CN112160848A - 自增压固液混合发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明一种自增压固液混合发动机，属于航天推进技术领域；包括发动机前端盖、燃烧室壳体、燃烧室绝热层、燃烧室、燃料药柱、后燃烧室及喷管、氧化剂贮箱、氧化剂集液腔、氧化剂输送管路和金属软管；发动机前端盖、后燃烧室及喷管分别设置于燃烧室的两端；氧化剂集液腔为设置于后燃烧室及喷管外围的环形腔体，并通过吸收喷管处的热量将氧化剂集液腔内的液体氧化剂气化；氧化剂贮箱通过流量调节阀与发动机前端盖连接，并依次通过金属软管、氧化剂输送管路与氧化剂集液腔连通。利用推进剂燃烧时产生的热量加热氧化剂，使液体氧化剂气化，沿管路进入氧化剂贮箱，实现对氧化剂贮箱的压力补偿和增压，能够维持氧化剂贮箱内的压强稳定。

Description

自增压固液混合发动机
技术领域
本发明属于航天推进技术领域，具体涉及一种自增压固液混合发动机。
背景技术
固液混合发动机是由液体氧化剂和固体燃料提供能源和工质源的航天动力装置，具有安全可靠性高、推力可调、绿色环保、成本低廉等优点，可应用于探空火箭、运载火箭助推器、亚轨道飞行器和姿轨控发动机等。目前，固液混合发动机氧化剂增压方式分为挤压式和泵压式两种，其中，挤压式氧化剂供给方式结构简单、工作可靠，但是存在氧化剂供给质量流率不稳定、系统体积较大、发动机消极质量较高的问题；泵压式氧化剂供给方式氧化剂输送能力强、发动机消极质量低，但是该供给方式存在系统复杂、增压响应慢、涡轮泵不易小型化等问题。
氧化剂自增压，即利用氧化剂蒸汽作为增压气体，利用较高的气相压力将液态氧化剂挤出氧化剂贮箱，实现氧化剂向燃烧室的稳定供给。这种增压方式不需要携带挤压气瓶或涡轮泵等增压装置，减轻了发动机的消极质量。该氧化剂供给方案实现方式如下：液态氧化剂从贮箱内流出，使得贮箱内压力下降，当贮箱内压力低于氧化剂饱和蒸汽压时，剩余的液态氧化剂部分汽化，产生的氧化剂蒸汽，对贮箱内压力进行补偿。但是在实际工作过程中，液体汽化吸热，贮箱内氧化剂温度降低，氧化剂蒸汽生成量不足以维持贮箱内的压力恒定，贮箱内压力逐渐下降。2012年，蔡国飙等在Aerospace Science and Technology期刊第23卷第1期439-451页题目为Design and performance characterization of a sub-Newton N2O mono-propellant thruster的文章中指出，以自增压方式供给氧化剂的发动机，在氧化剂贮箱内没有热补偿的条件下，即使采用饱和蒸气压较高的氧化亚氮，在贮箱以恒定质量流量0.7g·s-1排出41％氧化亚氮后，贮箱内压力从4.7MPa下降到1.8MPa，即氧化剂贮箱不能以恒定的质量流量将所有的氧化剂供应至燃烧室。
发明内容
要解决的技术问题：
固液混合发动机工作过程中，单纯依靠氧化剂自增压，会出现氧化剂供给压力随时间下降的情况，导致氧化剂质量流率降低。为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自增压固液混合发动机，该发动机在后燃烧室和喷管外设置夹层，作为氧化剂集液腔，集液腔内的液体氧化剂吸收高温燃气向后燃烧室及喷管壁面传递的热量，汽化后沿输送管路进入氧化剂贮箱实现对氧化剂贮箱内的压力补偿和热补偿，从而维持氧化剂贮箱内压力恒定。
