CN109595099B - 一种地面试车实验用固液混合发动机 - Google Patents

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Abstract

一种地面试车实验用固液混合发动机，将多个点火头分散埋入前端盖中，并且通过单向爆破片将其密封，当发动机首次点火启动时，通过点火器引燃点火药包，瞬间产生高温高压燃气将单向爆破片冲破并在氧化剂携带作用下进入发动机燃烧室引燃药柱，从而实现发动机点火启动。当切断氧化剂供使得发动机关机，当需要再次启动时，通过次点火器将次点火药包引燃从而冲破爆破片，此时再次打开氧化剂供给阀门，高温燃气随氧化剂流经燃烧室将药柱再次引燃实现发动机多次点火启动。本发明具有发动机多次点火启动功能，通过喷注器将固液混合发动机燃烧效率提高18％，并且无需加工整台发动机，节约了实验成本30％，缩短实验周期1/5。

Description

一种地面试车实验用固液混合发动机
技术领域
本发明涉及固液混合发动机领域，具体是一种地面试车实验用固液混合发动机。
背景技术
固液混合发动机以固体燃料和液体氧化剂作为推进剂，并且燃料和氧化剂分开储存，因此具有使用安全性较高、可推力调节及多次启动、燃气无毒优点，是一种极具发展与应用潜力的航天器动力装置。北京航空航天大学硕士研究生刘汉代在2005年硕士学位论文《标准实验混合固液火箭发动机设计》中提出了一种地面试车实验用固液混合发动机，该发动机由喷注器压紧螺母、射流喷注器、前端盖、预燃室壳体和燃烧室壳体及补燃室壳体一体化、后端盖、喷管、喷管压螺组成，通过加工不同长度的发动机进行地面试车实验，通过多台发动机初步研究了固液混合发动机预燃室壳体、补燃室壳体长度对燃面退移速率和燃烧效率的影响。这种实验发动机多次启动可靠性低，且需加工多台不同尺寸的发动机方可研究发动机预燃室壳体、补燃室壳体长度对发动机特性的影响，这使得发动机结构可调性降低，实验成本较高。
Saffell R,Moser M.GOX/Methane Injector Effects on CombustionEfficiency[C]//Aiaa/asme/sae/asee Joint Propulsion Conference&Exhibit.2008,4952:1-9中提出了一种实验小型固液混合发动机，该固液混合发动机由射流喷注器、燃烧室壳体和喷管组成，将点火头从喷管塞入实现该发动机点火。
目前固液混合发动机存在以下缺陷：1.点火头从喷管塞入，因此无法实现多次点火启动。采用甲烷-氧气点火，增加了点火器复杂性，从而降低了固液混合发动机点火可靠性和安全性；2.发动机预燃室壳体、补燃室壳体与药柱段为一整体，无法在同一台发动机上更换不同长度的预燃室壳体、补燃室壳体，研究预燃室壳体、补燃室壳体长度对发动机燃烧特性影响时需加工多台不同尺寸的实验发动机，从而导致实验成本较高；3.通过螺杆连接，导致发动机装配复杂且气密性及可靠性降低；4.采用直流式射流喷注器，难以改变氧化剂进气方向，使得氧化剂与固体燃料掺混效率低下，燃烧仅在药柱较薄的边界层进行，从而导致燃烧效率较低且难以优化。为增加氧化剂雾化以及与药柱的掺混效果，常采用切向旋流进气，但该方法导致进气管路复杂，且占用空间较大，且难以精确控制进气螺旋角5.采用台阶面固定喷管，使喷管外轮廓的台阶面根部存在加工应力集中，导致发动机试车过程中喷管沿台阶面根部发生断裂。
发明内容
为克服现有技术中存在的结构复杂、可靠性和安全性低、燃烧效率较低且难以优化，以及喷管沿台阶面根部发生断裂的不足，本发明提出了一种地面试车实验用固液混合发动机。
