一种轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机及飞行器

摘要

本发明涉及一种轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机及飞行器。轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，包括发动机主体，所述发动机主体设有进气道、燃烧室、等直段以及排气段，所述燃烧室的进口与所述进气道连通，所述燃烧室的出口与所述等直段的进口连通，所述等直段的出口与所述排气段的进口连通；其中，所述发动机主体还设有抽吸通道，所述抽吸通道的进口开设于所述进气道的侧壁，并与所述进气道连通，所述抽吸通道的出口开设于所述等直段的侧壁，并与所述等直段连通，且所述抽吸通道的出口的出气方向与所述等直段至所述排气段的排布方向呈锐角设置。上述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机及飞行器具有性能较佳的特点。

权利要求

1.一种轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，其特征在于，所述轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机包括发动机主体，所述发动机主体设有进气道、燃烧室、等直段以及排气段，所述燃烧室的进口与所述进气道连通，所述燃烧室的出口与所述等直段的进口连通，所述等直段的出口与所述排气段的进口连通；

其中，所述发动机主体还设有抽吸通道，所述抽吸通道的进口开设于所述进气道的侧壁，并与所述进气道连通，所述抽吸通道的出口开设于所述等直段的侧壁，并与所述等直段连通，且所述抽吸通道的出口的出气方向与所述等直段至所述排气段的排布方向呈锐角设置，从抽吸通道排出的气体能够对发动机产生推力增益，并在等直段形成气动喉部。

2.根据权利要求1所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，其特征在于，所述抽吸通道的内部的横截面积大于所述抽吸通道的进口面积。

3.根据权利要求1所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，其特征在于，所述抽吸通道的出口设置于所述等直段具有所述等直段的出口的一端的侧壁上。

4.根据权利要求1所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，其特征在于，所述抽吸通道的进口设置于所述进气道具有所述进气道的进口的一端的侧壁上。

5.根据权利要求1所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，其特征在于，所述抽吸通道为多条，多条所述抽吸通道沿所述发动机主体的周向间隔设置；

多条所述抽吸通道的进口沿所述进气道的周向间隔设置，多条所述抽吸通道的出口沿所述等直段的周向间隔设置。

6.根据权利要求1所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，其特征在于，所述抽吸通道包括主通道、与所述主通道的其中一端连通的多条第一支路、以及与主通道的另一端连通的多条第二支路，每条所述第一支路的进口形成于所述进气道的侧壁，且所有所述第一支路的进口沿所述进气道的周向间隔设置，每条所述第二支路的出口形成于所述等直段的侧壁，且所有所述第二支路的出口沿所述等直段的周向间隔设置；

所述主通道的横截面积大于任一所述第一支路的横截面积以及任一所述第二支路的横截面积。

7.根据权利要求1所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，其特征在于，所述抽吸通道的进口处设置有第一调节装置，所述第一调节装置用于调节所述抽吸通道的进口的开口面积；所述抽吸通道的出口处设置有第二调节装置，所述第二调节装置用于调节所述抽吸通道的出口的开口面积。

8.根据权利要求7所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，其特征在于，还包括设置于所述发动机主体上的速度传感器、以及与所述速度传感器电性连接的控制元件，所述控制元件还与所述第一调节装置以及所述第二调节装置电性连接；

所述速度传感器用于获取所述轴对称结构RBCC发动机的飞行速度，所述控制元件用于根据所述轴对称结构RBCC发动机的飞行速度控制所述第一调节装置改变所述抽吸通道的进口的开口面积以及控制所述第二调节装置改变所述抽吸通道的出口的开口面积。

9.根据权利要求1所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，其特征在于，所述发动机主体还设有连通在所述进气道后的隔离段、以及连通在所述隔离段后的混合段、以及连通在所述混合段后的扩张段，所述扩张段后连通所述燃烧室。

10.一种飞行器，其特征在于，包括如上权利要求1‑9任一项所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机。

说明书

一种轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机及飞行器

技术领域

[0001] 本发明涉及空天发动机技术领域，特别是涉及一种轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机及飞行器。

