CN110878724B - 一种自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器，由缸体、活塞、壳体、连接座、气阀芯、导向连接座、弹簧和外套螺母组成。活塞和缸体配合形成两个环形高压腔和圆柱形低压腔。低压腔端头设置由小孔通外界环境，高压腔端头设置有圆周布置的小孔通环形催化剂腔。气阀芯设置有中心孔和径向孔，气阀芯处于关闭状态时，压力室通过气阀芯中心孔、径向孔和壳体上的泄出口通外界环境；连接座4端头连接控制阀。其利用不平衡面积产生压差自增压原理脉冲工作，可在很低的贮箱初始压力下工作，无需增压泵或高压气源系统，可大幅简化贮箱增压系统、有效减轻结构重量，从而提高运载器或空间飞行器的使用性能和载荷能力。

Description

一种自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器
技术领域
本发明涉及用于商业卫星、运载火箭上面级或空间飞行器发动机贮箱增压的供气装置，具体地说，涉及一种自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器。
背景技术
卫星、运载火箭上面级或空间飞行器的推进系统，如姿轨控发动机、上面级发动机等均需要给推进剂贮箱提供增压气体以维持贮箱压力，从而为发动机供应推进剂。通常推进剂贮箱的增压采用高压氦气或高压氮气通过减压器引入贮箱，这需要设置高压气瓶、减压器、控制阀等，系统相对较为复杂、重量重，特别对于贮箱压力要求相对较高、总冲量大的挤压式推进系统，所需的气源容积大，系统结构重量大，直接影响运载器或飞行器的载荷能力。
为取消挤压式推进系统的气瓶，美国Lawrence Livemore国家实验室2002 年提出了一种带柱塞泵的过氧化氢气体发生器循环(AIAA2002-3702)，其基本原理是利用柱塞泵后部分推进剂催化分解产生气体一方面驱动柱塞泵，另一方面引入贮箱给贮箱增压。柱塞泵增压后供应一个或多个带催化剂床的推力室。柱塞泵的增压压力则通过一个可调节气体流量的调节器来控制。驱动柱塞泵的气体最终排出到外界。这种单组元推进系统方案可避免高压气瓶的使用，实现推进系统的轻量化，但存在不足之处在于两方面问题：其一是由于驱动柱塞泵的气体直接排出到外界，存在一定的能量损失，且发动机工作压力越高，能量损失越大；其二是需要设置工作于高温高压气体介质的流量调节器，实现高可靠性和安全性难度较大，这是制约该推进系统方案所能达到压力水平的一个主要因素，公布的试验最高压力不超过5Mpa。
本发明针对推进剂可催化分解的发动机，采用推进剂催化分解产生的燃气驱动柱塞泵，利用柱塞泵的活塞受到的压力作用面积差产生压力差从而形成正反馈增压效应的自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器装置，可直接连接于装有可催化分解的推进剂的贮箱底部至贮箱顶部气垫区的增压管上，打开控制阀即可实现给贮箱的脉冲增压，无需设置高压增压气源系统。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器；其利用不平衡面积产生压差自增压原理脉冲工作，可在很低的贮箱初始压力下工作，无需增压泵或高压气源系统，可大幅简化贮箱增压系统、有效减轻结构重量，从而提高运载器或空间飞行器的使用性能和载荷能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括缸体、活塞、壳体、连接座、钢珠、第一弹簧、气阀芯、导向连接座、第二弹簧、外套螺母、第一铝垫、第二铝垫，其特征在于活塞与缸体配合形成两个环形高压腔和圆柱形低压腔，低压腔端头设置由小孔通外界环境，高压腔端头设有圆周布置的小孔通环形催化剂腔；气阀芯设置有中心孔和径向孔，气阀芯处于关闭状态时，压力室通过气阀芯中心孔-径向孔和壳体上的泄出口通外界环境；连接座端头连接控制阀。
催化分解的推进剂为过氧化氢，或无水肼，或HAN基推进剂。
有益效果
本发明提出的一种自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器，由缸体、活塞、壳体、连接座、气阀芯、导向连接座、弹簧和外套螺母组成。活塞和缸体配合形成两个环形高压腔和圆柱形低压腔。低压腔端头设置由小孔通外界环境，高压腔端头设置有圆周布置的小孔通环形催化剂腔。气阀芯设置有中心孔和径向孔，气阀芯处于关闭状态时，压力室通过气阀芯中心孔、径向孔和壳体上的泄出口通外界环境；连接座端头连接控制阀。其利用不平衡面积产生压差自增压原理脉冲工作，可在很低的贮箱初始压力下工作，无需增压泵或高压气源系统，可大幅简化贮箱增压系统、有效减轻结构重量，从而提高运载器或空间飞行器的使用性能和载荷能力。为卫星、运载器和空间飞行器的贮箱提供一种简单、轻质、高效可靠的增压装置，有效地降低结构重量、提高使用性能。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器作进一步详细说明。
图1为本发明自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器结构示意图。
图2为图1的B-B向剖视图。
图3为本发明自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器的缸体示意图。
图4为图3的C-C向剖视图。
图5为图3的B-B向剖视图。
图6为本发明的气阀芯示意图。
图7为本发明的活塞示意图。
图8为本发明的活塞侧视图。
图中
1.缸体 2.活塞 3.壳体 4.连接座 5.钢珠 6.第一弹簧 7.气阀芯 8.导向连接座9.第二弹簧 10.外套螺母 11.第一铝垫 12.第二铝垫
具体实施方式
本实施例是一种自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器。
参阅图1～图8，本实施例自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器，由缸体1、活塞2、壳体3、连接座4、钢珠5、第一弹簧6、气阀芯7、导向连接座8、第二弹簧9、外套螺母10、第一铝垫11、第二铝垫12组成；活塞2和缸体1配合形成两个腔：环形高压腔和圆柱形低压腔，低压腔端头设置由小孔通外界环境，高压腔端头设置有圆周布置的小孔通环形催化剂腔；气阀芯7设置有中心孔和径向孔，气阀芯处于关闭状态时，压力室通过气阀芯中心孔-径向孔和壳体上的泄出口通外界环境；连接座4端头连接控制阀。导向连接座8与壳体3间加装第一铝垫11；连接座4与缸体1之间安装第二铝垫12。
催化分解的推进剂为过氧化氢，或无水肼，或HAN基推进剂。
本实例以银网催化的高浓度过氧化氢推进剂为例，将自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器，催化剂可采用银网卷于环形催化剂腔内连接于过氧化氢贮箱的底部至顶部气垫的管路上，发生器入口连接控制阀，贮箱气垫或贮箱出口设置压力传感器，贮箱内预充一定的压力，一般1～2大气压即可，当压力低于贮箱设计工作压力范围需增压时，打开控制阀，推进剂在初始贮存压力作用下，推动钢珠5右移，钢珠5与第一弹簧配合，打开进口单向阀，推进剂通过缸体1上环形布置的小孔进入环形高压腔，推动活塞右移，活塞接触壳体端面后止动，推进剂充满高压腔，同时，推进剂通过环形高压腔端头圆周布置的小孔进入环形催化剂腔，催化剂腔内放置有催化剂，推进剂经催化剂催化后产生高温气体通过缸体右端周向布置的通道进入压力室，由于气阀芯7中心孔的憋压作用，压力室的压力增加；一方面，活塞2受到向左的作用力，由于活塞受到的向左的压力的作用面积大于高压腔施加的向右的压力的作用面积，活塞向左移动，钢珠左移关闭推进剂进口，高压腔压力增加，进入压力室的气体流量增加，压力室的压力进一步增加，如此形成正反馈效应而达到较高的压力水平；另一方面，当压力室压力增加到一定值时，气阀芯右移，气阀打开，同时泄出口关闭，气体通过导向连接座的出口输出。当活塞2移动到左端头时止动，高压腔推进剂排空，压力室压力下降，当压力下降到接近出口供应压力时，由于第二弹簧的作用，气阀芯左移关闭，同时泄出口打开，压力室的剩余气体通过泄出口排出。压力室气体排空后推进剂进口单向阀又打开，如此往复，实现脉冲工作。当贮箱压力高于贮箱设计工作压力范围时关闭发生器前的控制阀，发生器停止工作。

