CN110700965A - 一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器及其使用方法，以填补现有技术中缺少一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的空白。该喷注器包括：一空心腔体，其外壁为外壳，其内部从上至下设置有四个相互隔离的腔室，即推进剂收集腔A～D；四个推进剂入口，从上之下分别设置于每个腔室与外壳相临的外壁上，即推进剂入口A～D，作为将推进剂注入对应腔室的入口；四个控制阀门，分别设置于推进剂入口A～D的入口处，用于控制每个入口的开闭；至少一个复合喷嘴，竖直设置于外壳内，复合喷嘴内设有四条相互隔离的喷射通道，四条喷射通道的入口分别与推进剂收集腔A～D连通，四条喷射通道的出口设置于外壳的底部。

Description

一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器及其使用方法

【技术领域】

本发明属于液体火箭发动机推进技术领域，具体涉及一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器及其使用方法。

【背景技术】

在可重复使用液体火箭发动机以及火箭基组合循环(Rocket-based CombinedCycle，RBCC)推进技术高速发展的背景下，实现大范围流量及混合比调节已经成为了以上两种推进技术的关键。对于可重复使用液体火箭发动机，考虑到其在发射及回收过程中载荷的不同，发动机所提供推力在两个阶段也会大不相同。这就需要发动机的喷注器能够实现大范围的流量调节，同时，该喷注器还需要保证推进剂具有较好的雾化掺混效果；RBCC作为一种非常前沿的推进技术，由于其宽范围工作的技术要求，这就要求其内部组件之一的一次火箭的喷注器能够在整个工作范围内实现大流量至小流量再到大流量喷注的变化，并且在变化的过程中还需要保证推进剂的掺混雾化效果。故而，设计一个兼顾大范围流量、混合比调节以及在不同流量、混合比下雾化、掺混效果好且结构简单的喷注器对可重复使用液体火箭发动机及RBCC发动机的工作性能而言具有极为重要的意义。

目前，用于可重复使用液体火箭发动机中的针栓式喷注器需要引入额外的机械结构对针栓的位置进行调节才能够实现流量调节的目的；而RBCC一次火箭发动机则采用几何结构固定的单喷嘴喷注器，通过调节喷嘴压降来实现变工况，此调节方案虽然结构简单但却对供应系统提出了更高的要求。受推进剂入口压力限制，其调节比约为1/3—1/2，无法满足大范围变工况的任务需求。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器及其使用方法，以填补现有技术中缺少一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的空白。

本发明采用以下技术方案：一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器，其特征在于，包括：

一空心腔体，其外壁为外壳，其内部从上至下设置有四个相互隔离的腔室，即推进剂收集腔A～D；

四个推进剂入口，从上之下分别设置于每个腔室与外壳相临的外壁上，即推进剂入口A～D，作为将推进剂注入对应腔室的入口；

四个控制阀门，分别设置于推进剂入口A～D的入口处，用于控制每个入口的开闭；

至少一个复合喷嘴，竖直设置于外壳内，复合喷嘴内设有四条相互隔离的喷射通道，四条喷射通道的入口分别与推进剂收集腔A～D连通，四条喷射通道的出口设置于外壳的底部。

进一步的，推进剂收集腔A～D，按照从上至下的顺序，依次设置为氧化剂腔、燃料腔、氧化剂腔和燃料腔，或者燃料腔、氧化剂腔、燃料腔和氧化剂腔。

进一步的，位于喷注器的轴心，和/或，围绕轴心均匀布置多个复合喷嘴。

进一步的，复合喷嘴，包括：

喷嘴一级通道，为柱形通道A，其入口与推进剂收集腔A连通，其出口即为喷嘴出口A；

喷嘴二级通道，为围绕柱形通道A设置的环形通道B，其入口与推进剂收集腔B连通，其出口即为喷嘴出口B；

喷嘴三级通道，为围绕柱形通道B设置的环形通道C，其入口与推进剂收集腔C连通，其出口即为喷嘴出口C；

喷嘴四级通道，为围绕柱形通道C设置的环形通道D，其入口与推进剂收集腔D连通，其出口即为喷嘴出口D。

进一步的，复合喷嘴，包括：

一级喷嘴，由一级上圆柱体和一级下圆柱体上下连接而成，沿其轴线方向上设有柱形通道A，柱形通道A的入口与推进剂收集腔A连通，柱形通道A的出口即为喷嘴出口A；

二级喷嘴，由二级上空心圆柱体和二级下空心圆柱体上下连接而成，二级上空心圆柱体可拆卸套装在一级上圆柱体外部，二级下空心圆柱体套在一级下圆柱体的外部，二级下空心圆柱体的外壁内设有环形通道B，其入口与推进剂收集腔 B连通，其出口即为喷嘴出口B；