本发明包括前端盖、预燃室壳体、燃烧室壳体、补燃室壳体、后端盖、预燃室绝热层、药柱、喷管、后端盖绝热层、补燃室壳体绝热层、螺旋喷注器芯体和燃烧室绝热层，其中，预燃室壳体的一端和补燃室壳体的一端分别通过螺纹连接在所述燃烧室壳体的两端。所述前端盖与预燃室壳体的另一端螺纹连接；所述后端盖与补燃室壳体的另一端螺纹连接。喷注器压紧螺母的内端装入所述前端盖的中心孔内。在所述补燃室壳体与燃烧室壳体二者配合的端面之间安放有密封垫片；在所述补燃室壳体外圆周表面上安装有测压座，该测压座中心测压孔的中心线与补燃室壳体上测压孔的中心线同轴。所述的燃烧室绝热层位于所述燃烧室壳体内，在该燃烧室绝热层内装填有药柱；所述预燃室绝热层位于预燃室壳体内；所述前端盖的一端套装在所述预燃室壳体另一端的外圆周上，并使二者之间螺纹连接。所述喷注器支撑套位于所述前端盖内，使该喷注器支撑套的外圆周表面与所述前端盖的内圆周表面之间间隙配合，并通过密封圈密封。所述螺旋喷注器芯体焊接固定在所述喷注器支撑套内，组成螺旋喷注器；该螺旋喷注器装入前端盖中。所述喷注器压紧螺母位于所述螺旋喷注器芯体的外端，将该喷注器压紧螺母旋入前端盖内将螺旋喷注器支撑套固定。在所述补燃室壳体内装填有石墨管的补燃室壳体绝热层。后端盖与补燃室壳体衔接端为内端，在该内端一端的内孔中亦装填有石墨管的后端盖绝热层，在后端盖外端的内孔中装填有喷管；
所述药柱的外壁与燃烧室绝热层的内壁之间通过端羟基聚丁二烯粘接，粘接厚度为0.5mm。
所述燃烧室绝热层的外径与燃烧室壳体的内径相同；该燃烧室绝热层的内径与所述预燃室壳体绝热层的内径相同。
所述预燃室壳体的内径与所述燃烧室壳体的内径相同；所述预燃室壳体绝热层的外径与该预燃室壳体的内径相同；所述预燃室壳体绝热层的厚度与所述燃烧室绝热层的厚度相同，均为5～10mm。
所述补燃室壳体绝热层的外径与该补燃室壳体的内径相同，该补燃室壳体绝热层的内径与所述燃烧室绝热层的内径相同。该补燃室壳体绝热层的厚度与后端盖绝热层的厚度相同，均为10～12mm。
在所述端盖外端面上分布有三个点火器安装孔，分别是主点火器安装孔、第二次点火器安装孔和第三次点火器安装孔。各所述点火器安装孔的圆心至所述端盖圆心的距离相等。各所述点火器安装孔均为斜孔，使各点火器安装孔入口端中心点与该点火器安装孔的出口端中心点之间连线与水平面之间有15°的夹角。各点火器安装孔的出口端用单向爆破片密封。所述各点火器安装孔出口端与所述预燃室壳体的氧化剂回流腔室贯通。
所述主点火器安装孔位于所述端盖端面的12点方向，所述第二次点火器安装孔和第三次点火器安装孔分别位于该端盖端面的4点方向和8点方向。所述测压座与主点火器安装孔同处于12点方向；
各点火器安装孔的出口段加工有一台阶面；将单向爆破片放置在该台阶面处，并在该单向爆破片的两侧分别放置有第一紫铜垫圈和第二紫铜垫圈；通过所述单向爆破片将点火器腔室与预燃室壳体的氧化剂回流腔室隔离；并通过所述的第一紫铜垫圈和第二紫铜垫圈分别将各所述点火器腔室和氧化剂回流腔室密封；在所述单向爆破片外端面一侧的点火器腔室内放置有点火药包。
所述后端盖绝热层的轴向长度：喷管的轴向长度＝2:1。
所述螺旋喷注器芯体的外圆周表面加工有多条螺旋槽。螺旋喷注器芯体的螺旋角由螺旋喷注器芯体的外径、导程和线数共同决定，并且满足如下公式(1)
Figure BDA0001870515640000031
式中α为螺旋喷注器螺旋角，Pn为导程，n为螺旋线的线数，D为螺旋喷注器外径。
所述喷注器压紧螺母的内圆周表面为阶梯面，其内端的大直径孔的孔径与所述螺旋喷注器的外径相同，并形成了该喷注器压紧螺母的气流腔室；所述喷注器压紧螺母外端小直径孔的孔径与外接氧化剂的管路连通。
所述预燃室壳体内孔一端的孔径与所述预燃室壳体绝热层的外径相同；该预燃室壳体内孔另一端内孔由等径段和内敛的锥形段组成，并由该等径段和锥形段组成了该预燃室壳体的氧化剂回流腔室。所述锥形段的锥角为70～90°。在所述补燃室壳体外圆周表面中部加工有径向的测压孔，并使该测压孔位于该补燃室壳体横截面的12点。所述后端盖的内孔为锥形孔，并且该锥形孔分为两段，其中与所述补燃室壳体连接一端的锥形孔段与所述后端盖绝热层外轮廓的相适应，另一段的锥形孔段与喷管的外轮廓的相适应。所述后端盖绝热层的锥度为35°。所述喷管采用拉法尔喷管，其扩张比为1:5。
