CN102052197B - 一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，包括高压正极铜棒、正极接线螺母、正极绝缘垫片、密封锁紧螺母、密封挤压环、密封垫、壳体、密封圈、氧化剂涡流器、正极绝缘套、放电环缝调整垫块、氧化剂喷嘴出口端盖和燃料离心喷嘴。所述的小推力发动机头部喷注器实现小推力发动机头部喷注器尺寸小型化，并由于其自身喷嘴环缝放电面积大且间距可调整，可有效的避免火花塞单点放电因污染产生的故障。
Description
技术领域
本发明属于液体火箭发动机推进技术领域，具体涉及一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力液体火箭发动机头部喷注器。
背景技术
小推力液体火箭发动机是重要的航天器辅助动力系统，主要用于航天器变轨控制、轨道转移、轨道保持、交汇对接和姿态控制等，通常满足多次启动和脉冲工作的要求。其中，双组元小发动机由分开储存的氧化剂和燃料作为推进剂，应用最为广泛。
采用自燃推进剂的双组元发动机不需要额外的点火装置，发动机启动迅速点火可靠、结构简单、可多次启动，但其缺点在于自燃燃料具有毒性，且易燃、易爆、不易贮存。采用非自燃推进剂的双组元发动机需要提供初始的点火热源使其点火燃烧，随后依靠自身燃烧释放的能量维持燃烧过程，因此需要额外的点火装置。常用的点火装置有自燃液体点火器、固体火药点火器和火花塞点火器等。自燃液体点火器和固体火药点火器的优点在于点火可靠、结构简单，缺点在于不能多次启动。火花塞点火装置有两种实现方式：对于大推力发动机，由预点火室、喷嘴和火花塞组成火炬式点火器，火花塞点燃进入预点火室的推进剂，形成的火炬进入燃烧室，再点燃进入燃烧室的推进剂；对于小推力发动机，由于推进剂流量小，经常直接使用火花塞点燃燃烧室的推进剂。火花塞点火器能实现多次点火，得到了广泛的运用，如参考文献《氢氧火箭发动机》中记载了美国航天飞机主发动机采用的火花塞点火室的喷注器、燃烧室及电火花塞结构等见；使用氢/氧、烃/氧作为推进剂的小推力发动机大多采用具有火花塞点火室的喷注器结构形式与点火方案。但是，火花塞点火器同样存在一定的缺点。首先，发动机头部喷注器需预留火花塞和点火系统的安装空间，从而带来结构尺寸和重量的增加，如参考文献(Rollbuhler R.J.《Experiment performance of a waterelectrolysis rocket》，编号NASA TM X-1737，1968.)中记载了航天飞机主发动机为了保证点火可靠性，通常每个点火室头部需要采用两个火花放电点火器作为安全备用，使发动机结构和重量增加。其次电火花塞是通过正极和负极的两个尖端点之间释放电火花，放电面积小，可能会因燃烧产物的覆盖、沉积而被污染，导致放电点火故障等。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，本发明合理利用小推力发动机头部结构而不使用火花塞，可实现重复多次起动。本发明提供的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，实现了小推力发动机头部喷注器尺寸的小型化，并由于其自身喷嘴环缝放电面积大且间距可调整，可有效的避免火花塞单点放电因污染产生的故障。
本发明提供的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，包括高压正极铜棒、正极接线螺母、正极绝缘垫片、密封锁紧螺母、密封挤压环、密封垫、壳体、密封圈、氧化剂涡流器、正极绝缘套、放电环缝调整垫块、氧化剂喷嘴出口端盖和燃料离心喷嘴。
