CN103775246A - 过氧化氢/液氢气体发生器和推力室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及过氧化氢／液氢气体发生器和推力室。针对液氧／液氢气体发生器和推力室存在推进剂组合密度很低的问题，通过采用新推进剂组合70％—98％过氧化氢／液氢、有同轴直流式气液喷注器的富燃料气液燃烧气体发生器、有单组元气气喷注器、喷注器隔板和两段双层夹套的供氧充足气气燃烧推力室、不完全分解高浓度过氧化氢和预先浸泡激活的银网催化床等技术方案，使推进剂组合密度增大一倍左右和密度比冲增加50％左右，并提高气体发生器和推力室的使用性和可靠性。用于构成一种新型的过氧化氢／液氢高压补燃发动机，主要适用于可重复使用航天飞行器发动机，也可用作芯级火箭发动机和上面级火箭发动机。

Description

过氧化氢/液氢气体发生器和推力室

技术领域

本发明涉及用在液体火箭发动机上的一种新推进剂组合的双组元气体发生器(预燃室)和推力室(燃烧室)。 

背景技术

七十年来，各种推进剂组合的气体发生器和推力室相继问世并用作各型号液体火箭发动机的核心组件。其中的液氧／液氢发动机比冲最高，用途最多，美国的航天飞机主发动机、中国的长征五号火箭和法国的阿里安5火箭的芯级发动机及美、俄、中、法、日等国的一些先进上面级火箭发动机都是这种发动机。但是，由于液氢的密度0.0708g／cm³特别低，造成液氧／液氢推进剂组合密度只有0.354g／cm³左右，很低的密度使得航天飞机和芯级火箭有体积庞大的缺点。美国航天飞机再入大气层的机毁人亡事故与此有关，这也是航天飞机退役的原因之一。体积小的新一代可重复使用航天飞行器急需更适用的发动机。 

还有一种比液氧／液氢推进剂组合出现更早的高浓度过氧化氢／煤油推进剂组合，开始是用80％—90％过氧化氢，后来一些年是用90％—98％过氧化氢。近两年本人还提出使用低浓度40％—70％和中等浓度70％—79％过氧化氢(专利申请CN102658066A等)。过氧化氢／煤油的主要优点是组合密度高和可储存使用方便，70％—98％过氧化氢的密度1.287—1.431g／cm³及与煤油的组合密度1.227—1.307g／cm³都很高。主要缺点是高纯度的高浓度过氧化氢的安全性不够高，发动机比冲不够高和实际应用较少，只能用于随浓度增加的分解温度增幅大和绝对值高达946℃的反应器(单组元气体发生器)，不能用于双组元气体发生器。 

本发明是充分发挥过氧化氢氧化剂和液氢燃料的优点，互相弥补彼此的缺点，将其组成一种新推进剂组合，就此提出相应的技术独特的双组元气体发生器和推力室。 

发明内容

针对液氧／液氢气体发生器和推力室存在的推进剂组合密度很低问题，充分考虑到过氧化氢的密度高和可储存使用方便的优点并采取一些技术方案减轻或避开过氧化氢／煤油反应器和推力室那样的缺点，本发明提出过氧化氢／液氢气体发生器和推力室。 

本发明的过氧化氢／液氢气体发生器和推力室使用浓度范围大的过氧化氢作为氧化剂。对于安全性高、使用性好、价格较便宜和完全分解温度322℃ -485℃的中等浓度70％—79％过氧化氢，主要使用利于完全分解的高纯度航天级产品。对于安全性不够高、价格较贵和完全分解温度515℃—946℃的高浓度80％—98％过氧化氢，为了确保稳定性和降低价格，主要使用游离酸、不挥发物、总碳、硝酸盐等杂质含量与中华人民共和国国家标准GB1616—2003规定相当的工业级产品，允许适量添加稳定剂。70％—98％过氧化氢的冰点-40℃—-2℃，沸点125℃—148℃，是使用方便的可储存氧化剂，并有好的冷却性能。 

本发明的过氧化氢／液氢气体发生器和推力室使用液氢作为燃料。这是一种沸点为-253℃的冷冻型燃料，虽然不可储存和使用不方便，但在液氧／液氢发动机上已经有五十多年的使用经验，且冷却性能好。 