本发明为了实现地面试车实验用固液混合发动机多次点火启动，将多个点火头分散埋入前端盖中，并且通过单向爆破片将其密封，当发动机首次点火启动时，通过点火器引燃点火药包，瞬间产生高温高压燃气将单向爆破片冲破并在氧化剂携带作用下进入发动机燃烧室引燃药柱，从而实现发动机点火启动。当切断氧化剂供使得发动机关机，当需要再次启动时，通过次点火器将次点火药包引燃从而冲破爆破片，此时再次打开氧化剂供给阀门，高温燃气随氧化剂流经燃烧室将药柱再次引燃实现发动机多次点火启动。
本发明是一种可多次启动、壳体分段连接、喷管外轮廓为锥面的地面试车实验用固液混合发动机，其中氧化剂沿轴向螺旋喷注。
本发明将预燃室壳体、燃烧室壳体和补燃室壳体分段加工并通过螺纹连接，只需要加工多个预燃室壳体、补燃室壳体，解决了发动机预燃室壳体、补燃室壳体长度调整困难的问题，且无需加工多台发动机即可完成预燃室壳体、补燃室壳体长度对发动机工作性能影响的研究，发动机尺寸调整灵活方便，同时节约了固液混合发动机研究成本。
本发明解决了氧化剂喷注方向改变困难和雾化困难的问题，并且通过更换不同螺旋角喷注器，可灵活、方便且精确地控制氧化剂喷注螺旋角及供给流线，通过组合式装配解决了因螺旋进气道结构复杂而导致机械加工困难甚至无法加工的的问题，其中导程、螺旋槽大径、小径以及螺旋槽个数是影响喷注器螺旋角的关键因素。
本发明解决了因结构设计使得加工存在应力集中造成喷管工作过程中断裂失效的问题。
本发明解决固液混合发动机多次点火启动困难的问题所采用的技术方案是:发动机前端盖、点火器、爆破片。在前端盖前端面上均匀布置三个点火器安装孔并且在入口端有内螺纹与点火器配合，各所述点火器安装孔均为斜孔，使各点火器安装孔入口端中心点与该点火器安装孔的出口端中心点之间连线与水平面之间有15°的夹角，将点火药包装在孔内，并且个点火孔出口端设置台阶面，在台阶面上沿点火孔出口向入口方向依次防止紫铜垫圈、单向爆破片、紫铜垫圈和点火药包，使用单向爆破片将点火药与预燃室隔开，两个紫铜垫圈分别作为点火器腔室和氧化剂回流腔室的密封件，在各点火器安装孔的入口端分别安装点火器，并将各点火器分别与各点火孔中点火药包的引线接通，将点火器旋入点火器安装孔内，并且使得点火器入口端面压紧单向爆破片前后的紫铜垫圈。当发动机点火时，通过点火器将孔内的点火药引燃，瞬间产生的高温高压燃气将爆破片冲破，此时打开氧化剂供给阀门，高温燃气随氧化剂流经燃烧室将药柱引燃，从而实现发动机点火启动。通过电磁阀切断氧化剂供给，发动机实现关机，一段时间后当发动机需再次启动时只需通过第二个点火器将该第二个点火孔中的点火药包引燃从而冲破爆破片将药柱再次引燃实现发动机再次点火启动。
本发明解决固液混合发动机预燃室壳体、补燃室壳体尺寸变化困难的问题所采用的技术方案是:预燃室壳体、燃烧室壳体、补燃室壳体和石墨垫片，加工不同长度的预燃室壳体、补燃室壳体，通过螺纹与燃烧室壳体连接为一个整体，在研究预燃室壳体、补燃室壳体长度对发动机工作性能影响时，只需要更换不同长度的预燃室壳体、补燃室壳体即可。为了防止螺纹连接处漏气，从而导致高温燃气烧蚀发动机壳体，因此采用2mm后的石墨垫片作为预燃室壳体、补燃室壳体及燃烧室壳体之间连接的密封元件。
本发明解决固液混合发动机氧化剂喷注方向调节及雾化困难和因喷注器结构复杂而导致加工困难及无法加工问题所采用的技术方案是:喷注器芯体、喷注器支撑套，将加工好的喷注器芯体与喷注器支撑套焊接构成一个整体。其中喷注器芯体采用多线螺旋槽，即在喷注器芯体上加工多个螺旋槽，通过调整螺旋线的导程可灵活改变槽的螺旋角，从而精确控制氧化剂喷注流线及旋流角，其中导程、螺旋槽大径及螺旋槽个数是影响喷注器芯体螺旋角的关键因素。