三级喷嘴，由三级上空心圆柱体和三级下空心圆柱体上下连接而成，三级上空心圆柱体可拆卸套装在二级上圆柱体外部，三级下空心圆柱体套在二级下圆柱体的外部，三级下空心圆柱体的外壁内设有环形通道C，其入口与推进剂收集腔 C连通，其出口即为喷嘴出口C；

四级喷嘴，由四级上空心圆柱体和四级下空心圆柱体上下连接而成，四级上空心圆柱体可拆卸套装在三级上圆柱体外部，四级下空心圆柱体套在三级下圆柱体的外部，四级下空心圆柱体的外壁内设有环形通道D，其入口与推进剂收集腔 D连通，其出口即为喷嘴出口D。

本发明采用的第二种技术方案是一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的使用方法，采用燃料从推进剂入口B和推进剂入口D进入，氧化剂从推进剂入口A和推进剂入口C进的策略，假定初始工况为氧化剂与燃料各从一个喷嘴出口喷出，且两个喷嘴压降适中，此工况记为工况A；

在此工况A下，控制阀门A与开通，此时，氧化剂与燃料分别从喷嘴出口C 与喷嘴出口D流出；此时，单个复合喷嘴出口只有一个掺混面，掺混效果与普通同轴剪切喷嘴类似；

其中，控制阀门A与控制阀门C的功能等价，也可以关闭C；控制阀门B与控制阀门D功能等价，也可以关闭控制阀门D，仅有推进剂入口C与推进剂入口D。

进一步的，当火箭工况需要进行大范围流量上调而保证氧燃比不变时，即从工况A变为工况B，工况B的总流量至少为工况A的200％，氧燃比相同；

控制阀门A与控制阀门B打开，此时，四个推进剂入口均打开，此时，推进剂从喷嘴出口A、喷嘴出口B、喷嘴出口C和喷嘴出口D流出。

进一步的，当火箭工况需要进行大范围流量下调而保证氧燃比不变时，即从工况A变为工况C，工况C的总流量低于工况A的50％，氧燃比相同；

使用调节喷嘴入口压力的方法进行流量调节；氧化剂与燃料仍然分别从喷嘴出口C与喷嘴出口D流出，工况B的喷嘴压降约为0.5MPa。

进一步的，当火箭工况需要保持总流量不变，只进行氧燃比上调时，即从工况A变为工况D，工况D的总流量与工况A相同，工况D的氧燃比至少为工况 A 280％；

打开控制阀门A和控制阀门B，同时关闭控制阀门D，此时，有推进剂入口 A、推进剂入口B、推进剂入口C开通，此时，推进剂分别从喷嘴出口A、喷嘴出口B和喷嘴出口C流出。

进一步的，当火箭工况需要保持总流量不变，只进行氧燃比下调时，即从工况A变为工况E，工况E的总流量与工况A相同，工况E的氧燃比至少低于工况A的50％；

此时，开通的是推进剂入口B、推进剂入口C、推进剂入口D，推进剂从喷嘴出口B、喷嘴出口C和喷嘴出口D流出。

本发明的有益效果是：结合同轴喷嘴工作稳定可靠及掺混效果好的特点，并保留同轴喷嘴的掺混特性，通过引入嵌套的四级喷嘴结构，完成了在供应系统输出压力不变的情况下，完成氧燃比的大范围调整；并且能够保证针对同轴剪切喷嘴所研究得来的性能分析可以完全适用在该喷嘴的设计上；此外，由于四级嵌套结构的引入，导致推进剂从喷嘴喷出后掺混面积增加，掺混效果增加。