本发明的技术方案是：一种自增压固液混合发动机，包括发动机前端盖6、燃烧室壳体7、燃烧室绝热层8、燃烧室9、燃料药柱10和后燃烧室及喷管11，所述发动机前端盖6、后燃烧室及喷管11分别设置于燃烧室9的两端，所述燃烧室9的外周面依次包覆有燃烧室绝热层8和燃烧室壳体7；所述燃料药柱10设置于燃烧室9内；其特征在于：还包括氧化剂贮箱1、氧化剂集液腔13、氧化剂输送管路14和金属软管16；
所述氧化剂集液腔13为设置于后燃烧室及喷管11外围的环形腔体，用于容纳液体氧化剂，并通过吸收喷管处的热量将氧化剂集液腔13内的液体氧化剂气化；
所述氧化剂贮箱1的出口通过流量调节阀5与发动机前端盖6的入口连接，用于向燃烧室9内按需通入氧化剂，进而调节发动机推力；所述氧化剂贮箱1的入口端安装有三通管道2，所述三通管道2的一个接头通过加注排出阀3与快插接头4连接，用于向氧化剂贮箱1内加注液体氧化剂，另一个接头依次通过金属软管16、氧化剂输送管路14与氧化剂集液腔13连通；
所述发动机前端盖6内设置有点火装置，通过点火装置对发动机进行点火，进而对燃烧室9内燃料药柱10进行燃烧。
本发明的进一步技术方案是：所述发动机前端盖6一端为设置有阶梯通孔的柱状结构，端口处的外周面开有外螺纹，与所述流量调节阀5通过螺纹紧固；发动机前端盖6另一端为扩张结构，端口处通过螺钉与燃烧室壳体7固定，并通过密封圈实现发动机前端盖6和燃烧室壳体7之间的密封连接。
本发明的进一步技术方案是：所述后燃烧室及喷管11为发动机后燃烧室和喷管一体成型的结构，其一端与所述燃烧室9同轴固定密封连接，另一端设置有喷管。
本发明的进一步技术方案是：所述氧化剂集液腔13是由发动机尾部焊接金属挡板12形成的环形腔体，用于贮存液体氧化剂。
本发明的进一步技术方案是：所述点火装置设置于发动机前端盖6的阶梯通孔内，包括铝片17、固体推进剂18、尖头弹簧19、内六方螺母20；所述阶梯通孔的小径端为与流量调节阀5连接的一端，大径端朝向扩张结构，阶梯通孔内、大径端和小径端之间设置有环状限位凸台；所述铝片17安装于小径端内，并位于环状限位凸台端面上，由流量调节阀5拧紧后压紧，用于隔离氧化剂与固体燃料；所述阶梯通孔的大径端内依次安装有固体推进剂18、尖头弹簧19、内六方螺母20，内六方螺母20通过螺纹安装于大径端的端口处，将尖头弹簧19压置于内六方螺母20和固体推进剂18之间；点火时，固体推进剂18燃烧消耗，使得尖头弹簧19复位产生弹力，刺破铝片17，氧化剂进入燃烧室9，与燃料药柱10发生燃烧反应。
本发明的进一步技术方案是：所述尖头弹簧19的尖部采用偏心式设计，用于为电发火管预留位置；以固体推进剂18的内孔和发动机前端盖6的阶梯通孔为导向，尖头弹簧19的偏心尖头沿其偏心轴产生固定位移，对铝片17进行刺破。
本发明的进一步技术方案是：所述氧化剂输送管路14上安装有限流孔板15。
本发明的进一步技术方案是：所述限流孔板15与氧化剂集液腔13之间的氧化剂输送管路14分为两条支路；加注时，液体氧化剂由三通管道2路经金属软管16和氧化剂输送管路14进入氧化剂集液腔13。
本发明的进一步技术方案是：所述液体氧化剂为氧化亚氮N2O，在0℃时，饱和蒸汽压为3.3MPa；在20℃时，饱和蒸气压为5.24MPa。
有益效果
