CN105804889B - 固液点火发动机多次催化启动主发动机方法及其点火控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固液点火发动机多次催化启动主发动机方法及点火控制装置，通过在主发动机前燃室处安装催化点火发动机；由点火控制装置为催化点火发动机及主发动机分别供给过氧化氢，由催化式点火发动机实现主发动机的多次点火启动，通过将过氧化氢通入催化式点火发动机后，在催化床作用下分解为氧气和水，放出大量热量形成高温富氧气体混合物，高温富氧混合物进入燃烧室，与药柱发生反应，产生高温燃气，高温燃气进入主发动机前燃室内，使通入主发动机欠然是内的过氧化氢催化分解，产生的高温燃气，点燃主发动机内的药柱，点燃主发动机。本发明可用于各种推进剂组合的发动机，启动可靠，安全性好。

Description

固液点火发动机多次催化启动主发动机方法及其点火控制 装置

技术领域

本发明专利属于火箭发动机启动领域，涉及火箭发动机多次启动，具体来说，是一种了由固液点火发动机多次催化启动主发动机的方法及其点火控制装置，即采用具备多次点火能力的固液催化点火发动机来点燃主发动机，适用于固液火箭发动机的多次点火启动。

背景技术

固液火箭发动机采用液体氧化剂和固体燃料，在结构上兼备了液体火箭发动机和固体火箭发动机的共同特点，具有安全性好、推力调节容易、环保性好、药柱稳定性好、温度敏感性低和经济性好等优点，可用于探空火箭、靶弹、战术导弹等。

固液火箭发动机早期采用硝酸类氧化剂的自燃推进剂组合，易于实现多次点火启动。现在，大部分的固液火箭发动机，燃料和氧化剂的常温物理接触都是惰性的，发动机每一次启动都需要点火。

现在采用的多次点火方案有主要是采用催化点火实现发动机多次启动。采取催化剂点火，催化床在着火过程始终保持高温，影响催化床的使用寿命；催化点火，点火延迟长，不利于提高燃烧效率；对于部分推进剂，如98％过氧化氢，由于催化床材料限制，无法直接对98％过氧化氢进行催化分解。

发明内容

为了解决上述问题，本发明专利提出一种可靠的，可广泛使用的固液点火发动机多次催化启动主发动机方法及其点火控制装置，也可用于固体、液体火箭发动机的多次启动。

本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法为：

在主发动机前燃室处安装催化点火发动机；由催化式点火发动机实现主发动机的多次点火启动，通过将过氧化氢通入催化式点火发动机后，在催化床作用下分解为氧气和水，放出大量热量形成高温富氧气体混合物，高温富氧混合物进入燃烧室，与药柱发生反应，产生高温燃气，高温燃气进入主发动机前燃室内，使通入主发动机欠然是内的过氧化氢催化分解，产生的高温燃气，点燃主发动机内的药柱，点燃主发动机。

针对上述固液点火发动机多次催化启动主发动机方法的点火控制装置，包括过氧化氢供给主管路、催化点火发动机供给管路与主发动机供给管路。

其中，过氧化氢供给主管路依次串连有贮箱、第一手阀与第一过滤器。贮箱上连接有氮气输送管路，氮气输送管路与外部氮气供给设备相连；通过打开第一手阀，同时通入氮气，使贮箱内的过氧化氢由经氮气挤压，经第一过滤器过滤后进入到催化点火发动机供给管路、主发动机供给管路。

催化点火发动机供给管路由进气端至出气端依次串联有第一电磁阀、第三过滤器、第一文氏管、第二电磁阀。由此，打开第一电磁阀，使过氧化氢经第三过滤器再次过滤，并由文氏管进行流量控制后，通入催化点火发动机内。

主发动机供给管路进气端至出气端依次串联有第一气动阀、质量流量计、第四过滤器、缓冲器、第二文氏管与第二气动阀。由此，打开第一气动阀，使过氧化氢由第四过滤器进行过滤，经由文氏管进行流量控制后，通入主发动机内。