【附图说明】

图1为本发明一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的发动机的结构示意图；

图2为本发明一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的喷注器的结构示意图；

图3为本发明一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的喷嘴的位置布置示意图；

图4为本发明一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的喷嘴结构示意图；

图5为本发明一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的一级喷嘴结构示意图；

图6为本发明一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的二级喷嘴结构示意图；

图7为本发明一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的三级喷嘴结构示意图；

图8为本发明一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的四级喷嘴结构示意图。

其中，1、控制阀门A；2、控制阀门C；3、发动机；4、控制阀门D；5、控制阀门B；6、喷注器外壳；7、喷注器隔板；8、复合喷嘴；9、一级喷嘴；10、二级喷嘴；11、密封垫片；12、三级喷嘴；13、四级喷嘴；14、推进剂入口A； 15、推进剂入口B；16、推进剂入口C；17、推进剂入口D；18、推进剂收集腔 A；19、推进剂收集腔B；20、推进剂收集腔C；21、推进剂收集腔D；22、喷嘴出口A；23、喷嘴出口B；24、喷嘴出口C；25、喷嘴出口D；

91.一级上圆柱体，92.一级下圆柱体，101.二级上空心圆柱体，102.二级下空心圆柱体，121.三级上空心圆柱体，122.三级下空心圆柱体，131.四级上空心圆柱体，132.四级下空心圆柱体。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一、本发明提供了一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器，如图1和图 2所示，包括处于氧化剂/燃料供应路的控制阀门，阀门通过焊接管路或采用标准接头与头部喷注器连接；喷注器内分为四个腔，处于火箭发动机的顶部；喷注器内套有多个喷嘴，喷嘴的每一个出口与喷注器内的一个腔相连接，但与其他腔不通。

具体包括的结构如下：

1、空心腔体，其外壁为外壳6，其内部从上至下设置有四个相互隔离的腔室，即推进剂收集腔A～D(18、19、20、21)。如图2所示，喷注器腔体采用隔板隔开，且隔板与外壳使用焊接相连，喷注器底板也与外壳通过焊接相连。喷嘴在保证各级通道入口与各级腔体相连后，也使用焊接方法进行喷嘴与隔板的固定。

该推进剂收集腔A～D(18、19、20、21)，按照从上至下的顺序，依次设置为氧化剂腔、燃料腔、氧化剂腔和燃料腔，或者燃料腔、氧化剂腔、燃料腔和氧化剂腔。对于推进剂中包含液相的组合，应尽量保证液体推进剂处于最底层的腔内，从而达到较为良好的喷注器热防护作用，喷注器的四个腔分别与四路管道相连，且每一路管道上均有能够控制管路开关的阀门。

2、四个推进剂入口，从上之下分别设置于每个腔室与外壳6相临的外壁上，即推进剂入口A～D(14、15、16、17)，作为将推进剂注入对应腔室的入口。

3、四个控制阀门，分别设置于推进剂入口A～D(14、15、16、17)的入口处，用于控制每个入口的开闭。

4、至少一个复合喷嘴8，竖直设置于外壳6内，复合喷嘴(8内设有四条相互隔离的喷射通道，四条喷射通道的入口分别与推进剂收集腔A～D(18、19、20、 21)连通，四条喷射通道的出口设置于外壳6的底部。喷嘴与喷注器的连接顺序依次是，焊接一级隔板并形成一级腔体后，将喷嘴置入喷注器一级隔板的预留安装孔内，调节喷嘴一级通道进口至只与一级腔体相连后，在一级隔板下表面进行焊接；随后焊接二级隔板，形成二级腔体，保证喷嘴二级通道进口仅与二级腔体相连后，进行焊接，如此这般，依次完成四级隔板的焊接。

如图3所示，多个复合喷嘴8可以位于喷注器的轴心，和/或，围绕轴心均匀布置。喷嘴包括一个圆形通道及三个环形通道，四个通道出口均位于，一级通道即圆形通道，在顶端开有进口，二、三、四级通道分别在侧向开有进口，且均为环形出口，四个通道的出口均位于底端，且四个通道分别于喷注器的一至四层腔体连通。

该复合喷嘴8包括：喷嘴一级通道，为柱形通道A，其入口与推进剂收集腔 A21连通，其出口即为喷嘴出口A22；喷嘴二级通道，为围绕柱形通道A设置的环形通道B，其入口与推进剂收集腔B19连通，其出口即为喷嘴出口B23；喷嘴三级通道，为围绕柱形通道B设置的环形通道C，其入口与推进剂收集腔C20 连通，其出口即为喷嘴出口C24；喷嘴四级通道，为围绕柱形通道C设置的环形通道D，其入口与推进剂收集腔D21连通，其出口即为喷嘴出口D25。

