CN109595097B - 采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机及控制方法，包括头部本体、喷注器、推力室、液氧电磁阀、甲烷电磁阀和火花塞，喷注器通过扩散焊安装在头部本体下端面，推力室通过螺钉安装在喷注器下端面，液氧电磁阀和甲烷电磁阀分别通过螺钉插入式安装在头部本体的左、右侧面，火花塞通过螺纹安装在头部本体上部。本发明的液氧与甲烷发动机，可以解决现有技术中存在的低温姿控发动机预冷困难、低温推进剂在发动机头部容易发生相变的问题，同时具有结构紧凑、操控简单和响应速度快的优点，能够满足姿控动力系统的使用要求。

Description

采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机及控制方法
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机技术领域，具体地，涉及一种采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机及控制方法。
背景技术
高性能、无毒的低温化学推进技术已经成为液体火箭发动机的主流发展方向，基于液氧与甲烷推进剂组合的火箭发动机及其推进系统，因具有最高的综合性能(比冲性能、可重复使用性能、操作维护性和空间长期贮存等)，在运载火箭、空间飞行器、星表基地建设等领域存在广泛的应用前景。对于液氧与甲烷姿控发动机而言，推进剂流量较小容易受热相变，进而会严重影响发动机的工作可靠性。因此，如何保障推进剂的入口条件以及防止低温推进剂在发动机头部发生相变，是低温姿控动力系统及发动机设计的重要内容。另外，相对采用四氧化二氮/肼类燃料组合的常规姿控发动机，液氧与甲烷等低温双组元非自燃推进剂组合的发动机需要专门的点火系统才能实现发动机的点火工作，发动机结构相对比较复杂。因此，如何优化发动机结构设计，减少零件数量，降低结构重量，也是液氧与甲烷姿控发动机顺利工程应用的重要课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机及控制方法。
根据本发明提供的一种采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机，包括头部本体、喷注器、推力室、液氧电磁阀、甲烷电磁阀和火花塞；
所述的喷注器安装在所述的头部本体下端面，所述的推力室安装在所述的喷注器下端面，所述的液氧电磁阀、甲烷电磁阀分别通过螺钉插入式安装在所述的头部本体左侧面、右侧面，所述的火花塞通过螺纹安装在所述的头部本体上部。
优选地，所述的头部本体与所述的液氧电磁阀构成液氧集液环，所述的头部本体与所述的甲烷电磁阀构成甲烷集液环。
优选地，所述的头部本体与所述的喷注器共同构成相互独立的液氧流道和甲烷流道，所述的液氧流道上开设有液氧歧道，所述的甲烷流道上开设有甲烷歧道。
优选地，所述的火花塞的电极深入所述的头部本体和喷注器的内部，并与所述的头部本体和喷注器构成火炬室，所述的液氧歧道位于所述的电极上游，所述的甲烷歧道位于所述的电极下游。
优选地，所述的喷注器与所述的推力室构成燃烧室。
根据本发明提供的一种上述的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机的控制方法，在发动机工作前和两次工作的间隙，液氧和液甲烷分别经所述的液氧进口管和甲烷进口管汇聚在所述的液氧集液环和甲烷集液环中，然后分别打开所述的带阀液氧出口管和带阀甲烷出口管的阀门，低温推进剂通过排放充分冷却所述的头部本体和喷注器，当实时监测的发动机头部温度达到设定值后，分别关闭所述的带阀液氧出口管和带阀甲烷出口管的阀门。
优选地，在发动机工作过程中，分别打开所述的液氧电磁阀和甲烷电磁阀，所述的液氧集液环中的液氧经所述的液氧流道绝大部分充填至所述的喷注器的喷注面板，小部分经所述的液氧歧道在所述的电极上游喷注进入所述的火炬室，并不断蒸发、汽化；所述的甲烷集液环中的液甲烷经所述的甲烷流道绝大部分充填至所述的喷注器的喷注面板，小部分经所述的甲烷歧管在所述的电极下游喷注进入所述的火炬室；所述的电极侧面环形间隙中流动的氧蒸汽被高压电流电离，产生初始火焰核并向下游传播，在所述的电极下游点燃经掺混的氧蒸汽和甲烷形成核心火焰，核心火焰在所述的火炬室中不断地扩散形成点火火炬，点火火炬进入所述的燃烧室中点燃经所述的喷注器喷注、雾化、混合的液氧和甲烷，发动机点火工作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用插入式阀门的结构设计，低温推进剂在发动机工作前和工作间隙时流经头部本体上的推进剂集液环，充分冷却头部本体以及喷注器，防止发动机工作时低温推进剂在发动机头部发生相变，进而提高了发动机的工作可靠性。
