一种脉冲爆震发动机的推力转换器的制作方法

本发明属于脉冲爆震发动机领域，具体涉及一种脉冲爆震发动机的推力转换器。

背景技术：

脉冲爆震发动机是利用间歇式爆震波所产生的高温、高压燃气来产生推力的新概念飞机发动机。爆震波可以近似地认为由超声速激波和与其紧密耦合的薄火焰或反应区组成。由于爆震波能产生极高的燃气压力(大于15至55个大气压)、燃气温度(大于2800k)和极快的传播速度(马赫数大于4)，它对推进系统有很大吸引力。爆震过程在热力学上比普通的以爆燃为基础的推进系统的等压燃烧更接近等容循环，因此有更高的热力学效率。此外，脉冲爆震发动机还可以在宽广的马赫数下工作。

脉冲爆震发动机整个工作过程是间歇式，周期性的，因而产生的推力具有周期性、脉冲式、大峰峰值的特点。这一点与传统涡轮喷气或火箭发动机所产生的准稳态推力是截然不同的。这种脉冲式、大峰峰值的推力容易引起整个发动机的振动，这种振动传递到飞行器上，会造成发动机安装节等重要部件疲劳损伤，甚至会导致这些部件的损坏。

对于这些问题，目前国内外的普遍解决方案是通过增加爆震频率来解决。但这又会带来新的问题:1.频率的上限受到爆震管实际尺寸、阀门开关、反应物供给速度、控制程序反应时间及反应物起爆速率等因素限制，不能无限制的提高；2.提高爆震频率会缩小发动机的稳定工作范围；3.高频大幅度的冲击作用会使材料极易疲劳，工作寿命大大减少，增加事故概率。

因此本发明提出一种推力转换器，无需提高脉冲爆震发动机的爆震频率就能将周期性、脉冲式、大峰峰值转化为小幅度波动的准稳态力。

技术实现要素：

为解决现有技术上存在的问题，本发明提出一种脉冲爆震发动机的推力转换器，针对发动机的振动造成发动机安装节等重要部件疲劳损伤，甚至会导致这些部件的损坏，以及这种振动传递到飞机上，也会影响机载人员的乘坐舒适度的不足，本发明设计一种使周期性的脉冲推力转换为小幅度波动的准稳态推力的转换器。

本发明技术方案是：一种脉冲爆震发动机的推力转换器，其特征在于：包括飞行器安装座1、弹簧腔2、线性粘滞阻尼器、发动机安装座5、并联弹簧6和串联弹簧9；所述线性粘滞阻尼器内阻尼油缸3、活塞杆4和活塞10同轴安装，所述阻尼油缸3为中空的圆柱形结构，其两端面中心位置均设置有通孔，所述活塞杆4贯穿两个所述通孔安装；所述活塞10安装于所述活塞杆4中心位置的外周面，与所述阻尼油缸3内表面间隙配合；

所述线性粘滞阻尼器一端通过所述弹簧腔2固定于所述飞行器安装座1上，另一端通过所述活塞杆4固定于所述发动机安装座5；所述串联弹簧9同轴设置于所述弹簧腔2内，一端与所述飞行器安装座1连接，另一端与所述活塞杆4一端同轴连接；所述并联弹簧6与所述活塞杆4并联设置，所述并联弹簧6一端与所述阻尼油缸3朝向所述发动机安装座5的端面连接，另一端与所述发动机安装座5连接。

进一步的优选方案，所述并联弹簧6与串联弹簧9刚度之比n，与所述推力转换器放大率β的关系参见以下公式：

其中，所述推力转换器放大率β小于1，n表示串联弹簧9与并联弹簧6弹簧刚度之比；ξ表示串联弹簧9与并联弹簧6阻尼比；γ表示串联弹簧9与并联弹簧6频率比。

进一步的优选方案，线性粘滞阻尼器恢复力公式如下：

其中，k代表流体稠度系数；l代表活塞10的厚度；d代表阻尼油缸3的内径；d代表活塞杆4的直径；h代表活塞与油缸之间的间隙宽度；m代表阻尼油的非牛顿指数；d0代表活塞10的直径；ρ代表阻尼油的密度；ξ代表孔缩效应损失经验参数；v代表活塞运动速度。

进一步的优选方案，所述弹簧腔2与所述阻尼油缸3为同轴可拆卸连接。

进一步的优选方案，所述弹簧腔2内表面与所述阻尼油缸3外表面为螺纹连接。

进一步的优选方案，所述飞行器安装座1和所述活塞杆4，与所述串联弹簧9连接的端面分别设置有弹簧安装套筒8，用于限制所述串联弹簧9的径向运动。

进一步的优选方案，所述阻尼油缸3和所述发动机安装座5，与所述并联弹簧6连接的端面分别设置有弹簧安装轴7；用于限制所述并联弹簧6的径向运动。

有益效果

本发明的技术效果在于：

本发明应用于脉冲爆震发动机与飞行器之间的连接件，使周期性、脉冲式、大峰峰值的推力转化为小幅度波动的准稳态推力。

采用线性粘滞阻尼器结构承受不同频率的脉冲式推力均表现出良好的减振能力；现有技术中阻尼器一般阻尼系数都会随速度变化而变化，想要获得其阻尼系数也很麻烦；且现有技术中阻尼器恢复力模型往往需大量实验获得，其结构微小的改变也往往会对恢复力产生不可预知的影响。因此本发明采用简单的线性阻尼器作为推力转换装置的阻尼元件，其结构简单、方程简洁、便于求解与控制。线性粘滞阻尼器恢复力模型方程可由牛顿内摩擦定律、流体连续性方程、伯努利方程推导得到。