本发明解决喷管固定、密封及应力集中而断裂的问题所采用的技术方案是：将喷管外轮廓加工为锥面，通过锥面固定喷管，同时削除应力集中，在工作过程中通过锥面密封同时分散作用在喷管上的力，从而防止沿喷管外轮廓面漏气及喷管断裂。
与现有技术相比较，本发明具有以下技术特征：
1，前端盖均匀布置多个点火器，采用单向爆破片将点火头封装在前端盖中，将其与预燃室隔离开，发动机多次启动时，依次通过点火器引燃点火药包。
2，将喷注器分为喷注器芯体和喷注器支撑套两部分，喷注器芯体采用螺旋槽，通过调整螺旋线的导程，加工不同螺旋角的喷注器芯体，将喷注器芯体与喷注器支撑套焊接；
3，将发动机预燃室壳体、燃烧室壳体和补燃室壳体分段设计加工并通过螺纹连接，通过替换不同长度的预燃室壳体、补燃室壳体而改变发动机尺寸；
4，将喷管外轮廓加工为锥面，将喷管压螺与后端盖设计为一个整体，喷管压螺内孔设计为与喷管外轮廓可配合的锥面。
本发明所采取的技术具有以下有益效果：
1、通过在前端盖上均匀布置多个点火器，使用单向爆破片将点火头封装在前端盖中，能够实现发动机多次点火启动功能。
2、通过将喷注器分为喷注器芯体和喷注器支撑套分为两部分并通过焊接方式连接，能够解决因喷注器结构复杂而导致加工困难甚至无法加工的问题。本发明中，喷注器芯体流道为螺旋槽，当氧化剂流经该螺旋喷注器后，其流线呈螺旋线，在氧化剂与燃料非预混状态下，旋流流动在发动机燃烧室中产生回流，不仅强化燃烧产物和反应物混合，而且还强化固体燃料分解产生的燃气与氧化剂的掺混，此外，该回流在燃烧室中产生扰动，可削弱热边界层和流动边界层厚度，促进燃气与固体燃料表面的热量传递，提高固体燃料表面温度，强化固体燃料蒸发、热分解及气化燃烧，使用该喷注器可将固液混合发动机燃烧效率提高18％。本发明中的喷注器使得发动机不仅适用于液体氧化剂，也适合于气体氧化剂。
3.通过将发动机预燃室壳体、燃烧室壳体和补燃室壳体分段加工并通过螺纹连接，灵活替换不同尺寸的预燃室壳体和补燃室壳体，研究对发动机燃烧性能的影响规律，而无需加工整台发动机，节约了实验成本30％，缩短实验周期1/5；
4.通过将喷管外轮廓设计为锥面，使得喷管安装简单且保证喷管外轮廓的密封性，同时削弱应力集中，防止工作时喷管碎裂。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A部位的局部放大图；
图3是图1中B部位的局部放大图；
图4是图1的左视图；
图5是图1的俯视图；
图6是喷注器压紧螺母的结构示意图；
图7是前端盖的结构示意图，其中，图7a是主视图，图7b是左视图；
图8是预燃室壳体的结构示意图；
图9是燃烧室壳体的结构示意图；
图10是补燃室壳体的结构示意图；
图11是后端盖的结构示意图；
图12是后端盖绝热层的结构示意图；
图13是喷管的结构示意图；
图14是点火器的结构示意图，其中，图14a是主视图，图14b是左视图。
图中：1.主点火器安装孔；2.前端盖；3.预燃室壳体；4.预燃室壳体绝热层；5.燃烧室壳体；6.药柱；7.补燃室壳体；8.测压座；9.后端盖；10.喷管；11.后端盖绝热层；12.补燃室壳体绝热层；13.螺旋喷注器芯体；14.喷注器压紧螺母；15.密封垫片；16.第二次点火器安装孔；17.第三次点火器安装孔；18.喷注器支撑套；19.燃烧室绝热层；20.点火器；21.点火药包；22.第一紫铜垫圈；23.单向爆破片；24.第二紫铜垫圈。
具体实施方式
所述地面试车实验用固液混合发动机包括前端盖2、预燃室壳体3、燃烧室壳体5、补燃室壳体7和后端盖9，在所述补燃室壳体外圆周表面上安装有测压座8。其中，预燃室壳体的一端和补燃室壳体的一端分别通过螺纹连接在所述燃烧室壳体的两端。所述前端盖与预燃室壳体的另一端螺纹连接；所述后端盖与补燃室壳体的另一端螺纹连接。喷注器压紧螺母14的内端装入所述前端盖2的中心孔内。在所述补燃室壳体与燃烧室壳体二者配合的端面之间安放有密封垫片15，如图2所示。所述密封圈采用石墨制成，厚度为2mm。所述预燃室壳体3和所述补燃室壳体7的轴向长度由确定的实验方案提出。