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所设计的自增压固液混合发动机，利用推进剂燃烧时产生的热量加热氧化剂，使液体氧化剂蒸发气化，沿氧化剂输送管路、金属软管、三通管道进入氧化剂贮箱，实现对氧化剂贮箱的压力补偿和增压，能够维持氧化剂贮箱内的压强稳定；不必设置挤压气瓶或涡轮泵，有利于降低发动机消极质量、简化氧化剂供给系统、增压响应更快、增压效果更好(具体见实施例中所列实验数据)。
(2)本发明所设计的自增压固液混合发动机，在工作过程中高温燃气向后燃烧室及喷管壁面传递的热量被氧化剂吸收，作为热能储存起来，提高了发动机的能量利用率，同时氧化剂蒸发吸热，对后燃烧室及喷管壁面进行冷却，可有效防止喷管烧蚀；
(3)本发明所述的氧化剂自增压方式，不需要挤压气瓶、减压阀、涡轮泵等造价昂贵的部件，降低了发动机的成本；
(4)本发明所述氧化剂一体化充装方案，在氧化剂充装完成后，可以保证氧化剂贮箱和氧化剂集液腔内的压力一致，达到更好的增压目的；
(5)本发明所设计点火装置，利用铝片作为隔膜，兼具了点火和隔膜阀的作用，降低了发动机点火系统复杂程度，点火装置中的固体推进剂不仅是弹簧作动动力来源，也是发动机点火能量的来源，提高了发动机点火成功率。
附图说明
图1为本发明所述的自增压固液混合发动机总装配图；
图2为本发明所述的前端盖及点火装置示意图；
图3为后燃烧室和喷管结构示意图；
图4为内六方螺母示意图；
附图标记说明：1.氧化剂贮箱、2.三通管道、3.加注排出阀、4.快插接头、5.流量调节阀、6.发动机前端盖、7.燃烧室壳体、8.燃烧室绝热层、9.燃烧室、10.燃料药柱、11.后燃烧室及喷管、12.金属挡板、13.氧化剂集液腔、14.氧化剂输送管路、15.限流孔板、16.金属软管、17.铝片、18.固体推进剂、19.尖头弹簧、20.内六方螺母、21.密封槽。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。
本实施例中，以氧化亚氮作为氧化剂。氧化剂体积为2.27L，质量为1.695kg，贮箱内氧化剂实测压强为5MPa。根据实测结果，在不增压的情况下，氧化剂质量流率为0.199kg·s-1，贮箱内压强降低速率为0.39MPa·s-1，为将氧化剂以7MPa恒定的压强输送至燃烧室，集液腔内氧化剂质量为95g。
参照图1所示，本发明一种自增压固液混合发动机包括：氧化剂贮箱1、三通管道2、加注排出阀3、快插接头4、流量调节阀5、点火器及前端盖6、燃烧室壳体7、燃烧室绝热层8、燃烧室9、燃料药柱10、后燃烧室及喷管11、金属挡板12、氧化剂集液腔13、氧化剂输送管路14、限流孔板15、金属软管16、铝片17、固体推进剂18、尖头弹簧19、内六方螺母20。发动机前端盖6、后燃烧室及喷管11分别设置于燃烧室9的两端，燃烧室9的外周面依次包覆有燃烧室绝热层8和燃烧室壳体7；燃料药柱10设置于燃烧室9内。氧化剂集液腔13设置于后燃烧室及喷管11的外围，用于吸收喷管处的热量将氧化剂集液腔13内的液体氧化剂气化。
参照图3所示，本发明将发动机后燃烧室和喷管进行了一体化设计，并在尾部焊接金属挡板12，在后燃烧室及喷管11外部形成氧化剂集液腔13，用于贮存液体氧化剂，在发动机工作时，液体氧化剂也作为冷却剂实现对喷管的热烧蚀保护。氧化剂输送管路14与氧化剂集液腔13相连接，实现氧化剂集液腔13与氧化剂贮箱1的联通。
