一种分离式多级推力的水下动力系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种分离式多级推力的水下动力系统及其控制方法，属于水下航行动力技术领域。
背景技术
水下航行器以其在水中自主航行的卓越性能，常被运用于在水下进行各项活动和任务。传统水下航行器大多采用螺旋桨式推进，这种推进方式有航行速度慢，航程短的缺点，同时，为螺桨提供能源的电池在长期储存上存在诸多困难。
针对传统螺桨式推进的缺陷，世界各国开始采用喷射式推进系统。常见的喷气式动力系统分为助推段和续航段两级发动机，其中续航段采用金属燃料水冲压发动机，助推段的推力由捆绑在航行体外壁的多个小型固体火箭发动机提供。航行体首先经过助推段发动机推进加速，当速度达到水冲压发动机的工作需求时，助推段多个小型固体火箭发动机脱离航行体，水冲压发动机开始工作，产生推力，保证航行体完成后续的航行。但是，悬挂在外壁的小型固体火箭发动机会为航行体加速阶段带来不必要的阻力，而且在脱离航行体时，所有的小型发动机的脱离并不能精准控制在同一时刻，这样会造成航行体受力不均，大大降低航行的可靠性。所以，为了解决这一问题，本发明将助推段固体火箭发动机设计成环状并嵌套于续航段水冲压发动机的外侧，能够很好地解决助推段发动机脱离时造成的航行体受力不均的问题，对于提高航行体的性能具有重要意义。
发明内容
针对传统水下动力系统推进下的航行体速度较低，以及传统动喷气式动力系统在助推发动机分离阶段容易造成航行体受力不均的缺陷，本发明的目的是提供一种分离式多级推力的水下动力系统及其控制方法，一方面，可以满足大推力加速以及长时间持续高速航行的工作需求，另一方面，有效减少甚至杜绝了助推段发动机在分离时造成的航行体受力不均的问题，大大提高水下航行体的航行能力。
本发明的目的是这样实现的：包括通过爆炸螺栓连接的续航段发动机和助推段发动机，续航段发动机包括续航段发动机壳体、依次设置在续航段发动机壳体内的续航段进水管路、续航段燃气发生器、续航段补燃室、续航段尾喷管，续航段燃气发生器内设置有续航段药柱；所述助推段发动机包括与续航段发动机壳体连接的助推段发动机壳体、设置在助推段发动机壳体内的助推段发动机药柱、与助推段发动机壳体端部连接的助推段发动机尾喷管。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.续航段发动机壳体包括壳体前段、阶梯状的壳体后段，且壳体后段的大端与壳体前段连接，助推段发动机壳体、壳体前段、壳体后段的大端的外径相等，助推段发动机壳体是与壳体后段的大端的端面连接，所述助推段发动机药柱是环形的且两端通过助推段发动机药柱支撑件与助推段发动机壳体连接，所述壳体后段的小端位于助推段发动机药柱内。
2.续航段进水管路包括主进水管、与主进水管连接的进水管缓冲室、与进水管缓冲室连接的一次进水管和二次进水管，一次进水管和二次进水管的端部分别与续航段补燃室连通且在管路上设置有进水管球形阀；续航段燃气发生器包括依次连接的续航段燃气发生器前封头、续航段燃气发生器筒体、续航段燃气发生器喷管，续航段补燃室与续航段燃气发生器喷管连通，续航段尾喷管与续航段补燃室端部连接。
3.所述一次进水管和二次进水管分别有四个且交替设置，二次进水管的长度大于一次进水管的长度。
4.助推段发动机药柱采用含金属的DB/Al/AP高能固体推进剂；续航段药柱采用纳米铝基固体推进剂，推进剂为质量分数为70～90％的铝、7.5～20％的过氯酸铵以及2.5～10％粘合剂制成的高能推进剂。
5.一种分离式多级推力的水下动力系统的控制方法，包括所述分离式多级推力的水下动力系统，具体是：
(1)助推段加速阶段：续航段发动机不工作，续航段主进水管、续航段一次进水管(5)、续航段二次进水管不工作，续航段进水管阀门关闭；助推段发动机药柱燃烧产生的燃气从助推段发动机尾喷管喷出产生推力；
(2)分离阶段：助推段发动机停止工作，爆炸螺栓炸断，助推段发动机与航行体分离；