2、采用点火器与喷注器一体化集成的结构设计，仅用一对氧/燃电磁阀控制发动机的点火工作，结构紧凑，操作简单，进一步提高了发动机的工作可靠性。
3、插入式阀门的结构设计，最大限度的减小了氧/燃阀后推进剂的滴淌容积，配合快响应电磁阀，发动机具有良好的启动加速性和关机减速性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一提供的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机的结构示意图。
图2为本发明实施例一提供的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机的俯视图。
图3为本发明实施例一提供的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机的工作原理图。
图4为本发明实施例一提供的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机的局部剖视图。
附图标记：
1-头部本体；2-喷注器；3-推力室；4-液氧电磁阀；5-甲烷电磁阀；6-火花塞；7-液氧进口管；8-甲烷进口管；9-带阀液氧出口管；10-带阀甲烷出口管；11-液氧集液环；12-甲烷集液环；13-液氧流道；14-甲烷流道；15-液氧歧道；16-甲烷歧道；17-电极；18-火炬室；19-燃烧室。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明解决现有技术中存在的低温姿控发动机预冷困难、低温推进剂在发动机头部容易发生相变的问题，所述发动机具有结构紧凑、操控简单和响应速度快的优点，能够满足姿控动力系统的使用要求。本发明适用于液氧与甲烷火箭发动机，尤其适用于小推力的姿控发动机，同样也适用于液氧/液氢或液氧/煤油等低温双组元非自燃推进剂组合的火箭发动机。
实施例一：
图1～图4分别为本发明实施例一提供的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机的结构示意图和工作原理图。如图1～图4所示，本发明提供的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机，包括头部本体1、喷注器2、推力室3、液氧电磁阀4、甲烷电磁阀5和火花塞6，所述的喷注器2通过扩散焊安装在所述的头部本体1下端面，所述的推力室3通过螺钉安装在所述的喷注器2下端面，所述的液氧电磁阀4和甲烷电磁阀5分别通过螺钉插入式安装在所述的头部本体1左、右侧面，所述的火花塞6通过螺纹安装在所述的头部本体1上部。
优选地，所述的头部本体1前侧面上分别焊接安装有液氧进口管7和甲烷进口管8，所述的头部本体1后侧面上分别焊接安装有带阀液氧出口管9和带阀甲烷出口管10。
优选地，所述的头部本体1与所述的液氧电磁阀4构成液氧集液环11，所述的头部本体1与所述的甲烷电磁阀5构成甲烷集液环12。
优选地，所述的头部本体1与所述的喷注器2共同构成相互独立的液氧流道13和甲烷流道14，所述的液氧流道13上开设有液氧歧道15，所述的甲烷流道14上开设有甲烷歧道16。
优选地，所述的火花塞6的电极17深入所述的头部本体1和喷注器2的内部，并与所述的头部本体1和喷注器2构成火炬室18，所述的液氧歧道15位于所述的电极17上游，所述的甲烷歧道16位于所述的电极17下游。
优选地，所述的喷注器2与所述的推力室3构成燃烧室19。
本发明提供的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机的工作原理如下：
在发动机工作前和两次工作的间隙，液氧和液甲烷分别经所述的液氧进口管7和甲烷进口管8汇聚在所述的液氧集液环11和甲烷集液环12中，然后分别打开所述的带阀液氧出口管9和带阀甲烷出口管10的阀门，低温推进剂通过排放充分冷却所述的头部本体1和喷注器2，当实时监测的发动机头部温度达到设定值后，分别关闭所述的带阀液氧出口管9和带阀甲烷出口管10的阀门。
