CN107327354B - 基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，包括金属内筒、金属棒、绝缘外筒、推进剂腔、外电极和高压电源；推进剂腔包括主通孔和两个分腔；绝缘外筒包括喷嘴出口部、安装部、外喷嘴孔槽、内筒固定槽和金属棒槽；金属内筒上设有推进剂X内通孔；本发明具有推进剂X的喷射主流道和推进剂Y的环缝喷射流道；金属棒布设在金属棒槽中，且与高压电源电连接；外电极包覆在喷嘴出口部上，且接地连接。本发明能改善传统同轴直流式喷嘴中燃料和氧化剂的蒸发与混合过程，能缩短点火延迟、扩宽熄火极限、以及改善燃烧不稳定性。

Description

基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴

技术领域

本发明涉及火箭发动机、航空发动机用动力装置，特别是一种基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴。

背景技术

通过燃烧将化学能转化为动能是当前绝大多数动力装置产生推力的方式，对于常规的火箭发动机，其燃料和氧化剂均是经由喷嘴喷入燃烧室，然后发生雾化、蒸发、混合和燃烧这一系列过程，喷嘴的性能高低对这一些列过程有着极其重要的影响，因而，喷嘴是发动机最核心的部件之一。

自上世纪七十年代以来，研究人员已开展了大量火箭发动机喷嘴的设计与试验工作，主要的喷嘴类型包括了剪切式、旋流式、预混式以及撞击式等，其中以同轴直流（剪切）式喷嘴为代表的喷注器很适合双组元推进剂发动机，结构相对简单且具有较好的燃烧稳定性，在诸如著名的氢氧发动机J-2、RL10A-1及航天飞机主发动机（SSME）上都得到了广泛的应用。通常氧化剂从喷嘴中心主流道喷出，燃料则从包围主流道的环缝中喷出，其工作原理可以简单概括为：具有速度差的中心射流与环缝射流间形成速度剪切层，受剪切力作用两者在喷嘴出口附近发生雾化、混合等过程，以为燃烧创造基本条件。

此外，已经证实燃烧不稳定现象存在于火箭发动机、航空发动机及内燃机中，当发动机内压力震荡频率和幅值达到一定条件，轻则使得发动机性能急剧下降，重则导致发动机内部件严重损坏，而通过对雾化、混合等过程的作用，喷嘴本身能够在某些方面影响燃烧不稳定性。

传统的同轴直流式喷嘴受构型固定限制，其雾化、混合、燃烧性能十分有限，具体表现在如下几个方面：

1. 喷嘴喷出的燃料与氧化剂射流混合不充分，不能直接达到点火条件，需要在喷嘴出口附近添加额外的点火装置。

2. 喷嘴喷出的液体射流雾化品质不高；当发动机工作于非设计工况时，仅通过调节推进剂流量和温度难以在较大范围内保持喷嘴的雾化、混合性能最优。

3、一定工作条件下喷嘴会激发出整个发动机的燃烧不稳定现象；当出现燃烧不稳定现象时，只能通过调节流量等机械方法来控制，响应速度慢，控制范围窄。

4、变工况、宽范围条件下喷嘴性能急剧下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，该基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴能改善传统同轴直流式喷嘴中燃料和氧化剂的蒸发与混合过程，能缩短点火延迟、扩宽熄火极限、以及改善燃烧不稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，包括金属内筒、金属棒、绝缘外筒、推进剂腔、外电极和高压电源。

推进剂腔包括主通孔和两个分腔；主通孔沿推进剂腔的中心轴线布设；两个分腔相互平行，且均与主通孔相连通；两个分腔分别为推进剂Y储存腔和推进剂X储存腔；推进剂Y储存腔用于存储推进剂Y，推进剂X储存腔用于存储推进剂X。