本发明的优点在于：

1、本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，采用点火发动机多次催化点火，方法可用于各种推进剂组合的发动机，如无法使用催化点火的98％过氧化氢；

2、本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，点火发动机采用90％过氧化氢和聚乙烯，聚乙烯成本低，便于加工，有利于降低成本和构型设计；

3、本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，点火发动机采用90％过氧化氢和聚乙烯，易于点燃，着火延迟小，在主发动机启动前点燃点火发动机，主发动机点火延迟小；

4、本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，由于点火路流量较小，而且主发动机启动后点火发动机关闭，极大地提高了催化剂的使用时间，有利于催化剂的多次重复使用；

5、本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，由点火发动机燃烧产物喷入主发动机燃烧室，由喷管喷出，产生推力，避免推进剂浪费，提高了发动机总冲；

6、本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，使用催化点火发动机启动主发动机，启动可靠，安全性好。

附图说明

图1为本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法示意图；

图2为针对本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法的点火控制装置结构示意图。

图中：

1-催化式点火发动机 2-主发动机 3-贮箱

4-第一手阀 5-第二手阀 6-第三手阀

7-第四手阀 8-第五手阀 9-第六手阀

10-第七手阀 11-第一电磁阀 12-第二电磁阀

13-第三电磁阀 14-第四电磁阀 15-第五电磁阀

16-第六电磁阀 17-第一气动阀 18-第二气动阀

19-第一过滤器 20-第二过滤器 21-第三过滤器

22-第四过滤器 23-第一文氏管 24-第二文氏管

25-第一压力表 26-第二压力表 27-第三压力表

28-第四压力表 29-第五压力表 30-真空泵

31缓冲罐 32-质量流量计 33-缓冲器

34-波纹管 35-单向阀 36-安全阀

101-导焰管 102-安装套 103-催化式点火发动机外壳 201-转接块

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利做进一步的说明。

本发明固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，通过安全性好，启动可靠的催化式点火发动机1实现主发动机2的多次启动，如图1所示，具体为：

首先，在催化式点火发动机1的末端同轴设置有导焰管101，用于将催化式点火发动机1燃烧室内的富氧气体引入主发动机2。导焰管101内径为4～6mm；长度为50～100mm。导焰管101入口端为收缩口，收缩口角度为60～90°。导焰管101与催化式点火发动机1间的固定通过安装套102实现；安装套102固定套接在导焰管101上，内壁与导焰管101外壁贴合，安装套102固定端通过设计法兰与催化式点火发动机外壳103末端法兰固定。安装套102的安装端端面处设计有定位台肩，用于催化式点火发动机1在主发动机2上的定位。

其次，在主发动机2前燃室外壁上固定安装转接块201，用于实现催化式点火发动机1在主发动机2上的定位。

最后，将催化式点火发动机1中安装套102安装端的定位台肩与主发动机2上转接块201的转接面贴合，且使导焰管101穿过转接块201以及主发动机2前燃室外壁，与主发动机2前燃室连通。同时，需满足导焰管101与主发动机2前燃室连通处与主发动机2内药柱末端距离L为：0.5～1倍的主发动机2中药柱外径，优选为0.75倍，且催化式点火发动机1轴线与主发动机2轴线 夹角α为70～80度，优选为77.3度。

