CN108954390B - 用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机及燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机及燃烧方法，发动机包括泡沫金属预热器、控制阀、旋涡式喷注器、催化床、催化床预热器和喷管；泡沫金属预热器内部设有多孔介质状流体通道，泡沫金属预热器与控制阀的入口一端连接，控制阀内部设有推进剂流道，推进剂流道与多孔介质状流体通道相通，控制阀的另一端通过旋涡式喷注器与催化床一端相连，旋涡式喷注器内部设有旋涡槽；催化床另一端与喷管相连，催化床外壁面安装有用于对催化床加热的催化床预热器。

Description

用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机及燃烧方法

技术领域

本发明涉及用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机及燃烧方法，可以实现发动机稳态与脉冲工作条件下的稳定工作，属于液体空间发动机领域

背景技术

离子液体推进剂具有含能高、毒性小、饱和蒸汽压极低、易存储、易与电场发生作用的特点，可以用作电推进/化学推进双模式空间推进系统的推进剂。含能离子液体推进剂是由氧化剂(二硝酰胺铵ADN、或硝酸羟铵HAN等)、离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体等)及少量溶剂组成的多组分混合液体推进剂，既可以在一定条件下通过燃烧释放化学能，实现满足快速机动的化学推力器，也可以在外加电场的控制下实现推进剂的电离和加速，实现高比冲、高精度的电推力器。相比于传统液体推进剂只具有单纯的化学推进工作模式或电推进工作模式，具有显著的技术新颖性和应用潜力。

离子液体推进剂电性能较为优越，但是其化学稳定性较高，分子量较大，给实现推进剂的催化燃烧化学反应带来很大技术挑战。另外，离子液体推进剂相比于低分子量的溶液型液体推进剂、以及传统肼类液体推进剂，往往具有特殊的理化性质。其中，一个共性的理化特性是推进剂粘度显著高于常规液体推进剂。例如，典型的1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体，化学分子量在300-400之间，沸点大于380℃。另外，其20℃时的粘度高达94.3Pa.s,显著高于ADN基液体推进剂的4.3Pa.s。高粘度对于推进剂的流动和雾化性能造成显著挑战，进而影响推进剂的催化燃烧效率，影响推力器的稳态及脉冲工作能力和比冲性能。

离子液体双模式推进具有显著的技术新颖性和技术优势。但是，如上文所述，在其推力器产品的研制过程中，也体现出较高的技术难度，目前，国际上针对离子液体推进剂及其推力器产品尚处于研究和试制阶段，尚没有公开报道过的在轨飞行试验经历。

目前，尚未检索到关于离子液体推进剂催化燃烧发动机设计方面的专利。目前广泛使用的单组元液体推进剂催化燃烧发动机结构，只包括控制阀、溅网式毛细管喷注器、催化床、催化床加热器、喷管五个部分，不包括泡沫金属预热器、不采用旋涡式喷注器、不包括雾化腔。这种结构并不适用于离子液体推进剂催化燃烧发动机。主要原因如下：

1)在推进剂进入控制阀前，没有泡沫金属预热器的加热功能，不能通过预热方法降低离子液体推进剂粘度，使得推进剂粘度较高，流动性变差，严重影响推进剂的流动与雾化过程，影响催化燃烧效率和发动机性能。

2)毛细管式喷注器的雾化性能较差，对于高粘度流体这一缺陷暴露的更加明显，不经充分雾化的推进剂进入催化床后，影响催化燃烧效率和发动机性能。

3)发动机结构中不包括雾化腔，使得推进剂从喷注器出口直接接触催化床，推进剂不能充分雾化，影响催化燃烧效率和发动机性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机及燃烧方法，克服离子液体推进剂粘度高，流动性和雾化性能差的特点，实现离子液体推进剂的高效率催化燃烧及可靠稳定工作。

本发明的技术方案是：一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于包括：泡沫金属预热器、控制阀、旋涡式喷注器、催化床、催化床预热器和喷管；泡沫金属预热器内部设有多孔介质状流体通道，泡沫金属预热器与控制阀的入口一端连接，控制阀内部设有推进剂流道，推进剂流道与多孔介质状流体通道相通，控制阀的另一端通过旋涡式喷注器与催化床一端相连，旋涡式喷注器内部设有旋涡槽；催化床另一端与喷管相连，催化床外壁面安装有用于对催化床加热的催化床预热器。

还包括设置在旋涡式喷注器与催化床之间的雾化腔，保证液体推进剂有空间在接触催化床之前充分雾化。

泡沫金属预热器采用镍基泡沫金属制成。

所述泡沫金属预热器其内部流经多孔介质状流体通道的液体推进剂加热至60℃至80℃。

所述催化床采用催化能力强的小颗粒催化剂，且在催化床与雾化腔接触的位置设置耐高温隔离网。

在催化床与喷管接触的位置设置耐高温隔离网，用于对催化床内的催化剂小颗粒起到固定作用。

发动机工作前，催化床预热器将催化床预先加热至300℃以上。

一种利用上述发动机进行高粘度离子液体推进剂催化燃烧的方法，具体步骤为：

1)推进剂从来流方向注入泡沫金属预热器；离子液体推进剂的粘度与温度呈现反比例关系，利用预热器提供的热量，提升推进剂温度至60℃至80℃，降低离子液体推进剂的粘度；