如图4所示，该复合喷嘴8包括从上至下依次套装的一级喷嘴9、二级喷嘴 10、三级喷嘴12和四级喷嘴13，即形成四个环形通道形式的喷嘴出口22-25。

该复合喷嘴8具体可以按照如下结构设置：

一级喷嘴9，如图6所示，由一级上圆柱体91和一级下圆柱体92上下连接而成，沿其轴线方向上设有柱形通道A，柱形通道A的入口与推进剂收集腔A 连通，柱形通道A的出口即为喷嘴出口A22；二级喷嘴10，如图7所示，由二级上空心圆柱体101和二级下空心圆柱体102上下连接而成，二级上空心圆柱体 101可拆卸套装在一级上圆柱体91外部，二级下空心圆柱体102套在一级下圆柱体92的外部，二级下空心圆柱体102的外壁内设有环形通道B，其入口与推进剂收集腔B连通，其出口即为喷嘴出口B23；三级喷嘴12，如图8所示，由三级上空心圆柱体121和三级下空心圆柱体122上下连接而成，三级上空心圆柱体 121可拆卸套装在二级上圆柱体外部，三级下空心圆柱体122套在二级下圆柱体的外部，三级下空心圆柱体122的外壁内设有环形通道C，其入口与推进剂收集腔C连通，其出口即为喷嘴出口C24；四级喷嘴13，如图8所示，由四级上空心圆柱体131和四级下空心圆柱体132上下连接而成，四级上空心圆柱体131可拆卸套装在三级上圆柱体外部，四级下空心圆柱体132套在三级下圆柱体的外部，四级下空心圆柱体132的外壁内设有环形通道D，其入口与推进剂收集腔D连通，其出口即为喷嘴出口D25。

该复合喷嘴8共有四级通道，由四级喷嘴外壳及三个紫铜垫片组成。一级喷嘴外壳中心为圆孔，外部从上到下依次是：顶端为六棱柱结构便于加持安装，其下为螺纹结构便于与二级喷嘴外壳连接，其下为厚度较薄的圆筒壳体，筒壁厚度在1mm左右。二级喷嘴与三级喷嘴结构基本相同，内部从上至下依次是螺纹结构，便于与上级喷嘴连接，其下是直圆柱孔，孔直径略大于一级喷嘴下层圆柱壳体的外径，外部从上至下依次是六棱柱结构，便于加持，圆柱结构，便于与喷注器隔板焊接，二级三级通道进口，螺纹结构，便于与下级喷嘴相连，其下是薄壁圆筒段，该圆筒内表面与上级喷嘴外壳圆筒段外表面共同形成该级喷嘴的出口通道，三级喷嘴圆筒段较二级喷嘴圆筒段略短。

四级喷嘴结构外部结构仅为圆柱状，内部结构与二、三级喷嘴外壳形状相同，但薄壁圆筒段只保留内部通道尺寸。二三四级喷嘴通道的进口均在各级喷嘴外壳的内部螺纹结构下端，外部螺纹结构上端。各级喷嘴依靠挤压之间的紫铜垫片完成不同通道之间的隔离，在进行生产时，也可以忽略螺纹连接结构及紫铜垫片，采用焊接的方式，完成各级喷嘴通道之间的隔离。在工作过程中，通过开关一、二级供应路通道的阀门，可以保证供应系统输出压力不变的情况下，完成在设计氧燃比1：2至2：1之间的转换，并能够调节喷嘴喷出流量为最大流量的1/2与 3/4。

本发明还提供了一种发动机，其顶部设有上述的一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器。

二、本发明的一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的一种安装方法为：

首先，喷注器外壳6与管道及阀门的连接可以使用焊接的方法，且不存在安装顺序，仅需要保证焊接强度满足要求即可；而需要着重主要的则是复合喷嘴8、各级喷注器隔板7与喷注器外壳6的连接，以及复合喷嘴8的安装过程；

复合喷嘴8是分级进行安装的，首先，在一级喷嘴9与二级喷嘴10之间放置密封垫片11,然后将一级喷嘴9的外螺纹与二级喷嘴10的内螺纹之间拧紧，完成此两级喷嘴的连接与密封；随后，按照如此安装方法，依次装上三级喷嘴12与四级喷嘴13。