背景技术

[0002] 发动机的速域范围是发动机的一项重要设计指标，速域范围宽意味着发动机适用范围更广，飞行包线范围越大，发动机越实用，应用前景越广。RBCC(Rocket‑Based 
Combined Cycle，火箭基组合循环推进系统)发动机突破了常规吸气式冲压发动机的限制，
能够在较宽的飞行马赫数下工作，应用前途广泛。

[0003] 但是对于常规的几何不可调RBCC发动机，在较低马赫数时需要溢流较多的空气流量来能够保证发动机的正常起动，这一方面造成了很大的能量浪费，另一方面也影响了发
动机推力，并带来了很大的溢流阻力。此外由于RBCC发动机内部有四个工作模态，为了统筹
不同模态之间的工作，对内流道的设计提出了更高的要求，尤其是发动机处于不同状态下，
对应的理论喉部面积是不同的，但是在实际工程方案中，发动机的喉部面积通常不可调节，
很难使发动机状态达到最优。

[0004] 目前，也有研究人员对上述问题进行改进，但是，改进后的方案普遍还存在燃烧效率低，或者发动机推力小的问题，致使RBCC发动机的性能较差。

发明内容

[0005] 基于此，有必要提供一种性能较佳的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机及飞行器。

[0006] 一种轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，包括发动机主体，所述发动机主体设有进气道、燃烧室、等直段以及排气段，所述燃烧室的进口与所述进气道连通，所述燃
烧室的出口与所述等直段的进口连通，所述等直段的出口与所述排气段的进口连通；

[0007] 其中，所述发动机主体还设有抽吸通道，所述抽吸通道的进口开设于所述进气道的侧壁，并与所述进气道连通，所述抽吸通道的出口开设于所述等直段的侧壁，并与所述等
直段连通，且所述抽吸通道的出口的出气方向与所述等直段至所述排气段的排布方向呈锐
角设置。

[0008] 在其中一个实施例中，所述抽吸通道的内部的横截面积大于所述抽吸通道的进口面积。

[0009] 在其中一个实施例中，所述抽吸通道的出口设置于所述等直段具有所述等直段的出口的一端的侧壁上。

[0010] 在其中一个实施例中，所述抽吸通道的进口设置于所述进气道具有所述进气道的进口的一端的侧壁上。

[0011] 在其中一个实施例中，所述抽吸通道为多条，多条所述抽吸通道沿所述发动机主体的周向间隔设置；

[0012] 多条所述抽吸通道的进口沿所述进气道的周向间隔设置，多条所述抽吸通道的出口沿所述等直段的周向间隔设置。

[0013] 在其中一个实施例中，所述抽吸通道包括主通道、与所述主通道的其中一端连通的多条第一支路、以及与主通道的另一端连通的多条第二支路，每条所述第一支路的进口
形成于所述进气道的侧壁，且所有所述第一支路的进口沿所述进气道的周向间隔设置，每
条所述第二支路的出口形成于所述等直段的侧壁，且所有所述第二支路的出口沿所述等直
段的周向间隔设置；所述主通道的横截面积大于任一所述第一支路的横截面积以及任一所
述第二支路的横截面积。

[0014] 在其中一个实施例中，所述抽吸通道的进口处设置有第一调节装置，所述第一调节装置用于调节所述抽吸通道的进口的开口面积；所述抽吸通道的出口处设置有第二调节
装置，所述第二调节装置用于调节所述抽吸通道的出口的开口面积。

[0015] 在其中一个实施例中，所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机还包括设置于所述发动机主体上的速度传感器、以及与所述速度传感器电性连接的控制元件，所述
控制元件还与所述第一调节装置以及所述第二调节装置电性连接；

[0016] 所述速度传感器用于获取所述轴对称结构RBCC发动机的飞行速度，所述控制元件用于根据所述轴对称结构RBCC发动机的飞行速度控制所述第一调节装置改变所述抽吸通
道的进口的开口面积以及控制所述第二调节装置改变所述抽吸通道的出口的开口面积。

[0017] 在其中一个实施例中，所述发动机主体还设有连通在所述进气道后的隔离段、以及连通在所述隔离段后的混合段、以及连通在所述混合段后的扩张段，所述扩张段后连通
所述燃烧室。