所述的高压正极铜棒的底部连接有燃料离心喷嘴，高压正极铜棒的顶端依次连接有正极接线螺母和正极绝缘垫片。高压正极铜棒从正极绝缘垫片向下的外表面套连着正极绝缘套10，且所述的正极绝缘套位于壳体的内部，在正极绝缘套与壳体之间从上至下依次配合套接着的密封锁紧螺母、密封挤压环、密封垫、密封圈、氧化剂涡流器和放电环缝调整垫块。所述的正极接线螺母连接高压正极，所述的壳体连接高压负极。
所述的氧化剂喷嘴出口端盖连接于壳体底部，所述的氧化剂涡流器、壳体和放电环缝调整垫块形成了氧化剂流通通道，所述的氧化剂喷嘴出口端盖与离心喷嘴之间环缝间隙形成负极氧化剂喷嘴。
处于密封垫和密封圈之间的壳体的一侧具有通孔A，该通孔A与燃料供应管路相连通，且正极绝缘套10的轴侧具有一个与通孔A15平行的通孔C17，由于密封垫和密封圈的密封作用，燃料液体顺次通过通孔A和通孔C流入，沿着高压正极铜棒与正极绝缘套之间的间隙流动后从燃料离心喷嘴喷出，优选以45°扩散半角喷出。
处于密封圈以下壳体的一侧具有通孔B，该通孔B与氧化剂供应管路相连通，使氧化剂通过通孔B充入到壳体内部，通过氧化剂涡流器产生离心旋转后，由负极氧化剂喷嘴以一定的角度喷出。为方便与推进剂输送管路连接，所述的通孔B与通孔A的通孔轴线夹角为180°。
小推力火箭发动机的氧化剂优选氧气，流量优选为40-100g/s；燃料液体优选为液体丙烷，流量优选为7.5g/s-15g/s。小推力火箭发动机设计推力一般为100-200N。所述的正极绝缘垫片和正极绝缘套材料为高温陶瓷；所述的密封垫和密封圈材料为硅橡胶；所述的高压正极铜棒材料为紫铜；所述的正极接线螺母、密封锁紧螺母、密封挤压环、壳体、氧化剂涡流器、放电环缝调整垫块、氧化剂喷嘴出口端盖、燃料离心喷嘴的材料为不锈钢。所述的燃料离心喷嘴通过电子束焊与高压正极铜棒连接，之后用耐高温胶与正极绝缘套相连接。所述的正极接线螺母与高压正极铜棒、氧化剂喷嘴出口端盖与壳体间通过螺纹套接，方便拆装。
本发明具有的优点在于：
(1)本发明提出的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，基于电火花点火原理，合理利用头部结构而不使用火花塞，可实现重复多次起动却不需要为火花塞预留安装空间，能减轻额外结构重量；
(2)本发明提出的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，由于喷嘴环缝放电面积大且间距可调整，可有效的避免火花塞单点放电因污染产生的故障；
(3)本发明提出的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，实现了小推力发动机头部喷注器尺寸小型化，从而减轻发动机结构质量；
(4)本发明提出的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，可以作为大推力发动机火炬式点火器装置点燃燃烧室内推进剂。
附图说明
图1：本发明提出的利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器的结构示意图；
图2：本发明提出的利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器的局部结构放大图。
图中：
1-高压正极铜棒； 2-正极接线螺母； 3正极绝缘垫片； 4-密封锁紧螺母；
5-密封挤压环； 6-密封垫； 7-壳体； 8-密封圈；
9-氧化剂涡流器； 10-正极绝缘套； 11-放电环缝调整垫块；
12-氧化剂喷嘴出口端盖； 13-燃料离心喷嘴； 14-环缝间隙；