快插接头4安装在加注排出阀3上，与三通管道①路连接，三通管道中②路与氧化剂贮箱1前端连接，三通管道③路与金属软管16连接。加注时，液体氧化剂经加注排出阀3由三通管道①路进入氧化剂贮箱1；在氧化剂输送管路14上安装有限流孔板15，孔板后氧化剂输送管路分为两条支路，通入氧化剂集液腔13，加注时，液体氧化剂由三通管道③路经金属软管16和氧化剂输送管路14进入氧化剂集液腔13。
参照图2所示，所述发动机前端盖6内设置有点火装置，通过点火装置对发动机进行点火，进而对燃烧室9内燃料药柱10进行燃烧。该装置通过固体推进剂燃烧产生的高温燃气进行点火，通过流量调节阀5与发动机前端盖6之间的螺纹紧固力，压紧铝片17实现氧化剂与固体燃料的隔离。该点火装置通过限制固体推进剂18和内六方螺母20使尖头弹簧19压缩，当点火指令下达后，电发火管点燃固体推进剂18，产生的高温燃气进入燃烧室加热燃料药柱10；固体推进剂18燃烧消耗，使得尖头弹簧19复位产生弹力，刺破铝片17，氧化剂进入燃烧室9，与燃料药柱发生燃烧反应。
该点火装置使用的尖头弹簧19采用偏心式设计，目的是，为电发火管预留位置，并且以固体推进剂内孔以及前端盖内孔为导向，使得偏心尖头产生固定位移。
在发动机前端盖头部设置有点火装置，发动机前端盖6与流量调节阀5通过螺纹连接，与燃烧室壳体7通过螺钉连接，在前端盖尾部加工有密封槽21，实现发动机燃烧室密封，燃烧室壳体7与后燃烧室及喷管壳体11采用密封性较好的螺纹连接，并在后燃烧室外部布置氧化剂集液腔13。
在发动机装配完成之后，通过快插接头4与液体氧化亚氮贮箱连接，打开加注排出阀3，将液体氧化亚氮通过三通管道2加注到氧化剂贮箱1和氧化剂集液腔13内，加注完成后关闭加注排出阀3，断开快插接头4。
本实施例的具体操作和原理：
当发动机的待机指令下达后打开流量调节阀5，进入系统待机状态。正式工作指令下达后，点火器6内的固体推进剂17开始燃烧，产生的高温燃气进入燃烧室内，加热燃料药柱10；固体推进剂18燃烧后，尖头弹簧19动作，刺破点火器内铝片17，液体氧化剂注入燃烧室内，点火动作完成。
发动机点火完成后，氧化剂贮箱1内流出的液体氧化亚氮，进入燃烧室9内，进行燃烧反应，产生高温燃气，经喷管加速后产生推力；同时氧化剂贮箱1内的氧化剂被消耗，贮箱内压强降低；在氧化剂集液腔13内的液体氧化亚氮吸收高温燃气传递的热量，温度升高并气化，同时冷却后燃烧室及喷管11；气化后氧化亚氮通过氧化剂输送管路14、金属软管16和三通管道2进入氧化剂贮箱1，实现对氧化剂贮箱1的压力补偿和热补偿，使得贮箱内压强进一步升高，维持氧化剂贮箱1内的压强稳定，从而保持氧化剂贮箱1内的压强在工作时恒定。
工作过程中通过调节流量调节阀5，实现对进入燃烧室内的氧化亚氮流量调节，进而实现对发动机推力调节。如果发动机在工作过程中，氧化剂贮箱1内的压强高于安全阈值，打开加注排出阀3，排出部分氧化剂气体保证贮箱内压强处于安全范围内，同时通过调节氧化剂输送管路14上的限流孔板15实现对进入氧化剂贮箱1内的氧化亚氮气体流量进行调节。所述固液混合发动机通过与氧化剂贮箱1相连接的流量调节阀5，进行发动机推力调节。