本发明的过氧化氢／液氢气体发生器是对过氧化氢／液氢进行富燃料气液燃烧。过氧化氢中的一小部分进入气体发生器头部，经催化床的多层数银网完全分解70％—79％过氧化氢或者是少层数银网不完全分解80％—98％过氧化氢，生成温度322℃—600℃的由水蒸汽和氧气组成的混合气或还含未分解过氧化氢的气液流，统称为富氧气。气体发生器头部的同轴直流式气液喷注器，把富氧气和全部液氢喷注、混合后，进行低混合比的富燃料燃烧生成以氢气为主和有不多水蒸汽的富燃气。通过改变过氧化氢与液氢的混合比，控制燃烧温度在500℃—600℃，既能稳定燃烧和保证富燃气有较高的做功能力，又能确保不使接触富燃气的材料过热而影响工作寿命。气体发生器身部为独段双层夹套结构，液氢或过氧化氢从夹套流过进行再生冷却，以消除气体发生器的散热损失。 

本发明的过氧化氢／液氢推力室是对过氧化氢／液氢进行等于或接近化学计算量混合比的供氧充足气气燃烧。70％—98％过氧化氢中的大部分进入推力室头部，经银网催化床进行类似于气体发生器银网催化床那样的分解，生成温度322℃—600℃的富氧气。另外，气体发生器(预燃室)中对过氧化氢／液氢进行预先燃烧生成温度500℃—600℃的富燃气，在对带动过氧化氢泵和液氢泵的低压比涡轮进行驱动后，也进入推力室头部。推力室头部的单组元气气喷注器，把富氧气和富燃气进行喷注、混合后，燃烧生成温度2020℃—2714℃的以水蒸汽为主要成分的燃气。该燃气经推力室身部和喷管排出，产生喷气推进的推力。推力室头部有抑制高频不稳定燃烧的喷注器隔板，部分富氧气流过隔板上的气喷孔，既能冷却隔板防止烧坏，又能喷入燃烧室参加隔板下游的燃烧。推力室身部为两段双层夹套结构，过氧化氢和液氢分别从上段双层夹套和下段双层夹套流过，对推力室内壁进行比传统的独段双层夹套结构更有效的再生冷却，以确保推力室在高温高压下可靠工作。 

过氧化氢／液氢气体发生器和推力室的主要优点和有益效果： 

(1)70％-98％过氧化氢／液氢是与液氧／液氢一样只含氧和氢元素的环保推 进剂，不一样的是使用性和冷却性好的可储存氧化剂占绝大部分。该推进剂中密度很低的冷冻型液氢燃料所占质量百分数只有3.98％—6.02％，比液氧／液氢中液氢所占质量百分数14.72％小得多，因而推进剂组合密度增大一倍左右到0.764—0.661g／cm³，密度比冲增加50％左右。这符合体积小的新一代可重复使用航天飞行器对新推进剂组合的要求。 

(2)通过引用安全性高、使用性好和价格较便宜的中等浓度70％—79％过氧化氢，并把高浓度80％—98％过氧化氢由安全性不够高和价格贵的高纯度航天级产品换作杂质多和含稳定剂的工业级产品，提高过氧化氢的安全性和经济性。 

(3)过氧化氢／液氢气体发生器是富燃料气液燃烧，对于不同浓度的过氧化氢都能控制燃烧温度在500℃—600℃，既能稳定燃烧和保证富燃气有较高的做功能力，又能确保不使接触富燃气的材料过热而影响工作寿命。 

(4)过氧化氢／液氢推力室是供氧充足气气燃烧，比液氧／液氢推力室的燃烧温度低536℃—1230℃，使推力室的工作条件得到很大改善，加上过氧化氢和液氢的冷却性能都好，设置的两段双层夹套结构能确保高压高温工作的推力室再生冷却可靠，容易解决多工作次数和长时间工作常发生的内壁材料热疲劳问题，这是其它任何推进剂组合都无法相比的。另外，同样浓度的过氧化氢／液氢推力室比过氧化氢／煤油推力室的真空比冲高30s—40s之多。设置的喷注器隔板能有效抑制高频不稳定燃烧。 