或者，可以将上级喷嘴的外螺纹与下级喷嘴的内螺纹换成间隙配合的光轴、光孔结构、安装之后使用焊接的方法完成连接。

喷注器的安装过程如下：

首先，取一个喷注器隔板7置于喷注器外壳6之中，待形成推进剂收集腔A18 之后，使用焊接的手法将二者连接起来；

将复合喷嘴8置于喷注器隔板7上预留的孔内,调节位置使得推进剂收集腔 A18仅与喷嘴出口A22相连时，利用焊接的方法将二者相连，并保证焊缝密封良好；

再取一个喷注器隔板7放入喷注器外壳6之中，其上亦开有位置相同的孔可以套过复合喷嘴8,此时，移动喷注器隔板7形成推进剂收集腔B19，并保证推进剂收集腔B19仅与喷嘴出口B23相连，此时，利用焊接完成连接并保证密封；

重复上述过程，完成另外两个喷注器隔板7的焊接；

此时，喷注器组装完成。

本发明的一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的另一种安装方法为：

首先，使用与方法1相同的办法，完成第一个喷注器隔板7的焊接，并完成复合喷嘴8中的一级喷嘴9与二级喷嘴10的连接此时不使用焊接方法；随后，完成喷注器隔板7与前两级喷嘴的焊接；

将密封垫片11套在二级喷嘴10上，并完成三级喷嘴12与二级喷嘴10的连接；

按照安装方法1中提到的方法，完成二级喷注器隔板7的安装；

将密封垫片11套在三级喷嘴12上，并完成四级喷嘴13与二级喷嘴12的连接；

按照安装方法1中提到的方法，完成三、四级喷注器隔板7的安装；

此时，喷注器组装完成。

喷注器与发动机的连接可以使用较为常用的法兰连接或是焊接的方法。

三、本发明一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的使用方法为：

采用燃料从推进剂入口B15和推进剂入口D17进入，氧化剂从推进剂入口 A14和推进剂入口C16进的策略，假定初始工况为氧化剂与燃料各从一个喷嘴出口喷出，且两个喷嘴压降适中，即最好在1MPa左右。此工况记为工况A。

在此工况A下，控制阀门A1与开通，此时，氧化剂与燃料分别从喷嘴出口 C24与喷嘴出口D25流出；此时，单个复合喷嘴出口只有一个掺混面，掺混效果与普通同轴剪切喷嘴类似。

其中，控制阀门A1与控制阀门C2的功能等价，也可以关闭C2。控制阀门 B5与控制阀门D4功能等价，也可以关闭控制阀门D4，仅有推进剂入口C16与推进剂入口D17。

当火箭工况需要进行大范围流量上调而保证氧燃比不变时，即从工况A变为工况B。工况B的总流量为工况A的数倍，可高于工况A200％，氧燃比相同。控制阀门A1与控制阀门B5打开，此时，四个推进剂入口均打开，此时，推进剂从喷嘴出口A22、喷嘴出口B23、喷嘴出口C24和喷嘴出口D25流出；此时将出现三个掺混面，掺混效果更加突出。

当火箭工况需要进行大范围流量下调而保证氧燃比不变时，即从工况A变为工况C。工况C的总流量为工况A的一部分，可低于工况A的50％，氧燃比相同。此时，使用调节喷嘴入口压力的方法，进行流量调节。此时，氧化剂与燃料仍然分别从喷嘴出口C24与喷嘴出口D25流出，但由于喷嘴出口压降降低，掺混效果将低于工况A，考虑到工况A设计要求达到1MPa以上，故而工况B的喷嘴压降约为0.5MPa，也能够保证掺混雾化效果。

当火箭工况需要保持总流量不变，只进行氧燃比上调时，即从工况A变为工况D。工况D的总流量与工况A相同，工况D的氧燃比为工况A的数倍，可以达到工况A的280％，甚至更高。打开控制阀门A1和控制阀门B5，同时关闭控制阀门D4，此时，有推进剂入口A14、推进剂入口B15、推进剂入口C16开通，此时，推进剂分别从喷嘴出口A22、喷嘴出口B23和喷嘴出口C24流出；此时，单个复合喷嘴出口出现两个掺混面，掺混效果将高于普通同轴喷嘴的掺混效果。

当火箭工况需要保持总流量不变，只进行氧燃比下调时，即从工况A变为工况E。工况E的总流量与工况A相同，工况E的氧燃比为工况A的50％，乃至更低。此时，开通的是推进剂入口B15、推进剂入口C16、推进剂入口D17，推进剂从喷嘴出口B23、喷嘴出口C24和喷嘴出口D25流出；而且此时，单个复合喷嘴出口依旧出现两个掺混面，掺混效果将高于普通同轴喷嘴的掺混效果。

