一种航空、航天、航海于一体的混合发动机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发动机，更具体地说涉及一种冲压发动机与燃料系统发动机混合的发动机。
【背景技术】
[0002]航天飞机被认为是一种可从普通机场起飞，轻松进入轨道的飞行器，此前美国曾研发过空天飞机，由于技术原因空天飞机一直无法问世，其最大的难点在于动力系统。空天飞机需要穿越大气层进入轨道，因此需要吸气式发动机和火箭发动机，混合动力是空天飞机迟迟未能出现的技术瓶颈。
[0003]美国空军研宄实验室目前正在研制可用于空天飞机的吸气式火箭发动机，并且可能与英国的公司进行合作，为未来的空天飞机提供动力。英国公司目前也正在研制空天飞机及其发动机，其装备的发动机为SABRE吸气式火箭发动机，可像普通飞机那样从机场起飞，然后通过组合动力加速至高超音速，最终达到入轨的速度，进入轨道执行各种任务。
[0004]SABRE吸气式火箭发动机的特点是体积小、推力大，可在短时间内加速到高超音速，属于超燃冲压发动机，支持超音速燃烧而不会熄火，因此这样的发动机比传统发动机有着更强大的技术优势，空天飞机使用这样的动力系统后，在大气层内可以通过吸气支持燃烧，而不使用消耗大量推进剂的火箭发动机。
[0005]除了美国外，欧洲也有自己的空天飞机项目，比如欧洲空间局的Skylon空天飞机原型机，其装备有两台SABRE吸气式火箭发动机，具备高超音速的飞行能力，可轻松将速度提升到五倍音速以上。当Skylon空天飞机将进入100公里以上的外太空时，就会启动火箭发动机，这时候飞行器的速度进一步提升，满足进入轨道的要求。
[0006]冲压发动机本身没有活动的部分，气流从前端进气口进入发动机之后，利用涵道截面积的变化，让高速气流降低，并且提高气体压力。压缩过后的气体进入燃烧室，与燃料混合之后燃烧。由于冲压发动机维持运作的一个重要条件就是高速气流源源不绝的从前方进入，因此发动机无法在低速或者是静止下继续运作，只能在一定的速度以上才可以产生推力。为了让冲压发动机加速到适合的工作速度，必须有其他的辅助动力系统自静止或者是低速下提高飞行速度，然后才点燃冲压发动机。
[0007]由于没有活动组件，冲压发动机与一般喷气发动机比较起来，重量较低，结构也比较简单，不过冲压发动机在低速时的气体压缩效果有限，因此低速时效率比较差。
[0008]冲压喷气发动机是一种利用迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压的一种空气喷气发动机。它通常由进气道(又称扩压器)、燃烧室、推进喷管三部组成。冲压发动机没有压气机(也就不需要燃气涡轮)，所以又称为不带压气机的空气喷气发动机。这种发动机压缩空气的方法，是靠飞行器高速飞行时的相对气流进入发动机进气道中减速，将动能转变成压力能(例如进气速度为3倍音速时，理论上可使空气压力提高37倍)。冲压发动机的工作时，高速气流迎面向发动机吹来，在进气道内扩张减速，气压和温度升高后进入燃烧室与燃油(一般为煤油)混合燃烧，将温度提高到2000 — 2200°C甚至更高，高温燃气随后经推进喷管膨胀加速，由喷口高速排出而产生推力。冲压发动机的推力与进气速度有关，如进气速度为3倍音速时，在地面产生的静推力可以超过200千牛。
[0009]冲压发动机的构造简单、重量轻、推重比大、成本低。但因没有压气机，不能在静止的条件下起动，所以不宜作为普通飞机的动力装置，而常与别的发动机配合使用，成为组合式动力装置。如冲压发动机与火箭发动机组合，冲压发动机与涡喷发动机或涡扇发动机组合等。安装组合式动力装置的飞行器，在起飞时开动火箭发动机、涡喷或涡扇发动机，待飞行速度足够使冲压发动机正常工作的时，再使用冲压发动机而关闭与之配合工作的发动机；在着陆阶段，当飞行器的飞行速度降低至冲压发动机不能正常工作时，又重新起动与之配合的发动机。如果冲压发动机作为飞行器的动力装置单独使用时，则这种飞行器必须由其他飞行器携带至空中并具有一定速度时，才能将冲压发动机起动后投放。
[0010]涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。涡轮喷气发动机仍属于热机的一种，就必须遵循热机的做功原则:在高压下输入能量，低压下释放能量。因此，从产生输出能量的原理上讲，喷气式发动机和活塞式发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气这四个阶段，不同的是，在活塞式发动机中这4个阶段是分时依次进行的，但在喷气发动机中则是连续进行的，气体依次流经喷气发动机的各个部分，就对应着活塞式发动机的四个工作位置。