15-通孔A； 16-通孔B； 17-通孔C。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明提出的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，如图1所示，包括高压正极铜棒1、正极接线螺母2、正极绝缘垫片3、密封锁紧螺母4、密封挤压环5、密封垫6、壳体7、密封圈8、氧化剂涡流器9、正极绝缘套10、放电环缝调整垫块11、氧化剂喷嘴出口端盖12、燃料离心喷嘴13。
如图1所示，所述的高压正极铜棒1底部连接有燃料离心喷嘴13，高压正极铜棒1的顶端依次连接有正极接线螺母2和正极绝缘垫片3。高压正极铜棒1从正极绝缘垫片3向下的外表面套连着正极绝缘套10，且所述的正极绝缘套10位于壳体7的内部。在正极绝缘套10与壳体7之间从上至下依次配合套连着的密封锁紧螺母4、密封挤压环5、密封垫6、密封圈8、氧化剂涡流器9和放电环缝调整垫块11。所述的正极接线螺母2连接高压正极电流，所述的壳体7连接高压负极。
所述的氧化剂喷嘴出口端盖12连接于壳体7的底部，氧化剂涡流器9、壳体7和放电环缝调整垫块11形成了氧化剂流通通道，且氧化剂喷嘴出口端盖12与离心喷嘴13之间环缝间隙14形成负极氧化剂喷嘴。
处于密封垫6和密封圈8之间的壳体7的一侧具有通孔A15，且正极绝缘套10的轴侧具有一个与通孔A15平行的通孔C17，所述通孔A15与燃料供应管路相连通，由于密封垫6和密封圈8的密封作用，燃料液体顺次通过通孔A15和通孔C17流入，沿着高压正极铜棒1与正极绝缘套10之间的间隙向下流动后从燃料离心喷嘴13喷出。处于密封圈8以下壳体7的一侧具有通孔B16，该通孔B16与氧化剂供应管路相连通，氧化剂通过通孔B16充入到壳体7内部，通过氧化剂涡流器9产生离心旋转后，由负极氧化剂喷嘴以一定的角度喷出。为方便与推进剂输送管路连接，所述的通孔B16与通孔A15的通孔轴线的夹角为180°。
小推力发动机的氧化剂优选氧气，流量优选为40-100g/s；燃料液体优选为液体丙烷，流量优选为7.5g/s-15g/s。小推力火箭发动机设计推力一般为100-200N。所述的正极绝缘垫片3和正极绝缘套10材料为高温陶瓷；所述的密封垫6和密封圈8材料为硅橡胶；所述的高压正极铜棒1材料为紫铜；所述的正极接线螺母2、密封锁紧螺母4、密封挤压环5、壳体7、氧化剂涡流器9、放电环缝调整垫块11、氧化剂喷嘴出口端盖12、燃料离心喷嘴13的材料为不锈钢。所述的燃料离心喷嘴13通过电子束焊与高压正极铜棒1连接，之后用耐高温胶与正极绝缘套10相连接。所述的正极接线螺母2与高压正极铜棒1通过螺纹套连、氧化剂喷嘴出口端盖12与壳体7间通过螺纹套接，方便拆装。
发动机点火的具体实现由电源、单极高压变送器、放电电极(即所述的头部喷注器)三部分组成。电源为27V直流电源。单极高压变送器中储能器将27V电流通过升压整流变换成直流脉冲电压，对贮能电容器充电；当电容器电压升至放电管击穿电压时，放电电流经放电管、扼流圈和屏蔽电缆以12KV高压流出至正极接线螺母2，流向发动机头部中心的高压正极铜棒1及与高压正极铜棒1连接的燃料离心喷嘴13。同时氧化剂喷嘴出口端盖12的底部作为放电电路的负极，通过壳体7连接至高压电源负极。通电后燃料离心喷嘴13与氧化剂喷嘴出口端盖12之间的环缝间形成了巨大的电压差，在燃料离心喷嘴13外环尖端持续放出电火花。此时点火能量约为50～100mJ/个，放电频率300～450火花数/秒(SPS)。因点火器的放电频率高，两次放电间几无明显间隔，产生的放电火花接近连续放电，此时，氧气与丙烷在燃料离心喷嘴13下游约5mm处碰撞、雾化和混合，在上游放电点火能量的激发下燃烧。氧化剂涡流器9的高度和位置不变，如图2所示，通过调整放电环缝调整垫块11的厚度d，并将放电环缝调整垫块11、正极绝缘套10、高压正极铜棒1和燃料离心喷嘴13的高度向下微移，进而可以调整燃料离心喷嘴13和氧化剂喷嘴出口端盖12之间的环缝间隙14距离H，H一般取1～5mm。