Claims (2)

1.一种自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器，包括缸体、活塞、壳体、连接座、钢珠、第一弹簧、气阀芯、导向连接座、第二弹簧、外套螺母、第一铝垫、第二铝垫，其特征在于：
所述缸体具有中心轴向台阶盲孔，其中中心轴向台阶盲孔的小孔径段一端封闭；在中心轴向台阶盲孔的台阶面上具有环形布置的小孔；所述缸体外侧面具有径向凸起，在径向凸起的两端台阶面通过第二铝垫与壳体内表面的台阶面配合；
所述活塞具有与缸体中心轴向台阶盲孔小孔径段配合的小径段和与缸体中心轴向台阶盲孔大孔径段配合的大径段；所述活塞的小径段端面与缸体中心轴向台阶盲孔的孔底面之间形成圆柱形低压腔，所述活塞的台阶面与所述缸体的中心轴向台阶盲孔的台阶面之间形成环形高压腔；
所述圆柱形低压腔端头设置由小孔连通外界环境，所述环形高压腔端头设有圆周布置的小孔连通环形催化剂腔；
所述气阀芯前端与所述活塞后端之间形成压力室，所述气阀芯前端端面开有中心盲孔，并在气阀芯四周开有联通中心盲孔的径向孔；在气阀芯后端通过第二弹簧连接导向连接座；所述导向连接座与壳体后端通过第一铝垫配合，并通过外套螺母紧固；当气阀芯处于关闭状态时，压力室通过气阀芯中心盲孔和径向孔和壳体上的泄出口连通外界环境；当气阀芯处于打开状态时，壳体上的泄出口被气阀芯封闭，压力室内的气体通过气阀芯中心盲孔和径向孔，从导向连接座的出口输出；
装配完成的缸体及活塞组合体，以及气阀芯从前到后依次安装在壳体内，且壳体前端安装连接座；连接座前端用于连接控制阀，连接座中心具有通孔，且通孔后端与所述缸体前端通过钢珠和第一弹簧配合。
2.根据权利要求1所述的自增压脉冲工作单组元催化分解气体发生器，其特征在于:催化分解的推进剂为过氧化氢，或无水肼，或HAN基推进剂。
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