实施例

采用气氧/煤油推进组合，并初步确定发动机流量按以下工况进行调节。

如前，现有资料表明结构固定的单喷嘴喷注器能达到的最大流量调节比约3： 1，也就是说采用单喷嘴喷注器不能满足所要求的流量范围。而采用本发明可较容易地满足所要求的流量范围。

考虑此次使用推进剂为气氧煤油推进组合，考虑到对喷注器下表面的热防护，采用煤油从推进剂入口B和推进剂入口D进，氧气从推进剂入口A和推进剂入口C进的策略；初步设计时，采用煤油的两个入口所进流量相同，氧气的两个入口所进流量相同的设计方案，实际过程中，可进行改进，如需要增强喷注器底面热防护效果，可增加推进剂入口D的流量。

故而分析得，此次设计依据工况3进行设计，液体直流喷嘴设计：

由液体直流喷嘴流量公式可得喷嘴出口面积，

其中，煤油的密度ρ_l＝934kg/m³，取喷嘴压降ΔP_l＝1.2MPa，取流量系数μ＝0.8。

气体直流喷嘴设计：

气体直流喷嘴的质量流量方程为：

式中：

为气体流量，μ为流量系数，w₂为气体的喷出速度，A_n为喷嘴出口面积，ρ₂为喷嘴出口气体密度，

气体的喷出速度为：

根据状态方程P_in＝ρ_inR_gT_in，气体直流喷嘴的出口面积，

其中，取流量系数μ＝0.8，多变指数γ＝1.4，喷嘴入口密度ρ_in＝31.5kg/m³，喷嘴压降ΔP_g＝1.6MPa。计算得喷嘴面积是69mm²。

对应个喷嘴出口尺寸(取喷嘴出口处壁厚为1mm)为：

喷嘴出口标号	尺寸/mm
		A	直径：9.4
B	内径：11.4外径：11.7
		C	内径：13.7外径：16.6
D	内径：18.6外径：18.9

由发动机流量公式

可知，当燃烧室喉部面积确定时，燃烧室的压强与流量成正相关。

不同工况下，各喷嘴的压降如下，从压降的值可以看出，该工况下的设计是能够满足通常的掺混要求的，即压降基本大于0.5MPa

以工况3为初始工况，在此工况下，控制阀门A1与控制阀门B5关闭，仅有推进剂入口C16与推进剂入口D17开通，此时，流出喷嘴出口C24与喷嘴出口 D25的流量分别为462g/s和178g/s；此时，单个复合喷嘴出口只有一个掺混面，掺混效果与普通同轴剪切喷嘴类似；

当火箭工况由3转向1时，此时，使用调节喷嘴入口压力的方法，进行流量调节，此时，流出喷嘴出口C24与喷嘴出口D25的流量分别为231g/s和89g/s；

当火箭工况由3转向2时，即保持总流量不变，只进行氧燃比调节时，打开控制阀门A1和控制阀门B5，同时关闭控制阀门D4，此时，有推进剂入口A14、推进剂入口B15、推进剂入口C16开通，此时，流出喷嘴出口A22、喷嘴出口 B23和喷嘴出口C24的流量分别是275.5g/s、89g/s以及275.5g/s(流量数值上的变化通过微调喷嘴入口压力进行调整)；此时，单个复合喷嘴出口出现两个掺混面，掺混效果将高于普通同轴喷嘴的掺混效果；

当火箭工况由3转向4时，即开启控制阀门B5，此时，开通的是推进剂入口 B15、推进剂入口C16、推进剂入口D17，流出喷嘴出口B23、喷嘴出口C24和喷嘴出口D25的流量分别是133.5g/s、373g/s以及133.5g/s,流量上的变化依旧是通过调节喷嘴入口压力实现；而且此时，单个复合喷嘴出口依旧出现两个掺混面，掺混效果将高于普通同轴喷嘴的掺混效果；

当火箭工况由3转向5时，控制阀门A1与控制阀门B5打开，此时，四个推进剂入口均打开，此时，流出喷嘴出口A22、喷嘴出口B23、喷嘴出口C24和喷嘴出口B23的流量分别为462g/s、178g/s、462g/s和178g/s；此时将出现三个掺混面，掺混效果更加突出。