(5)过氧化氢／液氢气体发生器和推力室都使用少层数银网不完全分解高浓度80％—98％过氧化氢，控制分解温度在500℃—600℃，使银网催化床的工作次数多和寿命长。银网催化床预先浸泡激活，保证快速启动。 

过氧化氢／液氢气体发生器和推力室用于构成一种新型的过氧化氢／液氢高压补燃发动机。主要适用于高可靠性、多工作次数和长寿命的可重复使用航天飞行器发动机，也可用作芯级火箭发动机和上面级火箭发动机。 

附图说明

图1是本发明的过氧化氢／液氢气体发生器结构示意图。 

图2是本发明的过氧化氢／液氢推力室结构示意图。 

图3是图2中的A向视图，系喷注器隔板分布图和单组元气气喷注器排列图。 

具体实施方式

图1和图2、3是本发明的两个优选实施例。 

如图1所示，本发明的过氧化氢／液氢气体发生器，由头部和身部组成，头 部包括顶盖1、过氧化氢导入管2、均流板3、银网催化床4、支撑板5、催化床壳体6、喷注器底板7、喷注器面板8和搭板9，身部包括圆柱段内壁10、圆柱段外壁11、收敛段内壁12、收敛段外壁13、搭板14、集合器15和液氢导入管16，各零件焊接和限位固定。开有70％—98％过氧化氢分解富氧气喷孔17的喷注器底板7与开有液氢喷孔18的喷注器面板8组装并钎焊成一体，构成按同心圆排列、沿圆平面均布的多个同轴直流式气液喷注器。 

如图2所示，本发明的过氧化氢／液氢推力室，由头部和身部组成，头部包括顶盖21、均流板22、银网催化床23、支撑板24、催化床内壁25、催化床外壁26、喷注器底板27、圆形喷注器面板28、扇形喷注器面板29、有交叉孔的环30、搭板31、搭板32、集合器33和富燃气导入管34，身部包括燃烧室内壁35、燃烧室外壁36、档板37、过氧化氢导入管38、搭板39、短喷管内壁40、短喷管外壁41、尾环42、集合器43、搭板44、液氢导入管45和液氢导出管46，各零件焊接和限位固定。喷注器底板27上开的70％—98％过氧化氢分解富氧气喷孔47与圆形喷注器面板28、扇形喷注器面板29上开的富燃气喷孔48组成单组元气气喷注器，喷注器底板27上设置有喷注器隔板49，燃烧室内壁35与燃烧室外壁36构成上段双层夹套50及短喷管内壁40与短喷管外壁41构成下段双层夹套51。 

如图3所示，喷注器隔板49是由一块周向隔板和五块径向隔板组成为一体，其上均匀地开有富氧气喷孔47。圆形喷注器面板28上按同心圆均匀地开有若干圈富燃气喷孔48，最外圈是与周向隔板上一圈富氧气喷孔47毗邻的富燃气喷孔48，中心是一个大直径富燃气喷孔52，富燃气喷孔之间的空间是按同心圆均匀排列的单个富氧气喷注器53，一圈单个富氧气喷注器53与一圈富燃气喷孔48交错排列。扇形喷注器面板29有同样的五块，其上按同心圆弧均匀地开有若干圈富燃气喷孔48，内圈富燃气喷孔48毗邻周向隔板上的一圈富氧气喷孔47，两侧是与径向隔板上一列富氧气喷孔47毗邻的一列富燃气喷孔48，富燃气喷孔48旁边的空间是按同心圆弧均匀排列的单个富氧气喷注器53，最外圈富氧气喷注器53靠近燃烧室内壁35。 

银网催化床4和银网催化床23的层数30—100，过氧化氢的浓度越高所用的银网催化床层数越少，70—100层用在完全分解70％—79％过氧化氢，30—70层用在不完全分解80％—98％过氧化氢以调控分解温度在500℃—600℃。银网催化床4和银网催化床23在安装到气体发生器和推力室上前，用工业级的50％过氧化氢浸泡不少于10分钟以便充分激活。 