本实施例还包括预燃室绝热层4、药柱6、喷管10、后端盖绝热层11、补燃室壳体绝热层12、螺旋喷注器芯体13、燃烧室绝热层19和密封垫片15。
所述的燃烧室绝热层19位于所述燃烧室壳体5内，在该燃烧室绝热层内装填有药柱6，药柱6的外壁与燃烧室绝热层19的内壁之间通过端羟基聚丁二烯粘接，粘接厚度为0.5mm。所述燃烧室绝热层19的外径与燃烧室壳体5的内径相同；该燃烧室绝热层的内径与所述预燃室壳体绝热层4的内径相同。
所述预燃室绝热层4位于预燃室壳体3内；该预燃室壳体绝热层为石墨管绝热层或陶瓷管绝热层；本实施例中采用石墨管绝热层。所述预燃室壳体3的内径与所述燃烧室壳体5的内径相同；所述预燃室壳体绝热层4的外径与该预燃室壳体的内径相同；该预燃室壳体绝热层4的厚度与所述燃烧室绝热层19的厚度相同，均为5～10mm，本实施例中，预燃室壳体绝热层的厚度为7.5mm。
所述前端盖2的一端套装在所述预燃室壳体3另一端的外圆周上，并使二者之间螺纹连接。所述喷注器支撑套18位于所述前端盖2内，使该喷注器支撑套的外圆周表面与所述前端盖2的内圆周表面之间间隙配合，并通过密封圈密封。
所述的点火器安装孔分为主点火器安装孔1和次点火器安装孔；所述次点火器安装孔包括第二次点火器安装孔16和第三次点火器安装孔17。
所述螺旋喷注器芯体13焊接固定在所述喷注器支撑套18内，组成螺旋喷注器；该螺旋喷注器装入前端盖中。所述喷注器压紧螺母14位于所述螺旋喷注器芯体13的外端，并将该喷注器压紧螺母旋入前端盖内将螺旋喷注器支撑套固定。
所述三个点火器安装孔均布在所述端盖2外端面上，并使各所述点火器安装孔的圆心至所述端盖圆心的距离相等。所述主点火器安装孔1位于所述端盖端面的12点方向，所述第二次点火器安装孔16和第三次点火器安装孔17分别位于该端盖端面的4点方向和8点方向。各所述点火器安装孔均为斜孔，使各点火器安装孔入口端中心点与该点火器安装孔的出口端中心点之间连线与水平面之间有15°的夹角。
各点火器安装孔的出口段加工有一台阶面。将单向爆破片23放置在该台阶面处，并在该单向爆破片的两侧分别放置有第一紫铜垫圈22和第二紫铜垫圈24；通过所述单向爆破片将点火器腔室与预燃室壳体3的氧化剂回流腔室隔离；并通过所述的第一紫铜垫圈和第二紫铜垫圈分别将各所述点火器腔室和氧化剂回流腔室密封。在所述单向爆破片外端面一侧的点火器腔室内放置有点火药包21。
在所述单向爆破片外端面一侧的点火器腔室内放置有点火药包21。
所述第一紫铜垫圈22和第二紫铜垫圈24均为圆环状，内圆直径与点火器安装孔出口直径相同，外圆直径均与点火器安装孔入口端螺纹小径相同，厚度为2mm。
所述单向爆破片直径与第二紫铜垫圈外径相同，厚度为0.5mm。该单向爆破片的爆破方向为点火器安装孔入口向点火器安装孔出口。
所述点火器20外圆周表面为螺纹面，采用绝缘耐高温的酚醛树脂制成，安装在前端盖2上的点火器安装孔内。所述点火器的内部插有两根铜棒作为电极，在发动机装配时，将点火器安装孔内的点火药包21上的两根引线分别与铜棒电极连接，然后将点火器分别旋入对应的点火器安装孔内，并且使点火器入口端面压紧第一紫铜垫圈22。
所述测压座8焊接在所述补燃室壳体7外圆周表面的顶端，与所述主点火器安装孔17同处于12点方向，使该测压座中心测压孔的中心线与补燃室壳体7上测压孔的中心线同轴。后端盖9的一端装入所述补燃室壳体7外端，并使该后端盖的外圆周表面与所述补燃室壳体的内圆周表面螺纹连接。
