专利名称：金属/水/空气反应反馈式发动机及高速掠海航行且具有潜水功能的航行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属粉体燃料封装形式、使用固体燃料的喷气发动机、高速掠海航行且具有潜水功能的航行器。
背景技术：
依靠金属与水之间反应提供动力，具有高能、高速、巡航能力强等优点，采用金属/ 水反应产生大量热和气体作为动力系统的水下航行器，可以仅仅携带金属粉作为燃烧剂， 而氧化剂和冷却剂的水，可以自航行器外部海洋环境中获取，这样极大提高动力系统的能量储备量，为大功率远航程航行器提供了物质基础。为保证金属/水反应推进剂的能量特性，其配方中固体金属粉含量往往较高，相继带来点火困难，燃烧不充分，储存性能差等棘手问题，无法满足推进剂的基本性能要求，金属/水反应燃烧的最终产物为金属氧化物及氢气，被排到外界的氢气可视为能量的一种损失，以铝水反应为例，铝的质量能量密度比为 15. 15KJ/g体积能量密度比为41. 2KJ/cm3’，如果把铝水反应生成物中的氢充分利用，让其在发动机补燃室中与吸入的空气中的氧气充分反应，那么航行器所携带的燃烧剂铝的质量能量密度比为30. 54KJ/g，体积能量密度比为82，47KJ/cm3。过去五十年，涡喷、涡扇发动机取得了巨大发展，压气机的总增压比已达到40以上；冲压喷气发动机技术不断进展，冲压进气道设计不断完善；航空及航天发动机燃烧室设计及制造已有成功的经验可以借鉴；近年来重点发展的水下武器系统促进了空化技术的进一步发展，空泡水洞实验对拖曳式收水器设计及制造提供了有利工具，以上诸方面使金属/水/空气反应反馈式发动机及具有潜水功能的高速航行器制造成为可能。
发明内容
本发明的目的是提出对金属粉体采用铝膜在真空条件下进行标准化封装，使其成为标准化基本单元、由基本单元组成标准化药柱、再对药柱进行联状标准化封装，这样便于金属粉体的储存，运输及使用；提出金属粉体向燃烧室进料的一种方式；提出一种金属/ 水/空气反应反馈式发动机；提出一种靠金属/水/空气反应反馈式发动机驱动的具有潜水功能的闻速航行器。本发明的技术内容为用铝膜对金属粉体进行真空封装使其成为标准化金属粉体基本单元，对铝膜封装接口部位进行熔焊，使金属粉体与外界氧化剂隔离，由金属粉体基本单元粘接成标准化药柱，再对药柱进行联状标准化封装，联状封装所用的高分子膜具有抗盐雾及耐海水侵蚀作用，解决以往金属粉体的储存、运输及使用等存在的诸多问题；联状药柱便于实现金属粉体向发动机燃烧室装填自动化，本发明提出利用顶杆向燃烧室送料的一种进料方式，通过顶杆轴向送入燃烧室的金属粉体药柱在高速旋转的涡轮作用下破溃，高速旋转的涡轮对金属颗粒及包装铝膜起到剪切作用，并促使金属颗粒之间相互刮擦，破坏金属颗粒表面的氧化膜，使金属颗粒与喷入的燃烧室的水发生反应产生热量，生成金属氧化物及氢；燃烧室生成的金属氧化物、氢及未完全燃烧的金属颗粒运行至补燃室，在补燃室中与进气道进入的空气中的氧发生反应生成高温的水及金属氧化物，补燃室生成的终产物的一部分通过喷管排除体外为推动航行器做功，另一部分则通过发动机的反馈通道靠高速旋转涡轮产生的负压吸入燃烧室，吸入燃烧室的金属氧化物颗粒与刚送入燃烧室的金属颗粒进行碰撞、刮擦及高速剪切，提高金属粒子温度破坏金属颗粒表面的氧化膜，一部分金属颗粒与反馈吸入的高温水蒸气发生反应释放一部分热能，为余下的金属/水反应创造必要的条件，完成该发动机反馈过程，解决以往固体燃料固体金属粉含量高带来的燃烧不充分等问题；装配该发动机的航行器仅仅携带金属粉作为燃烧剂，而氧化剂及冷却剂的水自航行器外部的海洋中获取，氧化剂中的氧气借助压气机或以冲压方式从周围环境大气中获取，这样做的目的是使航行器获得更大的能量储备量，所述航行器的机翼及水平尾翼按航行器飞行需要设计，航行器的垂直安定面及方向舵位于航行器的后下方，为水上、水面及水下共用，该航行器中的临时储水箱有两方面作用，一方面为燃烧室提供必要的氧化剂及冷却剂水，另一方面控制航行器的质量/体积比，为航行器能够潜到水下或浮出水面提供必要条件。