通过上述方法，可由催化式点火发动机1实现主发动机2的多次点火启动，具体方式为：通过将90％过氧化氢通入催化式点火发动机1后，在催化床作用下分解为氧气和水，放出大量热量形成高温富氧气体混合物，高温富氧混合物进入燃烧室，与药柱发生反应，产生高温燃气，高温燃气经导焰管101引入主发动机2前燃室。催化式点火发动机1点燃5s后，在主发动机2燃烧室形成足够的高温燃气；随后开启主发动机2，向主发动机2内通入90％过氧化氢，使过氧化氢在高温燃气的作用下催化分解，由于过氧化氢催化分解放热，放出的热量可促进过氧化氢进一步分解。过氧化氢分解后的高温富氧燃气点燃主发动机2内的药柱，点燃主发动机2。在主发动机2点燃后，停止向点火发动机通入过氧化氢，同时关闭点火发动机，由此完成一次主发动机2的点火。在主发动机2点火完成后，停止向主发动机2内通入过氧化氢，关闭主发动机2氧化剂供应，并关闭主发动机2。反复上述过程，即可实现主发动机2的多次点火启动。

本发明方法可用于各种推进剂组合的发动机，如无法使用90％过氧化氢为主发动机2进行点火，则可采用90％过氧化氢作为氧化剂，同时采用聚乙烯作为主发动机2内药柱。聚乙烯成本低，便于加工，有利于降低成本和构型设计，于点燃，着火延迟小，在主发动机2启动前点燃催化点火发动机1，主发动机2点火延迟小；由于点火路流量较小，而且主发动机2启动后催化点火发动机1关闭，极大地提高了催化剂的使用时间，有利于催化剂的多次重复使用。

针对上述方法的一种固液点火发动机多次催化启动主发动机点火的点火控制装置，用来为催化点火发动机1与主发动机2提供过氧化氢，包括过氧化氢供给主管路、催化点火发动机供给管路与主发动机供给管路。其中，过氧化氢供给主管路作为过氧化氢的主供给管路，与催化点火发动机供给管路、主发动机供给管路相连，用来将过氧化氢输送至催化点火发动机供给管路与主发动机供给管路，进而由催化点火发动机供给管路分别向催化点火发动机1与主发动机2供给过氧化氢。

所述过氧化氢供给主管路依次串连有贮箱3、第一手阀4与第一过滤器19；贮箱3上连接有氮气输送管路，氮气输送管路与外部氮气供给设备相连。通过打开第一手阀4，同时通入氮气，使贮箱3内的过氧化氢由经氮气挤压，经第一过滤器19过滤后进入到催化点火发动机供给管路、主发动机供给管路。贮箱内过氧化氢的加注，通过过氧化氢加注管路与真空管路实现；其中，过氧化氢加注管路用于向过氧化氢供给主管路内加注过氧化氢；真空管路用于将过氧化氢主管路内的过氧化氢抽取至贮箱3内。上述过氧化氢加注管路连接端与过氧化 氢供给主管路相连，连接处位于贮箱3和第一手阀4之间；过氧化氢加注管路由过氧化氢加注口至连接端依次串联第二过滤器20与第二手阀5。真空管路连接端与贮箱3相连，抽气端连接真空泵30，在抽气端与连接端间依次串联缓冲罐31与第三手阀6。由此，过氧化氢经过氧化氢加注口加注，经第二过滤器20过滤后，打开第二手阀5，使过氧化氢进入过氧化氢供给主管路；同时打开真空泵30为贮箱3抽真空，将过氧化氢抽入贮箱3，完成过氧化氢的加注。缓冲罐31用来在加注过氧化氢时，吸收过氧化氢蒸汽。贮箱3上通过管路连接有安全阀36，用来实现贮箱3内过氧化氢超压时紧急泄压。

所述催化点火发动机供给管路由进气端至出气端依次串联有第一电磁阀11、第三过滤器21、第一文氏管23、第二电磁阀12。其中，第一电磁阀11与第二电磁阀12均用来控制催化点火发动机供给管路的通断，第一电磁阀11与第二电磁阀12互为备份，当第一电磁阀11坏掉时，可由第二电磁阀12对催化点火发动机供给管路通断进行控制；实现在紧急情况下催化点火发动机供给管路通断的远程控制，提高安全性。文氏管用于对流经的过氧化氢进行流量控制。由此，打开第一电磁阀11，使过氧化氢经第三过滤器21再次过滤，并由文氏管进行流量控制后，通入催化点火发动机内。催化点火发动机供给管路上，位于第一文氏管23的入口端、第一文氏管23的出口端以及催化点火发动进气端处，分别安装有第一压力表25、第二压力表26与第三压力表27，分别用来测量催化点火发动机供给管路中第一文氏管23入口端、第一文氏管23出口端以及催化点火发动进气端处的压力大小。