在所述补燃室壳体7内装填有石墨管的补燃室壳体绝热层12。在后端盖9与补燃室壳体7衔接端为内端，在该内端一端的内孔中亦装填有石墨管的后端盖绝热层11，在后端盖外端的内孔中装填有喷管10；所述后端盖绝热层的轴向长度：喷管的轴向长度＝2:1。所述补燃室壳体绝热层12的外径与该补燃室壳体的内径相同，该补燃室壳体绝热层的内径与所述燃烧室绝热层19的内径相同。所述补燃室壳体绝热层12的厚度与后端盖绝热层11的厚度相同，均为10～12mm，本实施例中，所述补燃室壳体绝热层的厚度为10mm。
所述螺旋喷注器芯体13是外圆周表面加工有多条螺旋槽的柱体。本实施例中，所述螺旋喷注器芯体表面的螺旋槽为6条，导程为180mm，螺旋角α为62°，各螺旋槽的宽度和深度均为8mm。
所述喷注器压紧螺母14为中空回转体。该喷注器压紧螺母内端的外圆周表面为与前端盖连接的外螺纹；该喷注器压紧螺母外端的外圆周表面均布有四个勾扳手孔，以便于安装/拆卸。所述喷注器压紧螺母的内圆周表面为阶梯面，其内端的大直径孔的孔径与所述螺旋喷注器的外径相同，并形成了该喷注器压紧螺母的气流腔室；所述喷注器压紧螺母外端小直径孔的孔径与外接氧化剂的管路连通。
所述预燃室壳体3为中空回转体。该预燃室壳体外圆周表面的两端均为螺纹面，分别用于连接前端盖2和燃烧室壳体5。在该预燃室壳体外圆周表面的中部均布有四个勾扳手孔。所述预燃室壳体内孔一端的孔径与所述预燃室壳体绝热层4的外径相同；该预燃室壳体内孔另一端内孔由等径段和内敛的锥形段组成，并由该等径段和锥形段组成了该预燃室壳体的氧化剂回流腔室。所述锥形段的锥角为70～90°。本实施例中，所述锥角为80°。
所述燃烧室壳体5内径与燃烧室绝热层19的外径相同。该燃烧室壳体的两端的内表面均为内螺纹面，分别用于连接预燃室壳体3和补燃室壳体7。所述燃烧室壳体外圆周表面的两端分别均布有四个勾扳手孔。
所述补燃室壳体7一端的内表面为与后端盖9连接的螺纹；该补燃室壳体另一端的外圆周表面有与燃烧室壳体连接的外螺纹。在所述补燃室壳体外圆周表面中部加工有径向的测压孔，并使该测压孔位于该补燃室壳体横截面的12点上。测压座8固定在该补燃室壳体的外圆周表面上，并使测压座的内孔与所述测压孔同轴。所述测压座8采用现有技术。
所述后端盖9为中空回转体。该后端盖的内孔为锥形孔，并且该锥形孔分为两段，其中与所述补燃室壳体连接一端的锥形孔段与所述后端盖绝热层11外轮廓的相适应，另一段的锥形孔段与喷管10的外轮廓的相适应。所述两段锥形孔段之间形成的台阶端面用于所述后端盖绝热层11的轴向定位。该后端盖外圆周表面为阶梯状，以减轻该后端盖的重量。该后端盖与所述补燃室壳体连接一端的外圆周表面为螺纹面。
所述后端盖绝热层11为锥形的中空回转体，其锥度为35°。该后端盖绝热层与补燃室壳体绝热层12连接一端的外圆周表面加工有台阶，形成了与该补燃室壳体绝热层配合的止口。所述补燃室壳体绝热层12为中空回转体，与后端盖绝热层连接一端的外圆周表面加工有台阶面。该补燃室壳体绝热层的外径与补燃室壳体的内径相同，该补燃室壳体绝热层的内径与燃烧室绝热层的内径相同。
所述喷管10为中空的锥形回转体，被安装在所述后端盖内。该喷管采用拉法尔喷管，其扩张比为1:5。
本实施例中，在直径为108mm的前端盖上均与布置三个内螺纹M12×1.5的点火器安装孔，分别是主点火器安装孔1、第二次点火器安装孔16和第三次点火器安装孔17；各点火器安装孔内安放有单向爆破片，并在该单向爆破片的两侧分别有第一紫铜垫圈和第二紫铜垫圈，通过该第一紫铜垫圈和第二紫铜垫圈分别将点火器腔室和氧化剂回流腔室密封。将点火药包上的两根引线分别与点火器上的铜棒分别连接，然后将点火器旋入点火器安装孔内，使得点火器入口端面压紧第一紫铜垫圈。将长度为30mm、大径为30mm、小径为14mm、导程为180mm、螺旋角为65°的6线螺旋喷注器装在前端盖上，喷注器与前端盖同轴线并用喷注器压紧螺母将喷注器沿轴向固定，其中喷注器与压螺之间使用2m厚的密封垫片密封。