在发动机工作过程中，分别打开所述的液氧电磁阀4和甲烷电磁阀5，所述的液氧集液环11中的液氧经所述的液氧流道13绝大部分充填至所述的喷注器2的喷注面板，小部分经所述的液氧歧道15在所述的电极17上游喷注进入所述的火炬室18，并不断蒸发、汽化；所述的甲烷集液环12中的液甲烷经所述的甲烷流道14绝大部分充填至所述的喷注器2的喷注面板，小部分经所述的甲烷歧管16在所述的电极17下游喷注进入所述的火炬室18；所述的电极17侧面环形间隙中流动的氧蒸汽被高压电流电离，产生初始火焰核并向下游传播，在所述的电极17下游点燃经掺混的氧蒸汽和甲烷形成核心火焰，核心火焰在所述的火炬室18中不断地扩散形成点火火炬，点火火炬进入所述的燃烧室19中点燃经所述的喷注器2喷注、雾化、混合的液氧和甲烷，发动机点火工作。
本实施例一提供的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机，具有如下优点：
1、采用插入式阀门的结构设计，低温推进剂在发动机工作前和工作间隙时流经所述的头部本体1上的液氧集液环11和甲烷集液环12，充分冷却所述的头部本体1和喷注器2，防止发动机工作时低温推进剂在发动机头部发生相变，进而提高了发动机的工作可靠性。
2、采用点火器与喷注器一体化集成的结构设计，仅用所述的液氧电磁阀4和甲烷电磁阀5控制发动机的点火工作，结构紧凑，操作简单，进一步提高了发动机的工作可靠性。
3、插入式阀门的结构设计，最大限度的减小了所述的液氧电磁阀4后液氧流道13的容积，以及所述的甲烷电磁阀5后甲烷流道14的容积，发动机具有良好的启动加速性和关机减速性。
本发明适用于液氧与甲烷火箭发动机，尤其适用于小推力的姿控发动机，同样也适用于液氧/液氢或液氧/煤油等低温双组元非自燃推进剂组合的火箭发动机。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机，其特征在于，包括头部本体、喷注器、推力室、液氧电磁阀、甲烷电磁阀和火花塞；
所述的喷注器安装在所述的头部本体下端面，所述的推力室安装在所述的喷注器下端面，所述的液氧电磁阀、甲烷电磁阀分别通过螺钉插入式安装在所述的头部本体左侧面、右侧面，所述的火花塞通过螺纹安装在所述的头部本体上部；
所述的头部本体与所述的液氧电磁阀构成液氧集液环，所述的头部本体与所述的甲烷电磁阀构成甲烷集液环；
所述的头部本体与所述的喷注器共同构成相互独立的液氧流道和甲烷流道，所述的液氧流道上开设有液氧歧道，所述的甲烷流道上开设有甲烷歧道；
所述的火花塞的电极深入所述的头部本体和喷注器的内部，并与所述的头部本体和喷注器构成火炬室，所述的液氧歧道位于所述的电极上游，所述的甲烷歧道位于所述的电极下游；
所述的喷注器与所述的推力室构成燃烧室。
2.一种权利要求1所述的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机的控制方法，其特征在于，在发动机工作前和两次工作的间隙，液氧和液甲烷分别经液氧进口管和甲烷进口管汇聚在所述的液氧集液环和甲烷集液环中，然后分别打开带阀液氧出口管和带阀甲烷出口管的阀门，低温推进剂通过排放充分冷却所述的头部本体和喷注器，当实时监测的发动机头部温度达到设定值后，分别关闭所述的带阀液氧出口管和带阀甲烷出口管的阀门。
3.根据权利要求2所述的采用插入式阀门的液氧与甲烷发动机的控制方法，其特征在于，在发动机工作过程中，分别打开所述的液氧电磁阀和甲烷电磁阀，所述的液氧集液环中的液氧经所述的液氧流道绝大部分充填至所述的喷注器的喷注面板，小部分经所述的液氧歧道在所述的电极上游喷注进入所述的火炬室，并不断蒸发、汽化；所述的甲烷集液环中的液甲烷经所述的甲烷流道绝大部分充填至所述的喷注器的喷注面板，小部分经所述的甲烷歧管在所述的电极下游喷注进入所述的火炬室；所述的电极侧面环形间隙中流动的氧蒸汽被高压电流电离，产生初始火焰核并向下游传播，在所述的电极下游点燃经掺混的氧蒸汽和甲烷形成核心火焰，核心火焰在所述的火炬室中不断地扩散形成点火火炬，点火火炬进入所述的燃烧室中点燃经所述的喷注器喷注、雾化、混合的液氧和甲烷，发动机点火工作；
其中，所述的头部本体与所述的喷注器共同构成相互独立的液氧流道和甲烷流道，所述的液氧流道上开设有液氧歧道，所述的甲烷流道上开设有甲烷歧道；
所述的火花塞的电极深入所述的头部本体和喷注器的内部，并与所述的头部本体和喷注器构成火炬室，所述的液氧歧道位于所述的电极上游，所述的甲烷歧道位于所述的电极下游。
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