从以上的四个工况转化情况可以看出，该喷注器设计能够在保证完成流量与氧燃比大范围变化的情况下，还能起到提高掺混效果的作用。此外，从各个工况下的喷嘴压降可以看出，均分流量的方法不是最优的设计方法，在设计时，可以选择适当缩小喷嘴出口C24的面积，并分一部分流量至喷嘴出口A22，而对于喷嘴出口B23、喷嘴出口D25，则可以适当缩小二者面积并保证流量不变。

本发明最主要特点在于其单个喷嘴单元有多个推进剂出口，且每个推进剂出口都有一路阀门控制其开关及流量调节，因而在使用的过程中，可以通过直接控制阀门的开关来控制是否有推进剂从喷嘴出口流出。并且每个喷嘴出口均可以按照正常的调节喷嘴压降的方法调节推进剂流量，在此基础上，通过控制对相关喷嘴出口阀门的控制，来实现在制定工况下，只有预定的喷嘴出口工作，进而可以保证快速的大范围调节流量及氧燃比的作用。如在正常的工作工况下设计一个燃料喷嘴出口的面积一级一个氧化剂喷嘴出口的面积，而另外的燃料与氧化剂喷嘴出口面积与之相同，此情况下，如果发动机在仅打开了一路燃料喷嘴出口与一路氧化剂出口的条件下工作，当其打开另外两路的阀门时，则流量将成为原来的2 倍，如果仅多打开一路氧化剂喷嘴出口的控制阀门或者燃料喷嘴出口的控制阀门，则氧燃比可以变为原先的200％或50％。

本发明所带来的另一个好处在于，由于控制阀门可以实现流量的翻倍，故而在设计时，可以针对火箭供应流量的最大值的一半设计，并且设计时将喷嘴压降选取的较大，如此一来，在保证阀门不动的情况下，利用调节喷嘴压降降低发动机流量，也可以在能够确保掺混效果的情况下，完成流量50％甚至更低的调节。

另外，此发明还保留了传统的喷注器布局方法，方便设计人员根据实际要求设计喷嘴分布。完成了喷注器上喷嘴分布与流量调节的去耦合。如果在原有的基础上实现上述功能，需要喷注器能够实现区域喷嘴开关的控制，即关闭一部分区域上的喷嘴，如此即增加了喷注器设计及安装的困难，又需要考虑关闭后的掺混雾化效果受到的影响，增加了设计难度。

Claims (10)

1.一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器，其特征在于，包括：

一空心腔体，其外壁为外壳(6)，其内部从上至下设置有四个相互隔离的腔室，即推进剂收集腔A～D(18、19、20、21)；

四个推进剂入口，从上之下分别设置于每个腔室与所述外壳(6)相临的外壁上，即推进剂入口A～D(14、15、16、17)，作为将推进剂注入对应腔室的入口；

四个控制阀门，分别设置于所述推进剂入口A～D(14、15、16、17)的入口处，用于控制每个入口的开闭；

至少一个复合喷嘴(8)，竖直设置于所述外壳(6)内，所述复合喷嘴(8)内设有四条相互隔离的喷射通道，四条所述喷射通道的入口分别与所述推进剂收集腔A～D(18、19、20、21)连通，四条所述喷射通道的出口设置于所述外壳(6)的底部。

2.如权利要求1所述的一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器，其特征在于，所述推进剂收集腔A～D(18、19、20、21)，按照从上至下的顺序，依次设置为氧化剂腔、燃料腔、氧化剂腔和燃料腔，或者燃料腔、氧化剂腔、燃料腔和氧化剂腔。

3.如权利要求1或2所述的一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器，其特征在于，位于所述喷注器的轴心，和/或，围绕所述轴心均匀布置多个所述复合喷嘴(8)。

4.如权利要求3所述的一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器，其特征在于，所述复合喷嘴(8)，包括：

喷嘴一级通道，为柱形通道A，其入口与所述推进剂收集腔A(21)连通，其出口即为喷嘴出口A(22)；

喷嘴二级通道，为围绕所述柱形通道A设置的环形通道B，其入口与所述推进剂收集腔B(19)连通，其出口即为喷嘴出口B(23)；

喷嘴三级通道，为围绕所述柱形通道B设置的环形通道C，其入口与所述推进剂收集腔C(20)连通，其出口即为喷嘴出口C(24)；

喷嘴四级通道，为围绕所述柱形通道C设置的环形通道D，其入口与所述推进剂收集腔D(21)连通，其出口即为喷嘴出口D(25)。

5.如权利要求3所述的一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器，其特征在于，所述复合喷嘴(8)，包括：