将前端盖与长度为35mm的预燃室壳体用M98×1.5螺纹连接，在预燃室壳体端面上安装2mm厚的石墨垫片。在预燃室壳体内安装一厚5mm的石墨绝热层，然后将预燃室壳体的另一端与长度为160mm的燃烧室壳体用M98×1.5螺纹连接，其中在预燃室壳体的端面上安装厚2mm的密封垫片。
将长度为160mm、外径为75mm的药柱从燃烧室壳体的另一端装入，并将长度为60mm的补燃室壳体与燃烧室壳体用M98×1.5螺纹连接，在补燃室壳体内安装一厚5mm的石墨绝热层，其中在补燃室壳体的端面上安装厚2mm的密封垫片。将外轮廓锥度为18°长度为32.5mm表面粗糙度为1.6的喷管装入后端盖，并检查喷管与喷管座的配合，将后端盖绝热层装入后端盖，其中在后端盖绝热层与喷管之间装2mm密封垫片，然后将后端盖与补燃室壳体用M98×1.5螺纹连接，其中在后端盖的端面上安装厚2mm的密封垫片。
当根据实验方案的要求，需要更换长度为20mm的预燃室壳体、50mm的补燃室壳体时，拆卸掉原有的预燃室壳体和补燃室壳体，更换新的预燃室壳体和补燃室壳体即可。当发动机首次启动时，通过主点火器安装孔上的点火器将该点火器安装孔中的点火药包引燃，瞬间产生的6.5MPa高温高压燃气将0.5mm单向爆破片冲破，此时打开氧化剂供给阀门，高温燃气随氧化剂流经燃烧室将药柱引燃，从而实现发动机点火启动。
在药柱燃尽前切断氧化剂实现发动机关机，当发动机关机60s后需再次启动时通过第二次点火器安装孔上的点火器将第二次点火器安装孔中的点火药包引燃从而冲破爆破片，同时打开氧化剂供给阀门，高温燃气随氧化剂流经燃烧室将药柱再次引燃实现发动机再次点火启动。当需要第三次启动时通过第三次点火器安装孔上的点火器将第三次点火器安装孔中的点火药包引燃从而冲破爆破片，此时再次打开氧化剂供给阀门，高温燃气随氧化剂流经燃烧室将药柱再次引燃实现发动机多次点火启动。

Claims (10)

1.一种地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，包括前端盖、预燃室壳体、燃烧室壳体、补燃室壳体、后端盖、预燃室绝热层、药柱、喷管、后端盖绝热层、补燃室壳体绝热层、螺旋喷注器芯体和燃烧室绝热层，其中，预燃室壳体的一端和补燃室壳体的一端分别通过螺纹连接在所述燃烧室壳体的两端；所述前端盖与预燃室壳体的另一端螺纹连接；所述后端盖与补燃室壳体的另一端螺纹连接；喷注器压紧螺母的内端装入所述前端盖的中心孔内；在所述补燃室壳体与燃烧室壳体二者配合的端面之间安放有密封垫片；在所述补燃室壳体外圆周表面上安装有测压座，该测压座中心测压孔的中心线与补燃室壳体上测压孔的中心线同轴；所述的燃烧室绝热层位于所述燃烧室壳体内，在该燃烧室绝热层内装填有药柱；所述预燃室绝热层位于预燃室壳体内；所述前端盖的一端套装在所述预燃室壳体另一端的外圆周上，并使二者之间螺纹连接；喷注器支撑套位于所述前端盖内，使该喷注器支撑套的外圆周表面与所述前端盖的内圆周表面之间间隙配合，并通过密封圈密封；螺旋喷注器芯体焊接固定在所述喷注器支撑套内，组成螺旋喷注器；该螺旋喷注器装入前端盖中；所述喷注器压紧螺母位于所述螺旋喷注器芯体的外端，将该喷注器压紧螺母旋入前端盖内将螺旋喷注器支撑套固定；在所述补燃室壳体内装填有石墨管的补燃室壳体绝热层；后端盖与补燃室壳体衔接端为内端，在该内端一端的内孔中亦装填有石墨管的后端盖绝热层，在后端盖外端的内孔中装填有喷管。
2.如权利要求1所述地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，所述药柱的外壁与燃烧室绝热层的内壁之间通过端羟基聚丁二烯粘接，粘接厚度为0.5mm。
3.如权利要求1所述地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，所述燃烧室绝热层的外径与燃烧室壳体的内径相同；该燃烧室绝热层的内径与所述预燃室壳体的内径相同；