(3)续航阶段：续航段进水管阀门打开，续航段主进水管、续航段一次进水管、续航段二次进水管开始工作，续航段燃气发生器中推进剂自持燃烧产生的高温燃气在续航段补燃室中与冲压进入的海水掺混二次燃烧，产生的燃气从续航段尾喷管喷出产生推力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种分离式多级推力的水下动力系统，针对传统喷气式水下动力系统将助推段发动机悬挂在续航段发动机侧面，为加速阶段带来额外阻力且脱离航行体时造成航行体受力不均的问题，将助推段固体火箭发动机设计成环状并嵌套于续航段水冲压发动机的外侧，两者之间通过爆炸螺栓连接。这种设计减少了航行体加速阶段阻力，大大削弱了助推段分离时造成的航行体受力不均的问题。
本发明提供的一种分离式多级推力的水下动力系统，在助推段固体火箭发动机中采用DB/Al/AP固体推进剂，在药柱设计上采用内外燃药柱增大燃面面积，实现航行体水下大推力加速；在续航段水冲压发动机中采用纳米铝基固体推进剂，纳米级铝颗粒能够增大与海水的接触面积，促进推进剂的燃烧；同时，高能金属基推进剂也能够大幅提高续航阶段发动机的比冲和续航时间。
在助推加速阶段，助推发动机固体推进剂燃烧，产生的燃气从助推段尾喷管喷出，为航行体提供推力。
在续航阶段，续航段燃气发生器中纳米铝金属基推进剂燃烧，产生的高温燃气通过燃气发生器喷管进入补燃室，与海水反应，产生的高温燃气从尾喷管排出，产生推力。
本发明提供的一种分离式多级推力的水下动力系统，将水冲压发动机与固体火箭发动机在结构上进行嵌套，实现了水下多级推进装置的合理布局，满足大推力加速以及长时间持续高速航行的工作需求，有效减少甚至杜绝了助推段发动机在分离时造成的航行体受力不均的问题，极大地提高水下航行体的综合性能。
附图说明
图1是本发明一种分离式多级推力的水下动力系统立体图；
图2是本发明一种分离式多级推力的水下动力系统剖视图；
图3是续航段发动机(含壳体)立体图；
图4是续航段发动机(无壳体)立体图；
图5是续航段发动机(含壳体)剖视图；
图6是助推段发动机立体图；
图7是助推段发动机剖视图；
图8是助推段发动机A-A截面剖视图；
图9是助推段发动机药柱支撑件；
其中，1-续航段燃气发生器，2-续航段补燃室，3-续航段尾喷管，4-续航段主进水管，5-续航段一次进水管，6-续航段二次进水管，7-续航段入水缓冲室，8-续航段一次进水管阀门，9-续航段二次进水管阀门，10-续航段燃气发生器前封头，11-续航段燃气发生器筒体，12-续航段燃气发生器喷管，13-续航段补燃室前盖，14-续航段补燃室筒体，15-续航段尾喷管收敛段，16-续航段尾喷管扩张段，17-续航段药柱，18-续航段药柱弹性垫，19-续航段发动机壳体前段，20-续航段发动机壳体后段，21-助推段发动机壳体，22-助推段发动机药柱，23-助推段发动机药柱支撑件，24-助推段发动机尾喷管，25-爆炸螺栓。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图9，本发明中提供的一种分离式多级推力的水下动力系统，主要包括顺次相连的续航段发动机和助推段发动机。
参见图3、图4和图5，续航段发动机包括续航段进水管路、续航段燃气发生器、续航段补燃室、续航段尾喷管以及续航段发动机壳体。其中续航段进水管路包括续航段主进水管4，续航段入水缓冲室7，续航段一次进水管5，续航段二次进水管6，续航段一次进水管阀门8和续航段二次进水管阀门9。
所述续航段主进水管4一端与航行体进水口通过螺纹连接，另一端与续航段入水缓冲室7中心开孔通过螺纹连接。续航段一次进水管6和续航段二次进水管7一端通过螺纹与续航段入水缓冲室7侧边八个开孔连接，另一端与续航段补燃室2侧壁上的八个开孔通过螺纹连接；主进水管4主要用于将海水从航行体进水口运送至续航段入水缓冲室7，续航段一次进水管6和续航段二次进水管7再将海水从续航段入水缓冲室7运送到续航段补燃室2侧壁上的一次、二次进水口处。管路所有连接均为螺纹连接。
所述续航段燃气发生器1包括续航段燃气发生器前封头10，续航段燃气发生器筒体11，续航段燃气发生器喷管12，续航段药柱17和续航段药柱弹性垫18；所述续航段补燃室2包括续航段补燃室前盖13和续航段补燃室筒体14；所述续航段燃气发生器前封头10、续航段燃气发生器喷管12采用法兰连接与续航段燃气发生器筒体11的两端连接；所述续航段药柱17通过粘合剂粘于续航段药柱弹性垫18上，并嵌于续航段燃气发生器筒体15内部，续航段药柱弹性垫18与续航段燃气发生器前封头10连接；也即续航段燃气发生器筒体11前后两端分别与续航段燃气发生器前封头10和续航段燃气发生器喷管12通过法兰连接构成续航段燃气发生器1，续航段药柱17嵌于续航段燃气发生器筒体11中，并粘于续航段药柱弹性垫18上。续航段药柱弹性垫18用于填补续航段燃气发生器前封头10的半椭球型形空腔，同时保护药柱在运输过程中不被破坏。续航段补燃室前盖13一端与续航段燃气发生器喷管12通过螺纹连接，另一端通过法兰与续航段补燃室筒体14连接构成续航段补燃室2。