[0018] 一种飞行器，包括如上所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机。

[0019] 上述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机及飞行器中，抽吸通道将进气道与等直段连通，在低马赫数时，将进气道的多余空气流量抽走，保证了进气道的起动，使其
可以正常工作，并且降低了溢流阻力。另外，抽吸通道可以将发动机前部多余的空气引至等
直段后，形成气动喉部，配合上燃烧室形成扼流截面，促使燃烧室压力憋高，提高燃烧效率，
提高发动机热力循环热效率。并且，抽吸通道将进气道多余的空气引至等直段后，使得该空
气与发动机上游燃烧后的燃气一起经过排气段排出，提高了排气流量，会对发动机产生推
力增益，提高了发动机的推力。

附图说明

[0020] 图1为本发明一实施例中的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机的结构示意图。

[0021] 附图标记说明：

[0022] 1、发动机中心体；2、进气道；3、隔离段；4、火箭；5、混合段；6、扩张段；7、燃烧室；8、等直段；9、排气段；10、抽吸通道的进口；11、抽吸通道；12、抽吸通道的出口；13、发动机主
体。

具体实施方式

[0023] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发
明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0024] 术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含
地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，
除非另有明确具体的限定。

[0025] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0026] 如图1所示，一实施例涉及的一种轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机，包括发动机主体13以及发动机中心体1。

[0027] 发动机主体13设有进气道2、燃烧室7、等直段8以及排气段9，所述燃烧室7的进口与所述进气道2连通，所述燃烧室7的出口与所述等直段8的进口连通，所述等直段8的出口
与所述排气段9的进口连通。

[0028] 进一步地，所述发动机主体13还设有连通在所述进气道后的隔离段3、以及连通在所述隔离段3后的混合段5、以及连通在所述混合段5后的扩张段6，所述扩张段6后连通所述
燃烧室7。换而言之，进气道2、隔离段3、混合段5、扩张段6、燃烧室7、等直段8以及排气段9依
次连通。

[0029] 进气道2用于压缩空气，压缩之后的空气经过隔离段3后在混合段5内与燃气混合，混合后的气体在扩张段6内减速增压，以更好的在燃烧室7内燃烧，而富余的燃料在等直段8
内进一步燃烧，并提高燃烧的稳定性，最后燃烧后的气体从排气段9喷出，为飞行器提供推
力。其中，所述的隔离段3用于防止燃料在燃烧室7燃烧时由于燃料热量的释放造成燃烧室7
内压力提高向上游传播而影响进气道2。

[0030] 发动机中心体1至少部分设置于所述进气道2，且发动机中心体1与发动机主体13通过肋板固定连接。发动机中心体1用于携带火箭4，且发动机中心体1的头部伸出进气道，
发动机中心体1的中后部位于进气道2内。

[0031] 进一步地，所述发动机主体13还设有抽吸通道11，所述抽吸通道11的进口10与开设于所述进气道2的侧壁，并与所述进气道2连通，所述抽吸通道11的出口12开设于所述等
直段8的侧壁，并与所述等直段8连通。

[0032] 具体地，抽吸通道11位于进气道2、隔离段3、混合段5、扩张段6、燃烧室7、等直段8以及排气段9的外部，抽吸通道的进口10与进气道2连通，抽吸通道11的出口12与等直段8连
通。

[0033] 可选地，抽吸通道11可以是发动机主体13上通过加工而形成的；也可以是管道内部的通道，该管道抽沿着发动机壳体布置，尽可能保障发动机有效容积，不影响其他发动机
附件的安装。其中，所述的抽吸通道11的横截面可以是圆形，也可以是矩形，在此不做限定。

[0034] 更进一步地，所述抽吸通道11的出口12的出气方向与所述等直段8至所述排气段9的排布方向呈锐角设置。如此，从抽吸通道11排出的气体能够对发动机产生推力增益，并在
等直段8形成气动喉部。