2)推进剂通过泡沫金属预热器，流入控制阀；控制阀起到控制推进剂流体通断的作用，随后流入旋涡式喷注器内部的旋涡槽，利用旋涡式喷注器较高的雾化能力，对离子液体推进剂进行雾化；

3)推进剂通过旋涡式喷注器的雾化作用，在雾化腔内进行雾化，成为雾群；

4)成为雾群的离子液体推进剂进入催化床，催化床通过催化床加热器进行预先加热至300℃以上；推进剂在催化床中进行催化燃烧反应，成为高温高压的燃气；

5)燃气通过喷管做功，产生推力。

推进剂来流注入压力为1.0MPa～2.0MPa。

推进剂质量流量范围为0.5g/s～15g/s。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、通过高传热效率的泡沫金属预热器对离子液体推进剂进行预热，利用推进剂粘度与温度之间的反比例关系，降低推进剂粘度，提高推进剂的流动性能和雾化性能。

2、采用雾化性能较好的旋涡式喷注器代替单组元推力器中常用的溅网式毛细管喷注器，提高推进剂的雾化性能。

3、在催化床前添加雾化腔，使得推进剂在进入催化床前可以充分雾化成为小液滴，提高推进剂与催化床的有效接触面积，提高推进剂催化燃烧效率。

附图说明

图1为本发明发动机结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。

一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，如图1所示，包括泡沫金属预热器1、控制阀2、旋涡式喷注器3、雾化腔4，催化床5、催化床预热器6和喷管7，泡沫金属预热器1内部设有多孔介质状流体通道，泡沫金属预热器1与控制阀2一端入口连接，控制阀2内部设有推进剂流道，推进剂流道与流体通道相通，控制阀2与雾化腔4之间通过旋涡式喷注器3连接，旋涡式喷注器3内部设有旋涡槽，雾化腔4的另一端与催化床5一端相连，催化床5另一端与喷管7相连，催化床5外壁面设有催化床预热器6，催化床预热器6通电后对催化床5有加热作用。

泡沫金属预热器1中的泡沫金属材料需满足与推进剂的长期相容性要求，且相容性一般不低于3年。泡沫金属材料的流体阻力和孔隙率需要根据加热效率和发动机流量要求进行选配。可以采用镍基金属制成，将其内部流经多孔介质状流体通道的液体推进剂加热至典型温度60℃至80℃。加热的一般原则为预热器出口处推进剂温度尽可能高，且低于推进剂沸点和自分解温度。

控制阀2控制推进剂的通断、且流阻尽可能小，以提高离子液体推进剂的流动性。旋涡式喷注器3内的旋涡槽条数为1-2条，离子液体在流经旋涡槽的过程中将压力能转化为动能，在能量转换的过程中离子液体具备雾化的条件。旋涡式喷注器3下游具备雾化腔4。雾化腔4的主要作用是为推进剂的雾化提高必需的空间，使得推进剂从旋涡式喷注器3的出口处开始，可以经历从连续液膜状态到液滴破碎状态的充分发展，液滴粒径应尽可能小，液滴粒径实测范围在50μm至500μm之间。

催化床5采用催化能力强的小颗粒催化剂，且在催化床5与雾化腔4接触的位置设置耐高温隔离网；在催化床5与喷管7接触的位置设置耐高温隔离网；对催化床内的催化剂小颗粒起到固定作用。离子推进剂液滴经过雾化腔4后与催化床5中的颗粒状催化剂表面接触。催化床5被催化床加热器6预先加热至300℃以上。

一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于，具体步骤为：

1)推进剂从来流方向注入.泡沫金属预热器1。离子液体推进剂的粘度与温度呈现反比例关系，利用预热器提供的热量，提升推进剂温度至60℃至80℃，降低离子液体推进剂的粘度。

2)推进剂通过泡沫金属预热器1，流入控制阀2。控制阀2起到控制推进剂流体通断的作用，随后流入旋涡式喷注器3内部的旋涡槽，利用旋涡式喷注器较高的雾化能力，对离子液体推进剂进行雾化。

3)推进剂通过旋涡式喷注器3的雾化作用，在雾化腔4内进行雾化，成为雾群。

4)成为雾群的离子液体推进剂进入催化床5，催化床通过催化床加热器6进行了预先加热至300℃以上。推进剂在催化床5中进行催化燃烧反应，成为高温高压的燃气。

5)燃气通过喷管7做功，产生推力。

本发明中使用的推进剂可以是由氧化剂(二硝酰胺铵ADN、或硝酸羟铵HAN等)、离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体等)及少量溶剂组成的多组分混合离子液体推进剂。推进剂来流注入压力为1.0MPa～2.0MPa。推进剂质量流量范围为0.5g/s～15g/s。