Claims (7)

1.一种过氧化氢／液氢气体发生器，由头部和身部组成，头部包括顶盖(1)、过氧化氢导入管(2)、均流板(3)、银网催化床(4)、支撑板(5)、催化床壳体(6)、喷注器底板(7)、喷注器面板(8)和搭板(9)，身部包括圆柱段内壁(10)、圆柱段外壁(11)、收敛段内壁(12)、收敛段外壁(13)、搭板(14)、集合器(15)和液氢导入管(16)，各零件焊接和限位固定，其特征在于：开有70％—98％过氧化氢分解富氧气喷孔(17)的喷注器底板(7)与开有液氢喷孔(18)的喷注器面板(8)组装并钎焊成一体，构成按同心圆排列、沿圆平面均布的多个同轴直流式气液喷注器。

2.一种过氧化氢／液氢推力室，由头部和身部组成，头部包括顶盖(21)、均流板(22)、银网催化床(23)、支撑板(24)、催化床内壁(25)、催化床外壁(26)、喷注器底板(27)、圆形喷注器面板(28)、扇形喷注器面板(29)、有交叉孔的环(30)、搭板(31)、搭板(32)、集合器(33)和富燃气导入管(34)，身部包括燃烧室内壁(35)、燃烧室外壁(36)、档板(37)、过氧化氢导入管(38)、搭板(39)、短喷管内壁(40)、短喷管外壁(41)、尾环(42)、集合器(43)、搭板(44)、液氢导入管(45)和液氢导出管(46)，各零件焊接和限位固定，其特征在于：喷注器底板(27)上开的70％—98％过氧化氢分解富氧气喷孔(47)与圆形喷注器面板(28)、扇形喷注器面板(29)上开的富燃气喷孔(48)组成单组元气气喷注器，喷注器底板(27)上设置有喷注器隔板(49)，燃烧室内壁(35)与燃烧室外壁(36)构成上段双层夹套(50)及短喷管内壁(40)与短喷管外壁(41)构成下段双层夹套(51)。

3.根据权利要求2所述的一种过氧化氢／液氢推力室，其特征在于：喷注器隔板(49)是由一块周向隔板和五块径向隔板组成为一体，其上均匀地开有富氧气喷孔(47)。

4.根据权利要求2所述的一种过氧化氢／液氢推力室，其特征在于：圆形喷注器面板(28)上按同心圆均匀地开有若干圈富燃气喷孔(48)，最外圈是与周向隔板上一圈富氧气喷孔(47)毗邻的一圈富燃气喷孔(48)，中心是一个大直径富燃气喷孔(52)，富燃孔喷孔之间的空间是按同心圆均匀排列的单个富氧气喷注器(53)，一圈单个富氧气喷注器(53)与一圈富燃气喷孔(48)交错排列。

5.根据权利要求2所述的一种过氧化氢／液氢推力室，其特征在于：扇形喷注器面板(29)有同样的五块，其上按同心圆弧均匀地开有若干圈富燃气喷孔(48)，内圈富燃气喷孔(48)毗邻周向隔板上的一圈富氧气喷孔(47)，两侧是与径向隔板上一列富氧气喷孔(47)毗邻的一列富燃气喷孔(48)，富燃气喷孔旁边的空间是按同心圆弧均匀排列的单个富氧气喷注器(53)，最外圈富氧气喷注器(53)靠近燃烧室内壁(35)。

6.根据权利要求1所述的一种过氧化氢／液氢气体发生器和权利要求2所述的一种过氧化氢／液氢推力室，其特征在于：银网催化床(4)和银网催化床(23)的层数30—100，过氧化氢的浓度越高所用的银网催化床层数越少，70—100层用在完全分解70％—79％过氧化氢，30—70层用在不完全分解80％—98％过氧化氢以调控分解温度在500℃—600℃。

7.根据权利要求1所述的一种过氧化氢／液氢气体发生器和权利要求2所述的一种过氧化氢／液氢推力室，其特征在于：银网催化床(4)和银网催化床(23)在安装到气体发生器和推力室上前，用工业级50％过氧化氢浸泡不少于10分钟以便充分激活。

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