通过控制阻尼油缸面积、活塞横截面积、活塞轴向长度及活塞杆横截面积，从而降低流体运动的雷诺数使流体流动近似于层流流动并且降低孔缩效应的影响，即减小方程的第二项，使得非线性阻尼力远小于由于油液粘性产生的线性阻尼力，从而使阻尼系数保持稳定，使阻尼力与速度大小成正比，从而获得线性阻尼器。

由于本发明推力转换装置在工作过程中会沿轴向反复运动，因此将线性粘滞阻尼器设计为活塞10安装于所述活塞杆4中心位置的外周面，与所述阻尼油缸3内表面间隙配合，即对称的双出杆间隙式阻尼器，使得其阻尼性质不随着运动方向地改变而变化，便于控制。

本发明采用两个弹簧并列安装的结构设计，即提高了其隔离脉冲爆震发动机高频率、周期性、脉冲式、大峰峰值推力的能力，又降低了发动机的轴向位移。同时可根据脉冲爆震发动机推力频率的不同，安装不同刚度的并联弹簧6与串联弹簧9，使得系统的放大率

小于1，获得减振效果。

本发明将弹簧腔2与阻尼油缸3设计为可拆卸连接，如螺纹连接，便于更换内部的串联弹簧9。且在弹簧连接位置设计了弹簧安装轴7及套筒8，便于安装弹簧的同时又确保弹簧不会发生侧弯变形，限制其径向运动，只产生轴向形变。

附图说明

图1是脉冲爆震发动机的推力转换器立体示意图。

图2是脉冲爆震发动机推力转换器结构示意图。

附图标记说明：1.飞行器安装座；2.弹簧腔；3.阻尼油缸；4.活塞杆；5.发动机安装座；6.并联弹簧；7.弹簧安装轴；8.弹簧安装套筒；9.串联弹簧；10.活塞。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照图1和图2，本发明一种脉冲爆震发动机的推力转换器包括飞行器安装座1、弹簧腔2、线性粘滞阻尼器、发动机安装座5、并联弹簧6和串联弹簧9；所述线性粘滞阻尼器内阻尼油缸3、活塞杆4和活塞10同轴安装，阻尼油缸3为中空的圆柱形结构，其两端面中心位置均设置有通孔，活塞杆4贯穿两个所述通孔安装；活塞10安装于活塞杆4中心位置的外周面，与阻尼油缸3内表面间隙配合；

所述线性粘滞阻尼器一端通过弹簧腔2固定于所述飞行器安装座1上，另一端通过活塞杆4固定于所述发动机安装座5；弹簧腔2内表面与阻尼油缸3外表面为螺纹连接，便于更换内部的串联弹簧9。串联弹簧9同轴设置于弹簧腔2内，一端与飞行器安装座1连接，另一端与活塞杆4一端同轴连接；飞行器安装座1和活塞杆4与串联弹簧9连接的端面，分别设置有弹簧安装套筒8，用于限制串联弹簧9的径向运动。并联弹簧6与活塞杆4并联设置，并联弹簧6一端与阻尼油缸3朝向发动机安装座5的端面连接，另一端与发动机安装座5连接；阻尼油缸3和所述发动机安装座5与并联弹簧6连接的端面，分别设置有弹簧安装轴7，用于限制并联弹簧6的径向运动。脉冲爆震发动机由线性导轨提供垂向支撑并可轴向运动。发动机安装座5与脉冲爆震发动机安装节连接。

选取推力频率为10hz的脉冲爆震发动机，推力峰峰值为734.26n，平均推力为77.34n。本发明的推力转换器分别通过飞行器安装座1和发动机安装座5与飞行器及脉冲爆震发动机连接。

所述推力转换装置由线性粘滞阻尼器、串联弹簧及并联弹簧三种零件结合组成ruzicka型减振器。线性粘滞阻尼器由阻尼油缸3、活塞杆4及活塞10组成，经过优化计算，其阻尼系数设计为2183n/m。

间隙式粘滞阻尼器恢复力模型方程可由牛顿内摩擦定律、流体连续性方程、伯努利方程推导得到。

其中，k代表流体稠度系数；l代表活塞10的厚度；d代表阻尼油缸3的内径；d代表活塞杆4的直径；h代表活塞与油缸之间的间隙宽度；m代表阻尼油的非牛顿指数；d0代表活塞10的直径；ρ代表阻尼油的密度；ξ代表孔缩效应损失经验参数；v代表活塞运动速度。

通过控制阻尼油缸面积、活塞横截面积、活塞轴向长度及活塞杆横截面积，从而降低流体运动的雷诺数使流体流动近似于层流流动并且降低孔缩效应的影响，即减小方程的第二项，使得非线性阻尼力远小于由于油液粘性产生的线性阻尼力，从而使阻尼系数保持稳定，使阻尼力与速度大小成正比，从而获得线性阻尼器。

安装不同刚度的并联弹簧6与串联弹簧9，使得系统的放大率

小于1，获得减振效果。

其中，n表示串联弹簧9与并联弹簧6弹簧刚度之比；ξ表示阻尼比；γ表示频率比。

脉冲爆震发动机工作时，周期性、脉冲式、大峰峰值的推力传递到活塞杆4端部，使活塞10在阻尼油中运动，利用油液粘性阻塞油液流通，在活塞10两端产生压差，从而产生阻尼力，同时串、并联弹簧9、6产生形变，提供弹簧力。

二甲基硅油在流体剪切速率小于1000s^-1的情形下，可以视为是牛顿流体，适合用作设计线性阻尼器。本发明选取密度为950kg/m³，动力粘度5.67(n·s/m²)的二甲基硅油。

这样，脉冲推力通过推力转换器后，作用在飞行器上的推力峰峰值由734.26n减小到了16.3n，最大轴向位移仅4.1mm。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。