所述主发动机供给管路由A、B两段管路构成，其中A段管路进气端与催化点火发动机供给管路相连；B段管路出气端与主发动机2相连。A段管路出气端与B段管路进气端间通过波纹管34相接，实现A段管路与B段管路的位置补偿，便于A段管路与B段管路间找准对接。A段管路由进气端至出气端依次串联有第一气动阀17、质量流量计32与第四过滤器22；B段管路由进气端至出气端依次串联有缓冲器33、第二文氏管24与第二气动阀18。由于主发动机供给管路内过氧化氢流量大，因此采用第一气动阀17与第二气动阀18对主发动机供给管路通断进行控制，第一气动阀17与第二气动阀18分别通过第三电磁阀13与第四电磁阀14控制开闭；当第一气动阀17坏掉时，可由第二气动阀18对主发动机供给管路通断进行控制。质量流量计32用来测量A段管路内过氧化氢流量。缓冲器33用来维持第二文氏管24入口端压力稳定。第二文氏管24用来对过氧化氢流量进行控制。由此，打开第一气动阀17，使过氧化氢由第四过滤器22进行过滤后，经波纹管34进入B端管路内，由文氏管进行流量控制后，通入主发动机2内。A段管路上，质量流量计32出口端与主发动机2入口端处分别安装有第四压力表28与第五压力表29，分别用来测量A段管路中质量流量计32出口端 与主发动机2入口端处压力。

上述点火控制装置中，还在催化点火发动机供给管路上，位于第一文氏管23与第二电磁阀12间连接有第一泄放管路，位于第二电磁阀12与催化点火发动机1间连接有第一吹除管路；在主发动机供给管路上，位于第一气动阀17与质量流量计32间设计有第二泄放管路，位于文氏管与第二气动阀18间连接有第三泄放管路；位于第二气动阀18与主发动机2间连接有第二吹除管路。其中，第一泄放管路、第二泄放管路与第三泄放管路分别通过第五手阀8、第六手阀9与第七手阀10控制通断，在主发动机2点火完毕后，打开第五手阀8、第六手阀9与第七手阀10，实现对催化点火发动机供给管路与主发动机供给管路内残留的过氧化氢进行卸放。第一吹除管路与第二吹除管路分别通过第五电磁阀15与第六电磁阀16控制通断，在主发动机2点火完毕后，由第一吹除管路与第二吹除管路进气端通入吹除气，同时控制第五电磁阀15与第六电磁阀16打开，由吹除气吹除主发动机2与点火发动机内残留过氧化氢。上述第一吹除管路与第二吹除管路上还安装有单向阀35，防止在吹除过程中过氧化氢与第五电磁阀15、第六电磁阀16直接接触。

在应用上述点火控制装置进行点火时，通过下述步骤完成：

步骤1：打开第二手阀5与第三手阀6，开启真空泵30，向贮箱3内加注过氧化氢；

步骤2：向贮箱3内加注氮气，使贮箱3内到达目标压力10MPa；

步骤3：打开第一手阀4，使过氧化氢进入催化点火发动机供给管路；

步骤4：远程控制打开第一电磁阀11与第二电磁阀12，向催化点火发动机通入90％过氧化氢，由过氧化氢点燃点催化火发动机；

步骤5：催化式点火发动机1点燃3s后，在主发动机2燃烧室形成足够的高温燃气；

步骤6：远程控制打开第三电磁阀13与第四电磁阀14，进而开启第一气动阀17与第二气动阀18，向主发动机2内通入90％过氧化氢，使进入主发动机2内的过氧化氢在高温燃气的作用下催化分解，完成主发动机2点火启动。