[0035] 上述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机中，抽吸通道11将进气道2与等直段8连通，在低马赫数时，将进气道2的多余空气流量抽走，保证了进气道2的起动，使其可
以正常工作，并且降低了溢流阻力。并且，抽吸通道11将进气道2多余的空气引至等直段8
后，使得该空气与发动机上游燃烧后的燃气一起经过排气段9排出，提高了排气流量，会对
发动机产生推力增益，提高了发动机的推力。

[0036] 在其中一个实施例中，所述抽吸通道11为多条，多条所述抽吸通道11沿所述发动机主体13的周向间隔设置。

[0037] 具体地，抽吸通道11的数量可以是4条‑36条中的任一数值；多条所述抽吸通道的进口10沿所述进气道2的周向间隔设置，多条所述抽吸通道的出口12沿所述等直段8的周向
间隔设置。如此。抽吸通道11可以将发动机前部多余的空气引至等直段8后，形成气动喉部，
配合上燃烧室7形成扼流截面，促使燃烧室7压力憋高，提高燃烧效率，提高发动机热力循环
热效率。

[0038] 而在传统的RBCC发动机，有将抽吸通道连通进气道2与排气段9的方案，但是在这种方案中，并不会在等直段8形成气动喉部，会导致燃烧室7的燃烧效率偏低，本申请相较于
传统的RBCC发动机能够提高燃烧效率，性能更好。

[0039] 进一步地，多条所述抽吸通道11的进口10沿所述进气道2的周向均匀间隔设置，多条所述抽吸通道11的出口12沿所述等直段8的周向均匀间隔设置。如此，可以保证进气道2
的空气被均匀抽吸到等直段8。

[0040] 进一步地，为了防止抽吸通道11的进口1以及出口12相互之间的影响，相邻两条抽吸通道11之间的弧度不小于10度。

[0041] 更进一步地，所述抽吸通道11的内部的横截面积大于所述抽吸通道11的进口10面积。

[0042] 具体地，抽吸通道11的进口10的面积由发动机的溢流流量决定，在发动机的型号确定的情况下，发动机的溢流流量一般也是确定的，故而，抽吸通道11的进口10的面积也能
被确认。在抽吸通道11的进口10的面积确认的情况下，通过使得抽吸通道11的内部的横截
面积大于所述抽吸通道11的进口面积，可以减小抽吸通道11的内壁摩阻对气体流动的影
响，使得抽吸通道内的气体能够较为顺利的流向抽吸通道的出口12。

[0043] 在另一个实施例中，抽吸通道包括主通道、与所述主通道的其中一端连通的多条第一支路、以及与主通道的另一端连通的多条第二支路，每条所述第一支路的进口形成于
进气道2的侧壁，且所有所述第一支路的进口沿所述进气道的周向间隔设置，每条所述第二
支路的出口形成于等直段8的侧壁，且所有所述第二支路的出口沿所述等直段的周向间隔
设置。

[0044] 如此。抽吸通道11可以将发动机前部多余的空气引至等直段8后，形成气动喉部，配合上燃烧室7形成扼流截面，促使燃烧室7压力憋高，提高燃烧效率，提高发动机热力循环
热效率。

[0045] 进一步地，主通道的横截面积大于任一所述第一支路的横截面积以及任一所述第二支路的横截面积。

[0046] 换而言之，多条第一支路的进口即为抽吸通道的进口10，多条第二支路的出口即为抽吸通道的出口12。这样可以增加主通道的管径，降低管壁摩阻的影响范围。

[0047] 进一步地，多条所述第一支路的进口沿进气道2的周向均匀间隔设置，多条所述第二支路的出口沿等直段8的周向均匀间隔设置。如此，可以保证进气道2的空气被均匀抽吸
到等直段8。

[0048] 在其中一个实施例中，所述抽吸通道11的出口设置于所述等直段8具有所述等直段8的出口的一端的侧壁上。换言之，抽吸通道11的出口12位于靠近等直段8的出口的位置，
抽吸通道11能够将等直段8的气体抽吸到等直段8的出口位置。