合理的环缝间隙距离选择有助于实现良好的放电效果，本发动机放电环缝调整垫块11的厚度优选为3mm，可使燃料离心喷嘴13和氧化剂喷嘴出口端盖12之间的环缝间隙距离为2.5mm。多次试验结果证明，利用喷嘴间隙放电点火的气氧/丙烷小发动机头部喷注器点火可靠，可多次重复点火，结构设计合理。同样的喷注器结构设计可以推广至其他推进剂组合，也可用于大推力发动机火炬式点火装置的设计。
Claims (8)
1.一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，其特征在于：包括高压正极铜棒、正极接线螺母、正极绝缘垫片、密封锁紧螺母、密封挤压环、密封垫、壳体、密封圈、氧化剂涡流器、正极绝缘套、放电环缝调整垫块、氧化剂喷嘴出口端盖和燃料离心喷嘴；
所述的高压正极铜棒的底部连接有燃料离心喷嘴，高压正极铜棒的顶端依次连接有正极接线螺母和正极绝缘垫片；高压正极铜棒从正极绝缘垫片向下的外表面套连着正极绝缘套，且所述的正极绝缘套位于壳体的内部，在正极绝缘套与壳体之间从上至下依次配合套连着的密封锁紧螺母、密封挤压环、密封垫、密封圈、氧化剂涡流器和放电环缝调整垫块；
所述的氧化剂喷嘴出口端盖连接于壳体底部，所述的氧化剂涡流器、壳体和放电环缝调整垫块形成了氧化剂流通通道，所述的氧化剂喷嘴出口端盖与燃料离心喷嘴之间的环缝间隙形成负极氧化剂喷嘴；
处于密封垫和密封圈之间的壳体的一侧具有通孔A，且正极绝缘套(10)的轴侧具有一个与通孔A平行的通孔C，该通孔A与燃料供应管路相连通，燃料液体顺次通过通孔A与通孔C流入，沿着高压正极铜棒与正极绝缘套之间的间隙流动后从燃料离心喷嘴喷出；
处于密封圈以下壳体的一侧具有通孔B，该通孔B与氧化剂供应管路相连通，使氧化剂通过通孔B充入到壳体内部，通过氧化剂涡流器产生离心旋转后，由负极氧化剂喷嘴喷出。
2.根据权利要求1所述的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，其特征在于：所述的通孔A与通孔B的通孔轴线夹角为180°。
3.根据权利要求1所述的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，其特征在于：所述的正极接线螺母连接高压正极，所述的壳体上连接高压负极。
4.根据权利要求1所述的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，其特征在于：所述的放电环缝调整垫块的厚度d=3mm；所述的环缝间隙距离H=2.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，其特征在于：所述的氧化剂供应管路中的氧化剂为氧气，流量为40-100g/s。
6.根据权利要求1所述的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，其特征在于：所述的燃料供应管路中的燃料液体为液体丙烷，流量为7.5g/s～15g/s。
7.根据权利要求1所述的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，其特征在于：所述的密封垫和密封圈材料为硅橡胶；所述的正极绝缘垫片和正极绝缘套材料为高温陶瓷；所述的高压正极铜棒材料为紫铜；所述的正极接线螺母、密封锁紧螺母、密封挤压环、壳体、氧化剂涡流器、放电环缝调整垫块、氧化剂喷嘴出口端盖、燃料离心喷嘴的材料 为不锈钢。
8.根据权利要求1所述的一种利用喷嘴间隙放电点火的小推力发动机头部喷注器，其特征在于：所述的小推力发动机的推力为100～200N。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130327 Termination date: 20131122 |