实施例

本发明的实施步骤如下：

发动机量化参数：离子液体推进剂主要成分：硝酸羟铵、1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯、少量溶剂。

离子推进剂额定喷注压力：1.7MPa

离子推进剂额定流量：3.0g/s

催化床设计燃压：0.5MPa

发动机额定推力:5N

发动机稳态最长连续点火时长：200s。

实施步骤如下：

1、泡沫金属预热器上游推进剂喷注压力为1.7MPa，通过推进剂额定流量3.0g/s选取流体阻力与孔隙率合适的泡沫金属预热器，预热器功率为10w。推进剂以3.0g/s的流量流经泡沫金属预热器后，在预热器出口处推进剂温度为75℃。离子液体推进剂的粘度由20℃时的94.3Pa.s降低为75℃时的21.0Pa.s，流动性得到改善。

2、选取流通能力较强的电磁阀，电磁阀在流量控制过程中只控制推进剂流动过程的通断，不参与推进剂流量压力的调节过程。

3、推进剂通过电磁阀，流入喷注器内的2条旋涡槽，在流经旋涡槽的过程中将压力能转化为动能，并在流入雾化腔后充分雾化，液滴粒径的实测值位于220μm至500μm之间。

4、在推进剂控制阀打开、发动机开始工作之前，催化床被催化床加热器预先加热至350℃，以提高推进剂催化燃烧效率。

5、推进剂液滴流经雾化腔接触到催化床中催化剂颗粒表面后，开始发生催化燃烧反应，燃气通过喷管喷出，产生推力，推力实测值为4.89N。

6、发动机持续稳定工作200s后，控制阀关闭，发动机工作结束，实现了发动机稳态最长连续点火时长200s的工作目标。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于，包括：泡沫金属预热器(1)、控制阀(2)、旋涡式喷注器(3)、催化床(5)、催化床预热器(6)和喷管(7)；泡沫金属预热器(1)内部设有多孔介质状流体通道，泡沫金属预热器(1)与控制阀(2)的入口一端连接，控制阀(2)内部设有推进剂流道，推进剂流道与多孔介质状流体通道相通，控制阀(2)的另一端通过旋涡式喷注器(3)与催化床(5)一端相连，旋涡式喷注器(3)内部设有旋涡槽；催化床(5)另一端与喷管(7)相连，催化床(5)外壁面安装有用于对催化床(5)加热的催化床预热器(6)。

2.如权利要求1所述的一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于：还包括设置在旋涡式喷注器(3)与催化床(5)之间的雾化腔(4)，保证液体推进剂有空间在接触催化床(5)之前充分雾化。

3.如权利要求1或2所述的一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于：泡沫金属预热器(1)采用镍基泡沫金属制成。

4.如权利要求1或2所述的一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于：所述泡沫金属预热器(1)其内部流经多孔介质状流体通道的液体推进剂加热至60℃至80℃。

5.如权利要求2所述的一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于：所述催化床(5)采用催化能力强的小颗粒催化剂，且在催化床(5)与雾化腔(4)接触的位置设置耐高温隔离网。

6.如权利要求5所述的一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于：在催化床(5)与喷管(7)接触的位置设置耐高温隔离网，用于对催化床内的小颗粒催化剂起到固定作用。

7.如权利要求1所述的一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于：发动机工作前，催化床预热器(6)将催化床(5)预先加热至300℃以上。

8.一种利用权利要求2所述发动机进行高粘度离子液体推进剂催化燃烧的方法，其特征在于，具体步骤为：

1)推进剂从来流方向注入泡沫金属预热器(1)；离子液体推进剂的粘度与温度呈现反比例关系，利用泡沫金属预热器(1)提供的热量，提升推进剂温度至60℃至80℃，降低离子液体推进剂的粘度；

2)推进剂通过泡沫金属预热器(1)，流入控制阀(2)；控制阀(2)起到控制推进剂流体通断的作用，随后流入旋涡式喷注器(3)内部的旋涡槽，利用旋涡式喷注器较高的雾化能力，对离子液体推进剂进行雾化；

3)推进剂通过旋涡式喷注器(3)的雾化作用，在雾化腔(4)内进行雾化，成为雾群；

4)成为雾群的离子液体推进剂进入催化床(5)，催化床(5)通过催化床预热器(6)进行预先加热至300℃以上；推进剂在催化床(5)中进行催化燃烧反应，成为高温高压的燃气；

5)燃气通过喷管(7)做功，产生推力。

9.如权利要求8所述的一种进行高粘度离子液体推进剂催化燃烧的方法，其特征在于：推进剂来流注入压力为1.0MPa～2.0MPa。

10.如权利要求8所述的一种进行高粘度离子液体推进剂催化燃烧的方法，其特征在于：推进剂质量流量范围为0.5g/s～15g/s。

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