[发明专利]用于控制传导到膨胀循环式火箭发动机中喷嘴侧壁上的热量的装置

说明书

本发明的技术领域

本发明涉及一种用于提高膨胀循环式火箭发动机(expander cyclerocket engines)功率的装置，尤其是涉及一种用于增加传导到冷却剂的热量的装置，其中所述冷却剂位于膨胀循环式火箭发动机中带有冷却剂通道的喷嘴侧壁的内侧。

本发明的背景技术

例如，由US-3712546公知了需要对火箭发动机中喷嘴侧壁上的附面层(the boundary layer)进行控制。对附面层进行这种控制的目的是为了减小燃烧废气与喷嘴侧壁之间的摩擦力，以便提高火箭发动机喷嘴、尤其是真空喷嘴(vacuum nozzles)的膨胀率，从而提高该火箭发动机的功率。根据这篇文件用于提高火箭发动机功率的目的通过利用另外一种不同于根据本发明的装置的方式来得以实现。

US-5363645描述了一种用于在火箭发动机燃烧腔室的喉部中对燃烧废气进行发散冷却的装置。但是，这个发明的目的在于优化冷却剂的消耗量，而并非提高火箭发动机的功率。

通常，根据氧化剂流和燃料流在发动机中是如何进行组织搭配的，可以将火箭发动机分成不同的发动机循环。在火箭发动机的燃烧循环和气体发生循环中，燃烧会在该发动机中的两个地方进行，即在主燃烧腔室内和在辅助燃烧器内。从辅助燃烧器中产生的燃烧废气用于驱动燃料和氧化剂泵的涡轮。

但是，在膨胀循环式火箭发动机中，燃烧仅在主燃烧腔室中进行，而用于驱动燃料和氧化剂泵的涡轮由流经主燃烧腔室和喷嘴侧壁中的冷却剂通道的燃料(通常是液态氢)来进行驱动。因此，这也就意味着从储罐中供送出的燃料，通过泵使其压力增加，然后使燃料流经喷嘴和主燃烧腔室的侧壁中的冷却剂通道，然后流过燃料和氧化剂泵的涡轮，并且随后从泵中流出而流入到燃烧腔室中，在该燃烧腔室中，燃料与氧化剂一同燃烧。这也就意味着被加热和发生膨胀的燃料越多，由这些燃料产生、用于驱动所述涡轮的能量就越多，从而使得发动机的效率得以提高。

因此，可以通过对在冷却剂通道中被加热的燃料的量进行设定，来对能够达到的最大燃烧腔室压力进行设定。因而，由于尽可能高的燃烧腔室压力会使得火箭发动机达到最大功率，所以所希望获得尽可能高的燃烧腔室压力。

为了提高这种压力，并且从而提高膨胀循环式火箭发动机的功率，非常重要的一点，是要使得传导给燃料、用于升高燃料温度的热量达到最大化。即使燃料温度的微小提高也非常重要，这是因为发动机的功率会因此而得以提高。

用于增加传导到燃料中的热量的现有方式包括，比如利用具有半圆形或者圆形横剖面的导管来制造喷嘴侧壁，以增大喷嘴侧壁上面对火焰的面积。另外一种方式是利用具有高导热性的材料来制造喷嘴侧壁，比如利用铜。

现有技术中的缺点是，由半圆形或者圆形横剖面导管制成的喷嘴侧壁沿切线方向的强度较低，从而必须利用不同的方式来在其外侧面上进行补强。这就意味着喷嘴将更为笨重，并且会降低其有效负载能力。利用铜来制造喷嘴侧壁则具有这样的缺点，即难以对铜进行焊接，并且铜的拉伸强度低于诸如钢和镍基材料这样的材料的拉伸强度，这也意味着由铜制成的喷嘴将比由钢制成的相应喷嘴更为笨重。

本发明的概述

本发明的目的在于消除现有技术中的前述缺点。

根据本发明能够实现该目的，即为了扰乱喷嘴侧壁上的附面层从而增加热传导，该喷嘴侧壁上面对火焰的内侧面具有一个特别选定的增大的表面粗糙度，该表面粗糙度的大小使之能够穿透喷嘴侧壁上附面层的粘性底层(viscous sublayer)。

时附图的简述

下面将参照所附附图对本发明的一个非限制性实施例进行描述，其中所附附图是半个根据本发明并且附着有燃烧腔室的火箭发动机喷嘴的剖视图。

对优选实施方式的描述

正如从附图中所能够看到的那样，在喷嘴侧壁1的内侧面上示出了一个特别选定的增大的表面粗糙度。该表面粗糙度必须足够大，以致于其能够穿透附面层的粘性底层。

所述表面粗糙度能够全面影响导热性的下限可以根据下述公式进行确定：

y⁺＝(c_f×u²/2)^0.5×y/v

其中c_f是表面摩擦力，u是在附面层处的流速，v是粘滞度，而y是垂直于喷嘴侧壁的距离。

所述表面粗糙度必须至少为下限50y⁺，毫无疑问，在该数值范围内表面粗糙度将穿透附面层的粘性底层。