[0011]空气首先进入的是发动机的进气道，当飞机飞行时，可以看作气流以飞行速度流向发动机，由于飞机飞行的速度是变化的，而压气机适应的来流速度是有一定的范围的，因而进气道的功能就是通过可调管道，将来流调整为合适的速度。在超音速飞行时，在进气道前和进气道内气流速度减至亚音速，此时气流的滞止可使压力升高十几倍甚至几十倍，大大超过压气机中的压力提高倍数，因而产生了单靠速度冲压，不需压气机的冲压喷气发动机。
[0012]进气道后的压气机是专门用来提高气流的压力的，空气流过压气机时，压气机工作叶片对气流做功，使气流的压力，温度升高。在亚音速时，压气机是气流增压的主要部件。
[0013]从燃烧室流出的高温高压燃气，流过同压气机装在同一条轴上的涡轮。燃气的部分内能在涡轮中膨胀转化为机械能，带动压气机旋转，在涡轮喷气发动机中，平衡状态下气流在涡轮中膨胀所做的功等于压气机压缩空气所消耗的功以及传动附件克服摩擦所需的功。经过燃烧后，涡轮前的燃气能量大大增加，因而在涡轮中的膨胀比远大于压气机中的压缩比，涡轮出口处的压力和温度都比压气机进口高很多，发动机的推力就是这一部分燃气的能量而来的。
[0014]从涡轮中流出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速沿发动机轴向从喷口向后排出。这一速度比气流进入发动机的速度大得多，使发动机获得了反作用的推力。
[0015]一般来讲，当气流从燃烧室出来时的温度越高，输入的能量就越大，发动机的推力也就越大。但是，由于涡轮材料等的限制，只能达到1650K左右，现代战斗机有时需要短时间增加推力，就在涡轮后再加上一个加力燃烧室喷入燃油，让未充分燃烧的燃气与喷入的燃油混合再次燃烧，由于加力燃烧室内无旋转部件，温度可达2000K，可使发动机的推力增加至1.5倍左右。其缺点就是油耗急剧加大，同时过高的温度也影响发动机的寿命，因此发动机开加力一般是有时限的，低空不过十几秒，多用于起飞或战斗时，在高空则可开较长的时间。
【发明内容】
[0016]针对冲压喷气发动机需要提供一定速度才能运行，燃料发动机运行效率低、能量损耗等问题，本发明提供一种混合发动机，在开始运行时，启动燃料系统发动机，当运行达到一定速度后，启动冲压发动机，同时设计能量利用装置，将水转化为水蒸气，充分利用热量，同时能够增大发动机的推力。
[0017]本发明提供的第一种实施方案:
[0018]一种混合发动机，依次设有进气部分、冲压部分、燃烧部分、增压部分、喷气部分、水-蒸汽转化部分，其特征在于:进气部分包括空气入口、空气静压室和空气出口，冲压部分包括冲压喷管、冲压喷管控制阀、冲压空气喷口，燃烧部分包括燃料储存箱、燃料喷嘴、助燃剂储存箱、助燃剂喷嘴、燃烧室，增压部分包括增压室，喷气部分包括尾喷口，水-蒸汽转化部分包括水储存箱、蒸汽生产室、蒸汽喷嘴、蒸汽出口；空气出口连接冲压喷管，冲压空气喷口与燃烧室连接或连通，燃烧室内部侧壁(或内部侧壁的四周)上设有燃料喷嘴和助燃剂喷嘴，燃烧室的出口端通向增压室，增压室的出口端和尾喷口邻接或连通(即增压室的出口与尾喷口相通)，蒸汽生产室围绕冲压部分、燃烧部分、增压部分的外周设置，蒸汽喷嘴设置在增压室的前端侧壁上，水储存箱设置在蒸汽生产室的外围。
[0019]作为优选，冲压喷管的数量为1-200根，优选2-100根，更优选10_60根，例如15，20，30 根。
[0020]作为优选，每一根冲压喷管上设有冲压喷管控制阀203。
[0021]作为优选，燃料储存箱的数量为1-10个，优选1-8个，更优选2-5个。
[0022]作为优选，燃料喷嘴的数量为1-200个，优选2-100个，进一步优选3_80个，更优选4-60个。
[0023]作为优选，助燃剂储存箱的数量为1-10个，优选1-8个，更优选2-5个。
[0024]作为优选，助燃剂喷嘴的数量为1-200个，优选2-100个，进一步优选3_80个，更优选 4-60 个，如 8，12，15，18，20，25，30 个。
[0025]作为优选，蒸汽喷嘴的数量为1-200个，优选2-100个，进一步优选3_80个，更优选 4-60 个，如 8，12，15，18，20，25，30 个。
[0026]作为优选，水储存箱的数量为1-10个，优选1-8个，更优选2-5个。
[0027]作为优选，蒸汽生产室对冲压部分2、燃烧部分3和增压部分4的外壁面积总和的覆盖率为 30% -100%，优选 50% -99.9%，更有选 60% -99%，如 80%。
[0028]作为优选，水储存箱对蒸汽生产室602的外壁面积的覆盖率为30% _100%，