步骤7：远程控制关闭第一电磁阀11、第二电磁阀12、第一气动阀17与第二气动阀18；同时，打开第五电磁阀15与第六电磁阀16，吹除催化点火发动机1与主发动机2内的残留过氧化氢。

步骤8：关闭第一手阀4，并卸掉贮箱中通入的氮气；同时，打开第五手阀8、第六手阀9、第七手阀10，对催化点火发动机供给管路与主发动机供给管路内的残留过氧化氢进行泄放。

Claims (7)

1.固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，其特征在于：在主发动机前燃室处安装催化点火发动机；由催化式点火发动机实现主发动机的多次点火启动，通过将90％过氧化氢通入催化式点火发动机后，在催化床作用下分解为氧气和水，放出大量热量形成高温富氧气体混合物，高温富氧混合物进入燃烧室，与聚乙烯材料的药柱发生反应，产生高温燃气，高温燃气进入主发动机前燃室内，使通入主发动机前燃室内的过氧化氢催化分解，产生的高温燃气，点燃主发动机内的药柱，点燃主发动机；

上述催化点火发动机与主发动机的过氧化氢供给通过过氧化氢供给主管路、催化点火发动机供给管路与主发动机供给管路完成，其中，过氧化氢供给主管路依次串连有贮箱、第一手阀与第一过滤器；贮箱上连接有氮气输送管路，氮气输送管路与外部氮气供给设备相连；通过打开第一手阀，同时通入氮气，使贮箱内的过氧化氢由经氮气挤压，经第一过滤器过滤后进入到催化点火发动机供给管路、主发动机供给管路；

催化点火发动机供给管路由进气端至出气端依次串联有第一电磁阀、第三过滤器、第一文氏管、第二电磁阀；主发动机供给管路进气端至出气端依次串联有第一气动阀、质量流量计、第四过滤器、缓冲器、第二文氏管与第二气动阀；通过打开第一电磁阀，使过氧化氢经第三过滤器再次过滤，并由文氏管进行流量控制后，通入催化点火发动机内。

2.如权利要求1所述的固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，其特征在于：催化式点火发动机点燃3s后，向主发动机内通入过氧化氢。

3.如权利要求1所述的固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，其特征在于：主发催化点火发动机的安装方式为：在催化式点火发动机的末端设置有导焰管；导焰管外套有安装套，安装套固定端与催化式点火发动机外壳相连；安装套的安装端端面处设计有定位台肩，与在主发动机前燃室外壁上固定安装的转接块转接面贴合，实现催化式点火发动机的定位端；且使导焰管穿过转接块以及主发动机前燃室外壁，与主发动机前燃室连通。

4.如权利要求3所述的固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，其特征在于：导焰管与主发动机前燃室连通处与主发动机内药柱末端距离为0.5～1倍的主发动机中药柱外径；催化式点火发动机轴线与主发动机轴线夹角α为70～80度。

5.如权利要求4所述的固液点火发动机多次催化启动主发动机方法，其特征在于：导焰管内径为4～6mm；长度为50～100mm；导焰管入口端为收缩口，收缩口角度为60～90°。

6.如权利要求1所述固液点火发动机多次催化启动主发动机方法的点火控制装置，其特 征在于：主发动机供给管路由A、B两段管路构成，其中A段管路与B段管路间通过波纹管相接。

7.如权利要求1所述固液点火发动机多次催化启动主发动机方法的点火控制装置，其特征在于：催化点火发动机供给管路上，位于第一文氏管与第二电磁阀间连接有第一泄放管路，位于第二电磁阀与催化点火发动机间连接有第一吹除管路；在主发动机供给管路上，位于第一气动阀与质量流量计间设计有第二泄放管路，位于文氏管与第二气动阀间连接有第三泄放管路；位于第二气动阀与主发动机间连接有第二吹除管路。