四
图I为金属粉体单元铝膜封装的基本结构图。图2为金属粉体单元粘接成药柱的基本结构图。图3为由金属粉体药柱通过有机高分子膜组成的药柱联示意图。图4为燃烧室送料机构及燃烧室进料过程示意图。图5为具有独立反馈通道的金属/水/空气反应反馈式发动机示意图。图6为反馈通道位于燃烧室及补燃室结合部的金属/水/空气反应反馈式发动机示意图。图7为装配金属/水/空气反应反馈式发动机的航行器示意图。图8为装配金属/水/空气反应反馈式发动机的航行器几种航行状态示意图。
五具体实施例方式下面结合附图进一步说明图I示金属粉体单元基本结构图，其中1_为金属粉体，2-为粉体外包装铝膜， 3-铝膜接口焊接部位，其中金属粉体在真空状态下封装，封装焊接后隔绝了外界氧化剂与金属颗粒的接触，延缓金属颗粒的氧化进程。包装用的铝膜在发动机高速旋转的涡轮作用下破溃，破溃的铝膜解体变成小的单元，在燃烧室内高温条件下参与燃烧，为金属粉体标准化封装及药柱联标准化生产奠定基础；对封装的金属粉体进行分类，有助于航行器在不同的工作状态合理利用不同种类的金属粉体，例如把含锂、钙、镁含量高的粉体用于发动机的预热及启动，解决发动机点火难的问题，把铝、硼含量高的粉体用于高速巡航等。图2示由金属粉体单元组成标准化药柱的基本结构图，其中1_为组成药柱的基本单元，2-为基本单元之间粘接部；药柱其中的基本单元可以是同一类型也可以是不同类型，例如同一药柱可以全部由铝粉体单元构成，也可根据航行器巡航需要，一部分单元中的粉体为铝粉，另一部分单元中的粉体是锂、硼、镁或表面改性的金属粉体。
图3为由金属粉体药柱通过有机高分子膜封装成的标准药柱联示意图，其中 I-为药柱外包装顶部凹痕，2-药柱外包装底部凹痕，3-为药柱之间的联接部位，4-药柱， 5-为药柱与外包装之间的气体或液体填充剂，6-为防盐雾及耐海水侵蚀的有机高分子膜； 药柱顶底部的外包装凹痕，是药柱包装联上强度的薄弱环节，设置这个环节的目的是便于填料顶杆顺利插入药柱联及药柱能被填料顶杆顺利从药柱联中顶出；药柱与外包装之间的气体或液体填充剂用来减少顶杆在药柱联中前进或后退时的摩擦阻力。图4为燃烧室送料机构及燃烧室进料过程示意图，其中1_为燃烧室燃料装填顶杆，2-为填料室燃料装填顶杆，3-金属粉体药柱联，4-往复式或旋转式送料器，5-燃烧室与填料室之间的隔离阀，6-燃烧室，7-执行冷却工作的喷嘴，8-停止冷却工作的喷嘴，9-填料室；现将金属粉体药柱向燃烧室装填的整个过程叙述如下第一步；顶杆I以V1的速度驱动填料室粉体药柱向燃烧室方向运行、同时顶杆2以V2的速度驱动药柱联中的药柱向填料室运行，燃烧室与填料室之间的隔离阀5以V3的速度打开，执行冷却的喷嘴停止工作，顶杆 I将填料室中的药柱推进燃烧室，顶杆2将药柱联中的药柱推进填料室。第二步；顶杆I以 V5的速度退出填料室，顶杆2以V6的速度退出药柱联，隔离阀5以V4的速度关闭，执行冷却工作的喷嘴开始工作；第三步，药柱联3 WV7的速度运行把下一个药柱送至填料室部位，送料器4以V8的速度把填料室中的药柱送至燃烧室装填部位，完成金属粉体药柱向燃烧室装填的一次循环。该机构使用往复式或旋转式送料器的目的是使燃烧室与燃料箱之间实行有效隔离。