[0049] 因为燃烧气流(速度为亚声速)的总压以及速度在等直段8的内会逐步均匀，并且马赫数会逐渐趋近于1。通过在等直段8的出口处的侧壁上设置抽吸通道11的出口12，气体
从抽吸通道11的出口12喷出时就会在等直段8的出口处形成气动喉部，该气动喉部会很容
易起到扼流的作用。而相较于抽吸通道11的出口12设置在等直段8中部的侧壁上，由于等直
段8中部的气流不均匀，会影响气动喉部的作用。另外，当气动喉道一旦形成，就需要扩张形
成推力面，若是将抽吸通道的出口12设置在等直段8中部的侧壁上，后面的等直段8就没有
效果，而且增加发动机重量。

[0050] 进一步地，所述抽吸通道的进口10设置于所述进气道2具有所述进气道2的进口的一端的侧壁上，用于将进气道2前部的多余空气流量抽走，保证进气道2的起动。

[0051] 在其中一个实施例中，所述抽吸通道的进口10处设置有第一调节装置，所述第一调节装置用于调节所述抽吸通道的进口10的开口面积；所述抽吸通道的出口12处设置有第
二调节装置，所述第二调节装置用于调节所述抽吸通道的出口12的开口面积。

[0052] 进一步地，所述轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机还包括设置于所述发动机主体13上的速度传感器、以及与所述速度传感器电性连接的控制元件，所述控制元件还
与所述第一调节装置电性连接；所述速度传感器用于获取所述轴对称结构RBCC发动机的飞
行速度，所述控制元件用于根据所述轴对称结构RBCC发动机的飞行速度控制所述第一调节
装置改变所述抽吸通道的进口10的开口面积以及控制所述第二调节装置改变所述抽吸通
道的出口12的开口面积。

[0053] 具体地，随着飞行马赫数的增加，抽吸通道的进口10以及出口的面积在控制元件的控制下由最大向最小变化，当发动机处于设计巡航状态工作时，抽吸通道的进口10以及
出口被关闭。

[0054] 其中，所述的第一调节装置以及第二调节装置可以是电动挡板。

[0055] 以下以两个具体实施例对抽吸通道11的设置进行说明：

[0056] 实施例一

[0057] 当飞行器的马赫数为2，高度为10公里时(飞行工况)，是发动机的一个设计状态点，此时需要溢流5公斤空气，根据此时空气来流的状态和进气道2总压损失等，可以按总压
150kPa估算抽吸通道的进口10总压，根据流量控制可以获得，此时所有抽吸通道的最小进
口面积为0.0015平方米，最小的当量直径为70mm。气流经过抽吸通道进口后，采用全程不小
于0.5°的当量扩张角。抽吸通道总长不超过3500mm，可以沿周向均匀布置10条抽吸通道，相
邻两条抽吸通道11之间的弧度不小于10度。

[0058] 实施例二

[0059] 当飞行器的马赫数为0.4，高度为4公里时，是发动机的一个设计状态点，此时需要溢流5公斤空气，根据此时空气来流的状态和进气道2总压损失等，可以按总压80kPa估算抽
吸通道的进口10总压，根据流量控制可以获得，此时所有抽吸通道的最小进口面积为0.003
平方米，最小的当量直径为98mm。气流经过抽吸通道的进口10后，采用全程不小于0.5°的当
量扩张角，抽吸通道总长不超过4900mm。可以沿周向均匀布置20条抽吸通道，相邻两条抽吸
通道11之间的弧度不小于10度。

[0060] 一实施例还涉及一种飞行器，包括如上所述的轴对称结构自适应气动调节的RBCC发动机。

[0061] 上述的飞行器中，抽吸通道将进气道2与等直段8连通，在低马赫数时，将进气道2的多余空气流量抽走，保证了进气道2的起动，使其可以正常工作，并且降低了溢流阻力。另
外，抽吸通道可以将发动机前部多余的空气引至等直段8后，形成气动喉部，配合上燃烧室7
形成扼流截面，促使燃烧室7压力憋高，提高燃烧效率，提高发动机热力循环热效率。并且，
抽吸通道将进气道2多余的空气引至等直段8后，使得该空气与发动机上游燃烧后的燃气一
起经过排气段9排出，提高了排气流量，会对发动机产生推力增益，提高了发动机的推力。

[0062] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0063] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。