一级喷嘴(9)，由一级上圆柱体(91)和一级下圆柱体(92)上下连接而成，沿其轴线方向上设有柱形通道A，所述柱形通道A的入口与所述推进剂收集腔A连通，所述柱形通道A的出口即为喷嘴出口A(22)；

二级喷嘴(10)，由二级上空心圆柱体(101)和二级下空心圆柱体102上下连接而成，所述二级上空心圆柱体(101)可拆卸套装在所述一级上圆柱体91外部，所述二级下空心圆柱体(102)套在所述一级下圆柱体(92)的外部，所述二级下空心圆柱体(102)的外壁内设有环形通道B，其入口与所述推进剂收集腔B连通，其出口即为喷嘴出口B(23)；

三级喷嘴(12)，由三级上空心圆柱体(121)和三级下空心圆柱体(122)上下连接而成，所述三级上空心圆柱体(121)可拆卸套装在所述二级上圆柱体外部，所述三级下空心圆柱体(122)套在所述二级下圆柱体的外部，所述三级下空心圆柱体(122)的外壁内设有环形通道C，其入口与所述推进剂收集腔C连通，其出口即为喷嘴出口C(24)；

四级喷嘴(13)，由四级上空心圆柱体(131)和四级下空心圆柱体(132)上下连接而成，所述四级上空心圆柱体(131)可拆卸套装在所述三级上圆柱体外部，所述四级下空心圆柱体(132)套在所述三级下圆柱体的外部，所述四级下空心圆柱体(132)的外壁内设有环形通道D，其入口与所述推进剂收集腔D连通，其出口即为喷嘴出口D(25)。

6.一种同轴式大范围流量、混合比调节喷注器的使用方法，其特征在于，采用燃料从推进剂入口B(15)和推进剂入口D(17)进入，氧化剂从推进剂入口A(14)和推进剂入口C(16)进的策略，假定初始工况为氧化剂与燃料各从一个喷嘴出口喷出，且两个喷嘴压降适中，此工况记为工况A；

在此工况A下，控制阀门A(1)与开通，此时，氧化剂与燃料分别从喷嘴出口C(24)与喷嘴出口D(25)流出；此时，单个复合喷嘴出口只有一个掺混面，掺混效果与普通同轴剪切喷嘴类似；

其中，控制阀门A(1)与控制阀门C(2)的功能等价，也可以关闭C(2)；控制阀门B(5)与控制阀门D(4)功能等价，也可以关闭控制阀门D(4)，仅有推进剂入口C(16)与推进剂入口D(17)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当火箭工况需要进行大范围流量上调而保证氧燃比不变时，即从工况A变为工况B，工况B的总流量至少为工况A的200％，氧燃比相同；

控制阀门A1与控制阀门B(5)打开，此时，四个推进剂入口均打开，此时，推进剂从喷嘴出口A(22)、喷嘴出口B(23)、喷嘴出口C(24)和喷嘴出口D(25)流出。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当火箭工况需要进行大范围流量下调而保证氧燃比不变时，即从工况A变为工况C，工况C的总流量低于工况A的50％，氧燃比相同；

使用调节喷嘴入口压力的方法进行流量调节；氧化剂与燃料仍然分别从喷嘴出口C(24)与喷嘴出口D(25)流出，工况B的喷嘴压降约为0.5MPa。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当火箭工况需要保持总流量不变，只进行氧燃比上调时，即从工况A变为工况D，工况D的总流量与工况A相同，工况D的氧燃比至少为工况A280％；

打开控制阀门A(1)和控制阀门B(5)，同时关闭控制阀门D(4)，此时，有推进剂入口A(14)、推进剂入口B(15)、推进剂入口C(16)开通，此时，推进剂分别从喷嘴出口A(22)、喷嘴出口B(23)和喷嘴出口C(24)流出。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当火箭工况需要保持总流量不变，只进行氧燃比下调时，即从工况A变为工况E，工况E的总流量与工况A相同，工况E的氧燃比至少低于工况A的50％；

此时，开通的是推进剂入口B(15)、推进剂入口C(16)、推进剂入口D(17)，推进剂从喷嘴出口B(23)、喷嘴出口C(24)和喷嘴出口D(25)流出。

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