、动态生成的拉瓦尔喷管结构其喉管32a开口大小自适应，有利于提高动能转化率。

[0044] 在本实施例中，整个拉瓦尔喷管结构动态生成。外界气压，是影响所述喷管结构3a开口大小的一个重要因素。当火箭在低空飞行时，因外界气压较大，将使所述喷管结构3a的开口较小，这样将使所述喷管结构3a喷出压强较高的气体。当火箭在高空飞行时，外界气压小，所述喷管结构3a受到较小的外界气压，其开口较大，这样将使所述喷管结构3a喷出压强较低的气体。由此可见，本实施例中动态生成的拉瓦尔喷管结构上的所述喷管结构3a开口大小可自动根据外界气压调节其动能的输出状态，有利于提高动能的转化率。

[0045] 3、记忆外壳气化产生动能，提高燃烧工质的动能转化率。

[0046] 外壳被烧蚀时部分或者全部被气化，气体从箭体尾部喷出产生动能。这部分动能实际是火箭的尾气余热转化而来，相当于提高了火箭火焰动能转化率。

[0047] 4、使整个火箭推进器的结构简单，造价低，安全可靠。

[0048] 由于本实施例的动态火箭推进器各部分都尽量承担多种功能，因而其结构变得简单，而简单的结构有利降低制造成本，且各个部分之间的出现制造误差而影响整个的性能的几率下降，从而提高了其安全性。

[0049] 5、火箭震动小

[0050] 火箭震动主要来自燃烧室内燃料的不稳定燃烧，过大的震动容易影响火箭的安全性及影响运送的人或物的安全。本实施例中，火箭的飞行过程中，由于所述记忆外壳处于高温状态，其形成的拉瓦尔喷管结构处于一个较柔软的状态或者高弹性的橡胶状态，此状态能有效的缓冲震动。此外，某些固态燃料本身也是橡胶状高弹性物质，其本身也具有缓冲震动能力。

[0051] 6、生成大喷管，提高火箭动能转化率

[0052] 现有的火箭由于喷管重量以及制造工艺等原因，不能制造出尺寸较大的喷管，使得火箭动能转换率不高。用本实施例提供的动态火箭推进器，火箭喷管可以由所述外壳21a生成，且可以生成体积较大的喷管，有利于把更多尾气热能转换为动能。

[0053] 实施例二

[0054] 请参照图2，本实施例相对于实施例一，其不同点在于，控制元件的设置方式不同。在本实施例中，所述控制元件2b包括包裹所述固态燃料且当所述固态燃料1b燃烧时其下端边沿可随同所述固态燃料的燃烧动态烧蚀消耗的外壳21b，还包括设于所述箭体内且由记忆材料制成的管状构件22b，所述管状构件22b记忆的横截面面积大于管状构件22b的横截面面积。当所述箭体上的固态燃料1b燃烧时，所述管状构件22b将随着燃烧面4b的推移逐渐恢复原始的记忆截面，始其下部形成较大截面积的膨胀状态。这样，所述管状构件
22b将与所述外壳21b一同构成拉瓦尔喷管结构。

[0055] 需要指出的是，在本实施例中，所述外壳21b也可以采用记忆材料制成，以便于生成所述拉瓦尔喷管结构。当然，在本实施例中，与实施例一中所述记忆外壳类似的，所述管状构件22b表面设有横向划痕和/或其材料内部设有横向纤维物料。这样，可使得所述管状构件22b烧蚀更为均匀。

[0056] 实施例三

[0057] 请参照图3，本实施例相对于实施例一或实施二，其不同点在于：控制元件的设置方式不同。在本实施例中，所述控制元件2c包括包裹所述固态燃料且当所述固态燃料1c燃烧时其下端边沿可随同所述固态燃料1c的燃烧动态烧蚀消耗的外壳21c，还包括设于所述箭体内部固态燃料1c下方的喷管生成构件22c；所述喷管生成构件22c内从上到下贯穿有至少一条形如拉瓦尔喷管的第一通道221c和/或所述喷管生成构件22c外壁与所述外壳21c内壁共同构成形如拉瓦尔喷管的第二通道222c。这样，在火箭的飞行过程中，所述固态燃料1c燃烧过程中产生的气体可通过形如拉瓦尔喷管的所述第一通道221c和/或第二通道222c喷出。

[0058] 作为本实施例进一步的改善，所述动态火箭推进器内部设有连接所述喷管生成构件22c的牵引爬升机构23c。随着所述固态燃料1c的消耗，燃烧面4c的上移，所述牵引爬升机构23c牵引所述喷管生成构件22c上行，从而保证拉瓦尔喷管结构始终位于所述箭体的底端。

[0059] 进一步，所述喷管生成构件22c内设有冷却装置，所述喷管生成构件22c表面设有与所述冷却装置连通的冷却物质出口。

[0060] 下面介绍本实施例的工作原理：

[0061] 在火箭的飞行过程中，所述燃烧面4c上燃烧生成的气体经过所述喷管生成构件2c时，由于此处气体通过的面积较小，气体的速度将急剧的上升，并超过音速。超过音速的气体继续向所述外壳21c呈扩张的下端的部分继续加速产生推力。随着所述固态燃料1c上固体燃料的消耗，燃烧面4c的上移，所述牵引爬升机构23c牵引所述喷管生成构件22c上行。同时，所述外壳21c下端也同时逐渐被尾气烧蚀消耗。另外，所述冷却装置的冷却液体可以储存在所述喷管生成构件22c内或者通过输送管道从火箭前段输送过来。其中，冷却液体受热蒸发后生成的气体可以从所述冷却物质出口排出，也可提供火箭飞行的部分动力。

[0062] 另外，需要指出的是，在本实施例中，也可在所述固态燃料1c上设置实施例一中述及的电极及冷却通道的控制方式；还可类似实施例一中述及的设计方式，在所述外壳上设置横向划痕和/或所述外壳材料内部设有横向纤维物料，在此不作赘述。

[0063] 此外，在本实施例中，所述外壳21c亦可采用记忆材料制作而成，且记忆材料记忆的内径大于所述固态燃料1c的外径。这样，在火箭的飞行过程中，随着所述燃烧面4c的推移，所述外壳21c的下端将自动扩大，从而形成利于喷口形成的扩张管段。

[0064] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。