所述预燃室壳体的内径与所述燃烧室壳体的内径相同；所述预燃室绝热层的外径与该预燃室壳体的内径相同；所述预燃室绝热层的厚度与所述燃烧室绝热层的厚度相同，均为5～10mm；
所述补燃室壳体绝热层的外径与该补燃室壳体的内径相同，该补燃室壳体绝热层的内径与所述燃烧室绝热层的内径相同；该补燃室壳体绝热层的厚度与后端盖绝热层的厚度相同，均为10～12mm。
4.如权利要求1所述地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，在所述前端盖外端面上分布有三个点火器安装孔，分别是主点火器安装孔、第二次点火器安装孔和第三次点火器安装孔；各所述点火器安装孔的圆心至所述前端盖圆心的距离相等；各所述点火器安装孔均为斜孔，使各点火器安装孔入口端中心点与该点火器安装孔的出口端中心点之间连线与水平面之间有15°的夹角；所述各点火器安装孔出口端与所述预燃室壳体的氧化剂回流腔室贯通。
5.如权利要求4所述地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，所述主点火器安装孔位于所述前端盖端面的12点方向，所述第二次点火器安装孔和第三次点火器安装孔分别位于该前端盖端面的4点方向和8点方向；所述测压座与主点火器安装孔同处于12点方向。
6.如权利要求4所述地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，各点火器安装孔的出口段加工有一台阶面；将单向爆破片放置在该台阶面处，并在该单向爆破片的两侧分别放置有第一紫铜垫圈和第二紫铜垫圈；通过所述单向爆破片将点火器腔室与预燃室壳体的氧化剂回流腔室隔离；并通过所述的第一紫铜垫圈和第二紫铜垫圈分别将各所述点火器腔室和氧化剂回流腔室密封；在所述单向爆破片外端面一侧的点火器腔室内放置有点火药包。
7.如权利要求1所述地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，所述后端盖绝热层的轴向长度：喷管的轴向长度＝2:1。
8.如权利要求1所述地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，所述螺旋喷注器芯体的外圆周表面加工有多条螺旋槽；螺旋喷注器芯体的螺旋角由螺旋喷注器芯体的外径、导程和线数共同决定，并且满足如下公式(1)
Figure FDA0002774404420000021
式中α为螺旋喷注器螺旋角，Pn为导程，n为螺旋线的线数，D为螺旋喷注器外径。
9.如权利要求1所述地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，所述喷注器压紧螺母的内圆周表面为阶梯面，其内端的大直径孔的孔径与所述螺旋喷注器的外径相同，并形成了该喷注器压紧螺母的气流腔室；所述喷注器压紧螺母外端小直径孔的孔径与外接氧化剂的管路连通。
10.如权利要求1所述地面试车实验用固液混合发动机，其特征在于，所述预燃室壳体内孔一端的孔径与所述预燃室绝热层的外径相同；该预燃室壳体内孔另一端内孔由等径段和内敛的锥形段组成，并由该等径段和锥形段组成了该预燃室壳体的氧化剂回流腔室；所述锥形段的锥角为70～90°；在所述补燃室壳体外圆周表面中部加工有径向的测压孔，并使该补燃室壳体上测压孔位于该补燃室壳体横截面的12点；所述后端盖的内孔为锥形孔，并且该锥形孔分为两段，其中与所述补燃室壳体连接一端的锥形孔段与所述后端盖绝热层外轮廓的相适应，另一段的锥形孔段与喷管的外轮廓的相适应；所述后端盖绝热层的锥度为35°；所述喷管采用拉法尔喷管，其扩张比为1:5。
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