用于發(fā)動機的噴管安排的制作方法
【專利說明】用于發(fā)動機的噴管安排 相關(guān)申請的交叉引用
[0001] 本申請根據(jù)35U.S.C.§119(a)要求在2013年10月11號于英國提交并且通過引用而 結(jié)合在此的專利申請?zhí)朑B 1318112.8的優(yōu)先權(quán)，并且根據(jù)35U.S.C. §§120和365要求在2014 年6月5號提交并且也通過引用而結(jié)合在此的美國專利申請?zhí)?4/296,628的優(yōu)先權(quán)和在先 申請日權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種用于既可按吸氣模式又可按火箭模式運行的發(fā)動機的噴管安排。 在多個實施例中，該發(fā)動機用于單級入軌航天飛機。還可以設(shè)想到其他應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003] 由英國牛津郡的反應(yīng)發(fā)動機(Reaction Engines)公司開發(fā)的SABRE發(fā)動機是用于 對諸如單級入軌航天飛機的應(yīng)用提供動力的飛行器發(fā)動機。該發(fā)動機既能按吸氣模式又能 按火箭模式運行。在低海拔地區(qū)，發(fā)動機以吸氣模式運行。在此模式中，發(fā)動機通過使閉合 環(huán)路中所含有的機載儲存器的氣態(tài)氦膨脹穿過渦輪壓縮機的渦輪機來驅(qū)動該渦輪壓縮機 的壓縮機以壓縮吸入大氣空氣來運行。經(jīng)壓縮的空氣與來自機載液氫儲存器的氫混合，并 且所產(chǎn)生的混合物燃燒并且然后被排放以提供推力。在高海拔地區(qū)，發(fā)動機以火箭模式運 行。在該模式中，代替吸入大氣空氣，發(fā)動機將來自機載液氧儲存器的氧與該氫混合、并且 燃燒混合物，然后將之排放來提供推力。在火箭模式中并不使用渦輪壓縮機。
[0004] 存在問題于在這兩個模式的每一者中如何提供燃燒和排放。一種解決方案是針對 吸氣模式和火箭模式各自提供分開的燃燒室和噴管，即第一燃燒室和噴管用于吸氣模式， 并且分開的燃燒室和噴管用于火箭模式。然而，這種途徑將給發(fā)動機帶來明顯的重量和阻 力，這是所不希望的。
[0005] 替代途徑是提供用于這兩個運行模式的共用燃燒室和相關(guān)聯(lián)的噴管。然而，為了 在火箭模式中提供推力，有必要使該燃燒室成為火箭燃燒室并且使氧和氫在室中燃燒并且 然后膨脹并通過火箭噴管排放。然而，在吸氣模式中這樣的安排對于運行而言不是最佳的。 火箭發(fā)動機燃燒室必然會是針對高壓力運行設(shè)計的。其結(jié)果是，當(dāng)以吸氣模式運行時，可能 需要約100:1的吸入大氣空氣壓縮比。應(yīng)當(dāng)理解的是，這種高壓縮比使得必須有高的氫燃料 流量。其結(jié)果是，與其他情況下相比必須攜帶更多的氫，從而導(dǎo)致重量增加和性能降低。因 此，這種解決方案也是所不希望的。
[0006] 因此，所希望的是提供一種解決這些缺點的安排。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本披露內(nèi)容的第一方面，提供了用于既可按吸氣模式又可按火箭模式運行的 發(fā)動機的一種噴管安排，在該吸氣模式中該發(fā)動機將從大氣吸入的空氣與來自該發(fā)動機的 一個儲存器的氫燃燒，在該火箭模式中該發(fā)動機將來自其一個儲存器的氧與來自其儲存器 的氫燃燒，該噴管安排包括:一個火箭燃燒室，該火箭燃燒室通過一個火箭喉部流體地聯(lián)接 到一個火箭噴管，該火箭噴管包括鄰近該火箭喉部的第一部分和遠離該火箭喉部的第二部 分，并且該第二部分可相對于該第一部分在一個火箭位置與一個吸氣位置之間移動，在該 火箭位置中該第一部分和第二部分形成一個基本上連續(xù)的火箭噴管，在該吸氣位置中該第 一部分和第二部分重疊以在它們之間限定一個環(huán)形喉部，該火箭噴管進一步包括至少一個 吸氣燃燒室，該至少一個吸氣燃燒室被安排成當(dāng)該噴管的第一部分和第二部分處于該吸氣 位置時流體地聯(lián)接到該環(huán)形喉部。
[0008] 通過針對該火箭模式和吸氣模式各自提供分開的燃燒室但提供共用的噴管，在提 供能夠使火箭燃燒和吸氣燃燒各自最佳化的分開的燃燒室的同時，避免了提供多個分開的 噴管的明顯的重量和阻力缺點（提供對至少一部分大氣飛行"無效的"的額外噴管的阻力代 價是相當(dāng)大的）。此外，通過提供一種包括兩個部分的噴管、這些部分可以重疊以提供針對 該吸氣模式的環(huán)形喉部是一種便利的解決方案來允許(至少一個)吸氣燃燒室與火箭燃燒 室共享同一的噴管。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在該吸氣模式時，這樣的環(huán)形喉部促進(至少在某些操 作條件下)沿噴管的壁的附著流。
