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[原创] 新概念火箭---动态火箭推进器

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liuzhiwei 发表于 2017-2-13 14:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
动态火箭推进器的构思于2012年底产生,2013年申请了发明专利,2016年获得专利授权(专利号:ZL 2013 1 0097993.4)。但是该技术还处于原理阶段,相关的实验研究在我的能力范围内能做的很少。估计20年内能有实用的火箭出现就不错了,所以申请专利实在是没必要,花钱不说还阻碍该技术的发展。所以,我将不再维持该专利,让它尽快为人们造福吧。下面给大家简要介绍该技术。
       如下图,火箭外壳由记忆材料制成。记忆材料事先记忆一个较小的口径,然后再扩大口径制成壳体。(火箭结构可以有多种变体,这里只以一种举例)

工作原理如下:
       火箭工作时,距离燃烧面近的外壳材料受热,但是受热时间短。此时记忆材料达到变形温度,快速收缩。距离燃烧面较远的壳体材料由于受热时间长,材料已经达到软化的温度,并且材料已经有烧蚀消耗,材料在管内气压作用下膨胀生成喷管扩张段。距离更远的壳体材料由于更长时间的烧蚀已经被完全烧蚀掉。
       喷管结构是动态生成的。当燃烧面向上推进,新进入燃烧区的壳体材料受热收缩。距离燃烧面较远处原先收缩的材料过热软化膨胀,更远处原先膨胀的材料由于受到了更长时间的烧蚀已经烧蚀脱落或蒸发。蒸发物成为推进工质喷出。

优点如下:

1)火箭几乎不携带多余重量。
       火箭稳定飞行时其外壳的烧蚀消耗速度等于燃烧面的推进速度,外壳与燃料同步消耗。另外,火箭不是多级的没有多级发动机的重量。

2)能转化更多燃气热能。
       喷口由于受到长时间烧蚀已经软化(多数金属材料在接近熔点时均能软化),软化的喷口受到内部气压和外部气压共同作用,开口大小根据外界气压自适应,因此能转化更多热能。另外,外壳材料吸收尾气热量蒸发成为推进工质从喷口喷出。如果外壳本身是燃料,也可提供更多能量。

3)使火箭结构简单、成本低、安全。
       由于动态生成喷管,火箭无需做成多级。火箭结构简化很多,成本自然降低。越简单,故障可能性也越小。

4)对外壳的耐热性要求低。
       火箭燃料从端面开始燃烧,没燃烧到的燃料其外壳基本不受热。燃烧面快速向上推进,进入燃烧区域的壳体材料只短时间受热并且只需要保持较短时间的高强度。例如,火箭药柱长30米,燃烧面到喷管喉部距离0.5米。如果火箭需要工作300秒。那么燃烧面推进速度为0.1米/秒。每秒有0.1米长的新鲜外壳材料成为生成喷管的材料。外壳材料只需要在高温下维持5秒钟的高强度(由于要维持喉部尺寸,燃烧面到喉部处的外壳需要有较高强度)。5秒过后材料进入喷管扩张段,材料适当软化膨胀对生成该段是有利的。

缺点及解决方法如下:

1)重力使柔软喷管不对称。
      解决方法:让火箭饶轴自转。

2)无法使用向量系统控制方向。
       解决方法:在火箭前端装控制姿态及方向的小喷射器或者翼或者陀螺仪。

实验:
       实验采用塑料热缩管来制作火箭外壳。将实验箭体堵死的一端固定在横梁上,未堵死的一端垂直向下。点火并拍摄视频。

实验视频:http://v.qq.com/boke/page/a/9/f/a0406u09r9f.html

更多想法:

上面介绍的只是一种做法,动态火箭可以有很多种变体。最重要的是一种动态的思想----让材料具有“智能”,以及充分利用材料的各种性能。例如,将火箭的外壳也看作是燃料、也看作是喷管。或者将火箭燃料也看作是喷管、也看作是外壳。更多动态的思想参见我的专利文档。下面给大家介绍两个有意思的变体。

变体1:

       如上图,火箭内有膨胀材料构成的通道。膨胀材料可以是一种受热会发泡膨胀的材料或者本身是一种发泡燃料。
       当燃料燃烧时,距离燃烧面近的膨胀材料膨胀形成喷管收缩段。距离较远的膨胀材料由于被烧时间长形成喷管扩张段。原理与上面的基本案例相同,这种变体貌似更加容易实用化。

变体2:
(不配图了,只是一个想法,可能不太靠谱,各位读者自己想象吧。)
       在变体1的基础上干脆把发泡材料看作是发泡燃料,发泡燃料颗粒掺合在普通燃料内。普通燃料燃烧生成气体,发泡燃料燃烧首先颗粒迅速膨胀,然后烧成气体。
       燃烧面处两种燃料同时燃烧。发泡燃料随同普通燃料生成的气体向喷口运动,在运动过程中膨胀,由于体积变大,颗粒之间互相的阻碍变大,颗粒速度较气体慢,颗粒之间通道变窄形成喷管喉部。之后由于发泡燃料变成气体,喷管扩张段形成。

       变体似乎可以无限多,您估计也能想出几种。希望大家能提出自己的想法,有兴趣的人可以自己去做实验。

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喵科动物 发表于 2017-2-13 14:49 | 显示全部楼层
已经有了,无喷管助推器,药柱本身的末端作为扩张段,性能不高,用于冲压弹的助推(省得抛壳麻烦)。
不需要受热收缩形成喉道的材料,等直径药柱内孔的加质流动可以在末端形成热力喉道。
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