推进剂腔同轴套设在绝缘外筒的外周。

绝缘外筒包括依次同轴设置的喷嘴出口部和安装部；喷嘴出口部的外径小于安装部的外径。

绝缘外筒的安装部位于推进剂腔的主通孔内，并与主通孔密封配合。

安装部上设置有推进剂X外通孔和推进剂Y通孔，其中，推进剂X外通孔与推进剂X储存腔相连通，推进剂Y通孔与推进剂Y储存腔相连通。

绝缘外筒沿中心轴线依次同轴设置有外喷嘴孔槽、内筒固定槽和金属棒槽。

绝缘外筒同轴套设在金属内筒的外周，金属内筒位于外喷嘴孔槽和内筒固定槽中。

金属内筒的外径小于外喷嘴孔槽的内径，但大于或等于内筒固定槽的内径。

金属内筒上设置有与推进剂X外通孔相连通的推进剂X内通孔；推进剂X储存腔、推进剂X外通孔、推进剂X内通孔和金属内筒的中心空腔相连通并形成推进剂X的喷射主流道。

金属内筒与外喷嘴孔槽之间具有环状缝隙，该环状缝隙、推进剂Y通孔和推进剂Y储存腔相连通并形成推进剂Y的环缝喷射流道。

金属棒布设在金属棒槽中，金属棒的一端与金属内筒密封固定连接，金属棒的另一端从绝缘外筒中伸出，且金属棒的伸出端与高压电源电连接。

外电极包覆在绝缘外筒的喷嘴出口部的外表面上，且外电极接地连接。

金属内筒的喷射端与绝缘外筒的喷射端之间具有一个混合腔。

外喷嘴孔槽的内径比金属内筒的外径大1-8mm。

喷嘴出口部的壁厚为0.5-2mm，绝缘外筒中安装部的最薄壁面厚度大于8mm。

金属内筒的喷射端设置有扩张角和垂直端面，垂直端面与金属内筒的筒身相垂直。

绝缘外筒还包括阻挡部，阻挡部能使绝缘外筒底部与推进剂腔底部密封固定连接；阻挡部外径大于安装部外径。

阻挡部的外径比安装部外径大14mm，且阻挡部的轴向长度大于4mm。

推进剂腔上设置有两个推进剂加注孔和两个监测孔，每个分腔分别连通一个推进剂加注孔和一个监测孔。

推进剂Y为氧化剂或燃料，推进剂X为燃料或氧化剂。

位于金属棒伸出端外周的推进剂腔底面上设置有若干个支撑腿。

本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

1、上述金属内筒和金属棒组合构成内电极，该内电极与高压电源相连接；外电极接地连接，上述绝缘外筒形成高压介质阻挡，当高压电源接通后，形成高压介质阻挡放电。高压介质阻挡放电能对流经环缝喷射流道的推进剂Y进行电离，形成非平衡等离子体射流。以常见的氢氧火箭发动机同轴直流喷嘴为例，环缝喷射流道内为气态氢，喷射主流道内为液态氧，通过将电能输入至氢等离子体中，使得原来的中性氢气发生一些列放电基元反应，H₂分子裂解为H、H⁺、H^-等粒子，而燃烧反应实质是由众多基元反应构成的复杂的链式反应，这过程包括了起链反应、链传递反应、链分支反应以及链中止反应。比如在较高温度、压力环境下，H₂完成传统的热化学起链过程所需时间比典型折合场强条件下介质阻挡放电裂解H₂所需时间高约2个数量级。放电等离子体通过直接为燃烧反应提供各类活性粒子，丰富了链传播途径；此外，放电过程对大分子燃料的裂解产生了小分子或者简单原子等粒子，有利于燃料与氧化剂的扩散。以上这些都降低了着火延迟时间，又扩宽了火焰稳定存在的范围。

2、根据大气压放电理论，在对工质放电发生电离的同时还存在焦耳加热等温升效应，温度有所上升的环缝射流与喷嘴中心射流在剪切层发生混合，热量得到传递，因此，不论液体推进剂位于环缝喷射流道，还是位于中心的喷射主流道，都会在放电作用下其温度上升，进而促进了推进剂的蒸发，也就加快了着火过程；此外，在某些低温条件下本来难以实现着火或者火焰稳定的情况下，等离子体的热效应也能在一定程度上使得推进剂达到着火条件，即扩宽了熄火极限。