图5为具有独立反馈通道的金属/水/空气反应反馈式发动机示意图，其中1_为高速旋转的涡轮，2-喷嘴，3-水，4-为向燃烧室填加的金属粉体燃料，5金属粉体燃料注入通道，6-进气道或进水道流量调节器，7-进气道或进水道，8-主燃室，9-为主燃室的燃烧产物，10-通过进气道或进水道进入的空气或水，11-补燃室，12-补燃室的燃烧产物，13尾喷管排出的燃烧产物，14-尾喷管，15-向发动机主燃室回馈的燃烧终产物，16-反馈通道， 17-负压区。结合此图阐述该发动机水上工作过程经管道5注入的金属粉体4在高速旋转涡轮I作用下，金属粉体颗粒之间、粉体与涡轮之间互相刮擦、剪切，破坏金属粉体颗粒表面的氧化膜，金属颗粒与喷嘴2喷入的水发生反应生成氢及金属氧化物，主燃室的燃烧产物9中的氢及未完全燃烧的金属颗粒与进气道引入的压缩空气10在补燃室11中发生反应，补燃室的燃烧终产物12中的水及金属氧化物的大部分13通过喷管14排出对发动机作功，补燃室燃烧终产物小部分15通过反馈通道16在负压17的作用下与刚注入主燃室中的金属粉体混合，经反馈通道回送的金属氧化物颗粒与刚刚送入燃烧室的金属粉体颗粒碰撞、高速剪切及能量交换，破坏金属粒子表面的氧化膜，提高金属粒子温度，部分金属粉体颗粒在反馈吸入的高温水蒸气中燃烧，释放一部分热能，为余下的金属粉体在水中继续燃烧创造必要条件。图6为反馈通道介与燃烧室及补燃室结合部的金属/水/空气反应反馈式发动机示意图，其中1-17与图5中1-17功用相同，18-冷却气道或冷却水道。结合此图阐述该发动机水下工作过程经管道5注入的金属粉体4在高速旋转涡轮I作用下，金属粉体颗粒之间、粉体与涡轮之间互相刮擦、剪切，破坏金属粉体颗粒表面的氧化膜，部分金属颗粒与喷嘴2喷入的水发生反应生成氢及金属氧化物，主燃室的燃烧产物9中未完全燃烧的金属颗粒在进水道7引入的水在补燃室中燃烧生成氢及金属氧化物，燃烧产生的能量使进水道7引进的部分水汽化生成高温水蒸气，补燃室产生的终产物12的大部分13经喷管14排出对发动机做功，终产物的一部分15通过反馈通道在负压17的作用下与刚注入的金属粉体混合，其中的金属氧化物颗粒与刚注入的金属粉体颗粒进行刮擦、剪切及能量交换破坏金属粒子表面的氧化膜，提高金属粒子温度，一部分金属颗粒在反馈吸入的高温水蒸气中燃烧， 释放一部分热能，为余下金属粉体继续燃烧烧创造良好条件。图7示装备金属/水/空气反应反馈式发动机的航行器示意图，其中1_为金属/ 水/空气反应反馈式发动机，2-发动机补燃室进气道或进水道，3-航行器升降舵；4_航行器方向舵；5-水管；6_拖曳式取水器；7_高压气体储箱，8-金属粉体燃料储箱，9-临时储水箱；10-气泵；11_气管；12_阻尼器。与以往航行器不同的是该航行器的方向舵位于航行器的后下方，为航行器水上、水面及水下航行共用；该航行器的临时储水箱9将依据航行器航行状态选择适当的储水量；航行器的高压储气室7依据储水箱9的储水量大小通过泵10 对储水箱内气室压力进行及时调节；航行器处于低空掠海状态、水面滑行状态或潜水状态时拖曳式取水器6能够为为航行器取水；阻尼器12用于增强航行器航行时的机动性及灵活性。图8示装备金属/水/空气反应反馈式发动机的航行器几种航行状态示意图，其中0-悬浮在水下的航行器临时储水箱储水状态，对应航行器的航速为Vtl = O ;1_浮到水面开始启动的航行器的临时储水箱储水状态，对应航行器的航速为V1 ；2-上升过程的航行器临时储水箱储水状态，对应航行器的航速为V2 ；3-巡航状态航行器临时储水箱储水状态，对应航行器的航速为V3 ;4_处于下降状态航行器临时储水箱储水状态,对应航行器的航速为 V4 ;5_处于掠海航行状态的航行器临时储水箱储水状态，对应航行器的航速为V5 ；6-吸有适量水再次上升的航行器临时储水箱储水状态，对应航行器的航速为V6 ;7_再次进入巡航状态的航行器临时储水箱的储水状态，对应航行器的航速为V7 ；8-再次进入下降状态的航行器临时储水箱储水状态，对应航行器的航速为V8 ；9-降至水面吸水状态的航行器临时储水箱储水状态，对应航行器的航速为V9 ；ιο-处在水下航行的航行器临时储水箱的储水状态, 对应航行器的航速为vi(l。