[0009] 該噴管的第一部分可以是較大直徑端部位于一個徑向平面中的一個大致截頭圓 錐形部分。該第二部分可以是較小直徑端部位于一個徑向平面中的一個大致截頭圓錐形部 分。該第二部分的較小直徑端部可以包括從該第二部分的頸部基本上軸向地延伸的一個大 致圓柱形部分。當(dāng)在該火箭位置中時，該第一部分的較大直徑端部可以接合該第二部分的 頸部以形成該基本上連續(xù)的火箭噴管。這種接合可以是基本上密封的接合。
[0010] 該火箭燃燒室和該火箭喉部可以被固定到該噴管的第一部分上或是相對其固定 的。
[0011] 該至少一個吸氣燃燒室可以包括多個吸氣燃燒室，每個吸氣燃燒室被安排成當(dāng)該 噴管的第一部分和第二部分處于該吸氣位置時流體地聯(lián)接到該環(huán)形喉部。這些吸氣燃燒室 可以是圍繞該噴管沿圓周方向分布的。這些吸氣燃燒室可以是圍繞該噴管的第一部分沿圓 周方向分布的。這些吸氣燃燒室可以是以基本上恒定的角節(jié)距分布的。該至少一個吸氣燃 燒室可以被固定到該噴管的第一部分上或是相對其固定的。
[0012] 當(dāng)該噴管的第一部分和第二部分處于該吸氣位置時該至少一個吸氣燃燒室可以 通過一個環(huán)形集氣部來流體地聯(lián)接到環(huán)形喉部，該環(huán)形集氣部被流體地聯(lián)接到該環(huán)形喉 部。該環(huán)形集氣部可以圍繞該噴管的第一部分。該環(huán)形集氣部可以被固定到該噴管的第一 部分上或是相對其固定的。該環(huán)形集氣部可以被安排成當(dāng)處于該吸氣位置時在該環(huán)形集氣 部的一個出口與該噴管的第一部分的由該噴管的第二部分所重疊的一個外表面之間提供 密封接合。該環(huán)形集氣部可以被安排成當(dāng)處于該吸氣位置時接合該第二部分的較小直徑端 部以便在該環(huán)形集氣部的出口與該噴管的第二部分的一個內(nèi)表面之間提供密封接合。該環(huán) 形集氣部可以被安排成當(dāng)處于該吸氣位置時接合該第二部分的較小直徑端部的圓柱形部 分以便在該環(huán)形集氣部的出口與該噴管的第二部分的一個內(nèi)表面之間提供密封接合?？梢?在該環(huán)形集氣部與噴管的第二部分的內(nèi)表面之間提供不透流體的撓性聯(lián)接件，該不透流體 的撓性聯(lián)接件可以在它們之間提供不透流體的聯(lián)接同時還允許相對移動。該不透流體的撓 性聯(lián)接件可以包括波紋管安排。
[0013] 該至少一個吸氣燃燒室可以包括圍繞該噴管的第一部分的單一環(huán)形吸氣燃燒室。 該單一吸氣燃燒室可以被固定到該噴管的第一部分上或是相對其固定的。該單一環(huán)形吸氣 燃燒室可以被安排成當(dāng)處于該吸氣位置時在該單一環(huán)形吸氣燃燒室的一個出口與該噴管 的第一部分的由該噴管的第二部分所重疊的一個外表面之間提供密封接合。該單一環(huán)形吸 氣燃燒室可以被安排成當(dāng)處于該吸氣位置時接合該第二部分的較小直徑端部以便在單一 環(huán)形吸氣燃燒室的出口與該噴管的第二部分的一個內(nèi)表面之間提供密封接合。該單一環(huán)形 吸氣燃燒室可以被安排成當(dāng)處于該吸氣位置時接合該第二部分的較小直徑端部的圓柱形 部分以便在該環(huán)形集氣部的出口與該噴管的第二部分的一個內(nèi)表面之間提供密封接合?？?以在該至少一個吸氣燃燒室與該噴管的第二部分的內(nèi)表面之間提供不透流體的撓性聯(lián)接 件，該不透流體的撓性聯(lián)接件可以在它們之間提供不透流體的聯(lián)接同時還允許相對移動。 該不透流體的撓性聯(lián)接件可以包括波紋管安排。
[0014] 該至少一個吸氣燃燒室可以被安排成接收經(jīng)壓縮的大氣空氣和來自其儲存器的 氫。該火箭燃燒室可以被安排成接收各自來自其對應(yīng)儲存器的氧和氫。
[0015] 該噴管的幾何形狀可以是使得當(dāng)在該吸氣模式時，該噴管的重疊的第一部分和第 二部分之間的該環(huán)形喉部中存在發(fā)散性。
[0016] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該環(huán)形喉部的發(fā)散致使在該環(huán)形喉部的區(qū)域中的熱量傳遞特性更佳。 特別地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在此區(qū)域中的熱量傳遞量小于就其他環(huán)形喉部幾何形狀而言的熱量傳 遞量。
[0017] 該環(huán)形喉部的發(fā)散可以是使得該喉部在其出口處的徑向?qū)挾扰c該喉部在其入口 處的徑向?qū)挾鹊谋嚷蚀笥?:1并且小于4:1。該比率可以是大于1:1并且小于3.5:1。該比率 可以是在1.5:1與3.5:1之間。該喉部可以被限定為該噴管的第二部分與第一部分之間的重 疊區(qū)域，相應(yīng)地限定了該入口和出口的位置。
[0018] 該噴管的第一部分的面積比率、即該第一部分的出口與該火箭喉部的比例可以是 在20:1和50:1之間。該比率可以是在25:1與35:1之間。在實施例中，該比率可以是30:1。
[0019] 在該火箭模式中形成的基本上連續(xù)的火