所述续航段尾喷管3包括续航段尾喷管收敛段15和续航段尾喷管扩张段16；续航段尾喷管收敛段15一端与续航段补燃室筒体14通过法兰连接，另一端和续航段尾喷管扩张段16通过螺纹连接。续航段发动机壳体前段19与续航段发动机壳体后段20之间通过法兰连接，二者将续航段发动机整体囊括在其内部。续航段发动机壳体后段20与尾喷管扩张段16通过法兰连接。
参见图6、图7和图8，所述助推段发动机包括助推段发动机壳体21、助推段发动机药柱22、助推段发动机药柱支撑件23和助推段发动机尾喷管24；助推段发动机壳体21和助推段发动机尾喷管24通过法兰连接构成助推段发动机主体，助推段发动机药柱22位于助推段发动机燃烧室内，助推段发动机药柱22两端与助推段发动机药柱支撑件23粘合，后者焊接在助推段发动机壳体21内壁上。
参见图2，助推段发动机与续航段发动机之间通过爆炸螺栓25连接。在助推加速节段采用固体火箭发动机加速，助推发动机采用含金属的DB/Al/AP高能固体推进剂，能够实现航行体水下大推力加速，大大缩短航行体加速时间。在续航段阶段采用水冲压发动机推进，水冲压发动机推进剂采用纳米铝基固体推进剂，推进剂为质量分数为70～90％的铝Al、7.5～20％的过氯酸铵AP以及2.5～10％粘合剂制成的高能推进剂，大幅提高续航阶段发动机性能。续航阶段推进剂中的铝颗粒为纳米铝颗粒，小尺寸颗粒能够极大地增加铝颗粒与氧化剂的接触面积，提升燃烧效率。续航段采用二次燃烧的方案，续航段推进剂中的高氯酸铵AP和粘合剂在燃气发生器中自持燃烧放热，产生的燃气将熔化的金属液滴带入补燃室，未反应的高温金属颗粒在补燃室中与海水进行二次反应，极大提高推进剂燃烧效率。续航段补燃室采用过量进水的方案，多余的海水吸收高温燃气中的热量汽化成为气态，随燃气一起从续航段尾喷管中喷出，增加了工质，增强了发动机的做功能力。续航段补燃室采用两次进水的方法，避免了续航段发动机因过量入水导致熄火的问题，保证发动机持续工作。助推段发动机采用环状燃烧室以及环状的内外燃固体药柱。助推发动机环状结构中心留有空腔，续航段水冲压发动机嵌入空腔中，并通过爆炸螺栓与助推段发动机连接。助推段发动机工作结束后引爆爆炸螺栓，助推段发动机与续航段发动机分离。该分离式发动机设计方案能够有效减轻续航阶段航行体重量，能大幅提高有效航程。
一种分离式多级推力的水下动力系统的控制方法，具体包括：
助推加速阶段，航行体由静止开始加速。续航段一次进水管阀门8和续航段二次进水管阀门9关闭，进水管路不工作，具体是续航段主进水管4、续航段一次进水管5、续航段二次进水管6不工作，续航段一次进水管阀门8和续航段二次进水管阀门9关闭；助推段发动机药柱22点火燃烧，产生高温燃气由助推段发动机尾喷管24喷出，产生推动力。
分离阶段，助推段发动机药柱22燃烧完毕，助推段发动机停止工作，爆炸螺栓25炸断，助推段发动机与航行体分离；
续航阶段，续航段燃气发生器1中的续航段药柱17开始燃烧，产生的高温燃气携带大量未反应的铝颗粒通过续航段燃气发生器喷管12进入续航段补燃室2内；续航段一次进水管阀门8和续航段二次进水管阀门9打开，进水管路开始工作，具体是续航段主进水管4、续航段一次进水管5、续航段二次进水管6开始工作；续航段燃气发生器1中推进剂自持燃烧产生的高温燃气在续航段补燃室2中与冲压进入的海水掺混二次燃烧，也即通过进水管路进入续航段补燃室2的海水与纳米铝颗粒发生二次反应，燃烧产生的燃气通过续航段尾喷管3向外排出，为续航阶段提供推动力。
本发明涉及一种分离式多级推力的水下动力系统及其控制方法，将水冲压发动机嵌套在环状中空的固体火箭发动机中，设计出了一种分离式多级推力水下动力系统。助推段由固体火箭发动机提供推力，增大了推力，缩短了加速时间。续航段由固体水冲压发动机推进，提高了发动机比冲和续航时间。本发明对助推段固体火箭发动机进行了改进，将助推段发动机设计成环状中空的形状，嵌套于水冲压发动机补燃室外，均匀环状造型能够保证助推段发动机脱离时航行体受力均匀，大大提高发动机可靠性。