上述5中处于掠海状态的航行器，其临时储水箱只需携带少量的水，发动机工作所需大部分水直接靠拖曳式取水器从海面获取，所需氧气直接从大气中获取，航行器在航行过程中仅仅携带金属粉体燃料；以所携带的金属粉体燃料铝粉为例，那么所携带燃料的质量能量密度比接近30. 54KJ/g，体积能量密度比接近82. 47KJ/cm3,相对提高了该航行器的能量储备量，该航行器处于掠海状态时，机体的绝大部分暴露在大气中，仅小部分水管及拖曳式取水器以空泡或超空泡形式在水面下运行，这样大大减小航行器的航行阻力，为该航行器高航速、远航程提供了充分条件。
权利要求
1.为实现使用固体燃料的航行器高速、可靠航行，对所使用的金属粉体燃料进行标准化封装，使用具有顶杆及隔离阀门的燃烧室送料机构，采用金属/水/空气反应反馈式发动机及航行器因航行需要所具有的后下方方向舵、临时储水箱、拖曳式取水器等设备。
2.根据权力要求I所述的方法及结构其特征在于对金属粉体采用铝膜在真空条件下封装成标准化单体，由单体组成标准化药柱，再由标准化药柱封装成标准化药柱联。
3.根据权力要求I所述的方法及结构其特征在于燃烧室送料机构由燃烧室进料顶杆、填料室装填顶杆、旋转或往复式填料器、燃烧室与填料室之间隔离阀门等组成；该系统各部分协调运作完成向燃烧室进料的周期性循环。
4.根据权力要求I所述的方法及结构其特征在于金属/水/空气反应反馈式发动机由高速旋转的涡轮、主燃室、补燃室、反馈通道等组成；轴向送入燃烧室的金属粉体燃料在高速旋转的涡轮作用下，破坏金属颗粒表面的氧化膜并与注入的水反应生成氢及金属氧化物，排到补燃室的氢及未燃烧的金属颗粒在补燃室吸入的空气中燃烧生成水及金属氧化物，补燃室燃烧的高温产物大部分排出体外做功、小部通过反馈通道回馈到主燃室参与主燃室燃烧过程。
5.根据权力要求I所述的方法及结构其特征在于装配金属/水/空气反应反馈式发动机的航行器由临时储水箱、燃料储箱、高压气体储箱、机体后下方方向舵、水管、拖曳式取水器、阻尼板、进气道或进水道等组成；航行器航行时仅仅携带金属粉体燃料，发动机所需的氧化剂及冷却剂的水从海洋环境中获取，发动机所需的氧从周围环境大气中获取；该航行器可航行于水上、水面及水下。
全文摘要
金属/水/空气反应反馈式发动机及高速掠海航行且具有潜水功能的航行器，使用固体燃料的航行器为获得更高的航速，通常部分或全部使用质量能量密度比及体积能量密度比高的金属粉体燃料；把金属粉体封装成标准化药柱联，便于金属粉体燃料的储藏、运输及使用。采用具有顶杆及隔离阀门结构的送料器为金属/水/空气反应反馈式发动机燃烧室填加金属粉体燃料，轴向送入燃烧室的金属粉体燃料在高速旋转的涡轮作用下与水发生反应，生成氢及金属氧化物，生成的氢在补燃室与吸入空气中的氧发生反应生成水，发动机的燃烧终产物的小部分通过反馈通道回馈到主燃室参与主燃室的燃烧过程。装配上述发动机的航行器其方向舵位于机体后下方，该航行器拥有吸水管、拖曳式吸水器等设备，可完成水上、水面及水下航行。
文档编号F02C7/22GK102606342SQ20111002194
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者徐清华 申请人:徐清华