3、推进剂温度、流量、混合比、燃料氧化剂喷射速度比等参数的变化都会严重影响火箭发动机燃烧稳定性，传统的不稳定抑制方法主要是隔板和声腔，两者皆是通过固定装置实现对燃烧室内压力震荡的控制，然而对于某一型号发动机通常其隔板和声腔的构型、尺寸是固定的，且对喷注面板的结构影响大、加工精度要求高，实际发动机工作过程中一旦偏离此类抑制装置的设计工况范围，将难以发挥控制燃烧不稳定的作用；采用介质阻挡放电喷嘴后，通过对推进剂的电离和加热，既能改变喷注面板附近的混合比，又能调节推进剂温度，而且通过对放电电源操作，并配合传感器能实现闭环控制，响应速度必然快于机械调节手段，且能针对不同工况灵活改变等离子体参数，最终达到更强的燃烧不稳定控制能力。

4、另外，对本等离子体喷嘴可以十分容易地更换外电极，从而改变电离区域体积，而整体模块化设计也为电极、介质层材料的更换提供了可能，这些都有利于扩大其抑制燃烧不稳定及改善推进剂蒸发、着火过程。

附图说明

图1显示了本发明一种基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴的整体结构图。

图2显示了本发明一种基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴的剖视图。

图3显示了推进剂腔的整体结构图。

图4显示了推进剂腔的剖视图。

图5显示了绝缘外筒的整体结构图。

图6显示了绝缘外筒的剖视图。

图7显示了金属内筒与金属棒的连接示意图。

图8显示了支撑腿的结构示意图。

图9显示了图7中圆圈A区的纵剖面示意图。

其中有：

1.金属内筒；2.推进剂X内通孔；3.金属棒；4.绝缘外筒；41.喷嘴出口部；42.安装部；43.阻挡部；44.外喷孔槽；45.内筒固定槽；46.金属棒槽；5.推进剂Y通孔；6.推进剂X外通孔；7.密封槽；8.推进剂腔；9.监测孔；10.推进剂加注孔；11.主通孔；12.分腔；121.推进剂Y储存腔；122.推进剂X储存腔；13.螺纹孔；14.支撑腿；15.外电极；16.高压电源；17.混合腔；18.扩张角；19.垂直端面。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，包括金属内筒1、金属棒3、绝缘外筒4、推进剂腔8、外电极15和高压电源16。

如图3和图4所示，推进剂腔8包括主通孔11、两个分腔12、推进剂加注孔10、监测孔9和螺纹孔13。

上述主通孔沿推进剂腔的中心轴线布设。

两个分腔相互平行，且均与主通孔相连通。

两个分腔分别为推进剂Y储存腔121和推进剂X储存腔122，其中，推进剂Y储存腔用于存储推进剂Y，推进剂X储存腔用于存储推进剂X。

推进剂Y为氧化剂或燃料，推进剂X为燃料或氧化剂。也即，当推进剂Y为氧化剂时，则推进剂X为燃料；当进剂Y为燃料时，则推进剂X为氧化剂，两者可以互换。

推进剂加注孔10和监测孔9可以根据需要设置，每个分腔优选分别连通一个推进剂加注孔和一个监测孔，通过推进剂加注孔向相应的分腔内加注对应的推进剂；监测孔中用于安装传感器接头，从而实现对推进剂温度、压力的测量等。

螺纹孔根据需要设置，可以不设。本发明中，推进剂腔的底部优选对称设置有4个螺纹孔，每个螺纹孔内优选安装一个如图8所示的支撑腿14。通过改变支撑腿14的螺杆旋进深度实现整个推进剂腔8高度的调节。

推进剂腔同轴套设在绝缘外筒的外周，绝缘外筒的材料优选为陶瓷、石英或特氟龙材质。

如图5和图6所示，绝缘外筒优选包括依次同轴设置的喷嘴出口部41、安装部42和阻挡部43，喷嘴出口部41、安装部42和阻挡部43的外径优选依次递增。

上述阻挡部能使绝缘外筒底部与推进剂腔底部密封固定连接，从而既能起到密封作用，又能防止喷嘴的轴向窜动。

本发明中，阻挡部与推进剂腔底部螺纹连接，也即安装部42的靠整个装置底部一段圆柱面外表面有螺纹，用于连接推进剂腔和绝缘外筒。

阻挡部的内侧设置有密封槽7，密封槽内优选设置有密封圈。

上述阻挡部的外径优选比安装部外径大14mm，这样设置目的是：既保证绝缘外筒轴向固定，以免拧安装部的螺纹过头，又通过这样一个长度来保证阻挡部内表面能加工出两道密封槽。

另外，阻挡部的轴向长度优选大于4mm，进一步优选为4-10mm。这样设置的好处是：在降低整体尺寸和重量的同时保证该部件具有抵抗一定轴向力的刚度和强度。

绝缘外筒的安装部位于推进剂腔的主通孔内，并与主通孔密封配合。优选设置方式为：安装部的外表面设置有若干个密封槽7，每个密封槽内均设置有密封圈，从而使两个分腔相互独立密封，互不影响。

安装部上设置有推进剂X外通孔6和推进剂Y通孔5，其中，推进剂X外通孔与推进剂X储存腔相连通，推进剂Y通孔与推进剂Y储存腔相连通。

绝缘外筒沿中心轴线依次同轴设置有外喷嘴孔槽44、内筒固定槽45和金属棒槽46。

外喷嘴孔槽、内筒固定槽和金属棒槽的内径优选依次递减，外喷嘴孔槽的内径比金属内筒的外径优选大1-8mm。

内筒固定槽45设置在安装部的中心轴线上，金属棒槽46设置在阻挡部及安装部的中心轴线上，金属棒槽一端与内筒固定槽相连通，另一端与大气相连通。

外喷嘴孔槽44设置在喷嘴出口部及安装部的中心轴线上，外喷嘴孔槽一端与内筒固定槽相连通，另一端与大气相连通。

喷嘴出口部的壁厚优选为0.5-2mm，绝缘外筒中安装部的最薄壁面厚度优选大于8mm。这样设置的目的是：因为绝缘外筒表面开有密封槽，而密封槽需具有一定深度，为了保证绝缘外筒的结构强度和刚度，因而厚度不能小于8mm。

绝缘外筒同轴套设在金属内筒的外周，金属内筒位于外喷嘴孔槽和内筒固定槽中。

如图7所示，金属内筒为等圆截面空心圆柱体，金属内筒上设置有与推进剂X外通孔相连通的推进剂X内通孔2。

金属内筒的安装优选安装方法为：金属内筒以过盈配合方式插入绝缘外筒4内的内筒固定槽中，两者同轴且金属内筒底部抵住绝缘外筒中内筒固定槽的底部，并使所有推进剂X外通孔6与对应的推进剂X内通孔2完全对齐。

金属内筒与绝缘外筒安装完成后，具有如下结构形式：

1.推进剂X储存腔、推进剂X外通孔、推进剂X内通孔和金属内筒的中心空腔相连通并形成推进剂X的喷射主流道。

2.金属内筒与外喷嘴孔槽之间具有环状缝隙，该环状缝隙、推进剂Y通孔和推进剂Y储存腔相连通并形成推进剂Y的环缝喷射流道。

3.金属内筒的喷射端较绝缘外筒的喷射端有一定缩进距离， 也即金属内筒的喷射端与绝缘外筒的喷射端之间具有一个如图2所示的混合腔，该混合腔主要是为了混合以及在一定程度上影响燃烧稳定性。

本发明中环缝喷射流道内优选是气体，也即放电的介质是气体。喷射主流道内可以是气体，也可以是液体。

进一步，如图9所示，上述金属内筒的喷射端设置有扩张角18和垂直端面19，垂直端面与金属内筒的筒身相垂直。扩张角能有利于金属内筒中推进剂流出来的时候更好地向它周围的环缝射流扩散，促进两者的雾化与混合；垂直端面的设置则是为了减小尖端放电效应和防止操作时刺手。

上述金属棒布设在金属棒槽中，金属棒优选为细长形的金属圆柱棒，金属棒3则既可以采用焊接又可以采用与金属内筒一体化的加工方式制造。

金属棒的一端与金属内筒密封固定连接，金属棒的另一端从绝缘外筒中伸出，且金属棒的伸出端与高压电源16电连接。

上述高压电源16可以选择高频交流电源或者纳秒脉冲电源。

外电极包覆在绝缘外筒的喷嘴出口部的外表面上，且外电极接地连接。上述外电极优选采用金属网或金属带等捆绑于绝缘外筒的喷嘴出口部的外表面上，该外电极15轴向长度比喷嘴出口部的外径略小，优选通过导线接地。

试验时，首先向推进剂腔8的两个分腔12输入推进剂，然后氧化剂和燃料分别由各自的分腔12进入喷嘴的内、外通道，分腔和通道选择上既可以使环缝喷射流道流过氧化剂，喷射主流道（也即内通道）为燃料；又可以使环缝喷射流道流过燃料，内通道为氧化剂。待喷嘴推进剂流流量稳定后，开启高压电源16，放电等离子体将产生于外电极15和喷嘴金属内筒1之间的环缝区域，并随射流喷出。通过改变外电极15轴向长度，改变电极、绝缘介质层材料以及变化电源类型、参数从而改变放电等离子体特性。

传统火箭发动机等动力装置中推进剂流过喷嘴喷出后需要施加点火才能燃烧，而本装置充分利用了同轴直流式喷嘴结构特点，对流经环缝喷射流道的推进剂进行预处理，即施加介质阻挡放电，能起到加热与活化推进剂工质的效果，从而使得喷嘴喷出的两股射流在混合后快速着火。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，其特征在于：包括金属内筒、金属棒、绝缘外筒、推进剂腔、外电极和高压电源；

推进剂腔包括主通孔和两个分腔；主通孔沿推进剂腔的中心轴线布设；两个分腔相互平行，且均与主通孔相连通；两个分腔分别为推进剂Y储存腔和推进剂X储存腔；推进剂Y储存腔用于存储推进剂Y，推进剂X储存腔用于存储推进剂X；

推进剂腔同轴套设在绝缘外筒的外周；

绝缘外筒包括依次同轴设置的喷嘴出口部和安装部；喷嘴出口部的外径小于安装部的外径；

绝缘外筒的安装部位于推进剂腔的主通孔内，并与主通孔密封配合；

安装部上设置有推进剂X外通孔和推进剂Y通孔，其中，推进剂X外通孔与推进剂X储存腔相连通，推进剂Y通孔与推进剂Y储存腔相连通；

绝缘外筒沿中心轴线依次同轴设置有外喷嘴孔槽、内筒固定槽和金属棒槽；

绝缘外筒同轴套设在金属内筒的外周，金属内筒位于外喷嘴孔槽和内筒固定槽中；

金属内筒的外径小于外喷嘴孔槽的内径，但大于或等于内筒固定槽的内径；

金属内筒上设置有与推进剂X外通孔相连通的推进剂X内通孔；推进剂X储存腔、推进剂X外通孔、推进剂X内通孔和金属内筒的中心空腔相连通并形成推进剂X的喷射主流道；

金属内筒与外喷嘴孔槽之间具有环状缝隙，该环状缝隙、推进剂Y通孔和推进剂Y储存腔相连通并形成推进剂Y的环缝喷射流道；

金属棒布设在金属棒槽中，金属棒的一端与金属内筒密封固定连接，金属棒的另一端从绝缘外筒中伸出，且金属棒的伸出端与高压电源电连接；

外电极包覆在绝缘外筒的喷嘴出口部的外表面上，且外电极接地连接。

2.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，其特征在于：金属内筒的喷射端与绝缘外筒的喷射端之间具有一个混合腔。

3.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，其特征在于：外喷嘴孔槽的内径比金属内筒的外径大1-8mm。

4.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，其特征在于：喷嘴出口部的壁厚为0.5-2mm，绝缘外筒中安装部的最薄壁面厚度大于8mm。

5.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，其特征在于：金属内筒的喷射端设置有扩张角和垂直端面，垂直端面与金属内筒的筒身相垂直。

6.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，其特征在于：绝缘外筒还包括阻挡部，阻挡部能使绝缘外筒底部与推进剂腔底部密封固定连接；阻挡部外径大于安装部外径。

7.根据权利要求6所述的基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，其特征在于：阻挡部的外径比安装部外径大14mm，且阻挡部的轴向长度大于4mm。

8.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，其特征在于：推进剂腔上设置有两个推进剂加注孔和两个监测孔，每个分腔分别连通一个推进剂加注孔和一个监测孔。

9.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的同轴直流式等离子体喷嘴，其特征在于：位于金属棒伸出端外周的推进剂腔底面上设置有若干个支撑腿。