试车后实验数据显示，氧化剂贮箱内压力在6.5MPa附近波动，燃烧室压强曲线稳定在3MPa。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种自增压固液混合发动机，包括发动机前端盖(6)、燃烧室壳体(7)、燃烧室绝热层(8)、燃烧室(9)、燃料药柱(10)和后燃烧室及喷管(11)，所述发动机前端盖(6)、后燃烧室及喷管(11)分别设置于燃烧室(9)的两端，燃烧室(9)的外周面依次包覆有燃烧室绝热层(8)和燃烧室壳体7；燃料药柱(10)设置于燃烧室(9)内；其特征在于：还包括氧化剂贮箱(1)、氧化剂集液腔(13)、氧化剂输送管路(14)和金属软管(16)；
所述氧化剂集液腔(13)为设置于后燃烧室及喷管(11)外围的环形腔体，用于容纳液体氧化剂，并通过吸收喷管处的热量将氧化剂集液腔(13)内的液体氧化剂气化；
所述氧化剂贮箱(1)的出口通过流量调节阀(5)与发动机前端盖(6)的入口连接，用于向燃烧室(9)内按需通入氧化剂，进而调节发动机推力；氧化剂贮箱(1)的入口端安装有三通管道(2)，三通管道(2)的一个接头通过加注排出阀(3)与快插接头(4)连接，用于向氧化剂贮箱1内加注液体氧化剂，另一个接头依次通过金属软管(16)、氧化剂输送管路(14)与氧化剂集液腔(13)连通；
所述发动机前端盖(6)内设置有点火装置，通过点火装置对发动机进行点火，进而对燃烧室(9)内燃料药柱(10)进行燃烧。
2.根据权利要求1所述自增压固液混合发动机，其特征在于：所述发动机前端盖(6)一端为设置有阶梯通孔的柱状结构，端口处的外周面开有外螺纹，与流量调节阀(5)通过螺纹紧固；发动机前端盖(6)另一端为扩张结构，端口处通过螺钉与燃烧室壳体7固定，并通过密封圈实现发动机前端盖(6)和燃烧室壳体7之间的密封连接。
3.根据权利要求2所述自增压固液混合发动机，其特征在于：所述点火装置设置于发动机前端盖(6)的阶梯通孔内，包括铝片(17)、固体推进剂(18)、尖头弹簧(19)、内六方螺母(20)；阶梯通孔的小径端为与流量调节阀(5)连接的一端，大径端朝向扩张结构，阶梯通孔内、大径端和小径端之间设置有环状限位凸台；铝片(17)安装于小径端内，并位于环状限位凸台端面上，由流量调节阀(5)拧紧后压紧，用于隔离氧化剂与固体燃料；阶梯通孔的大径端内依次安装有固体推进剂(18)、尖头弹簧(19)、内六方螺母(20)，内六方螺母(20)通过螺纹安装于大径端的端口处，将尖头弹簧(19)压置于内六方螺母(20)和固体推进剂(18)之间；点火时，固体推进剂(18)燃烧消耗，使得尖头弹簧(19)复位产生弹力，刺破铝片(17)，氧化剂进入燃烧室(9)，与燃料药柱(10)发生燃烧反应。
4.根据权利要求3所述自增压固液混合发动机，其特征在于：所述尖头弹簧(19)的尖部采用偏心式设计，用于为电发火管预留位置；以固体推进剂(18)的内孔和发动机前端盖(6)的阶梯通孔为导向，尖头弹簧(19)的偏心尖头沿其偏心轴产生固定位移，对铝片(17)进行刺破。
5.根据权利要求1所述自增压固液混合发动机，其特征在于：所述后燃烧室及喷管(11)为发动机后燃烧室和喷管一体成型的结构，其一端与所述燃烧室(9)同轴固定密封连接，另一端设置有喷管。
6.根据权利要求1所述自增压固液混合发动机，其特征在于：所述氧化剂集液腔(13)是由发动机尾部焊接金属挡板(12)形成的环形腔体，用于贮存液体氧化剂。
7.根据权利要求1所述自增压固液混合发动机，其特征在于：所述氧化剂输送管路(14)上安装有限流孔板(15)。
8.根据权利要求7所述自增压固液混合发动机，其特征在于：所述限流孔板(15)与氧化剂集液腔(13)之间的氧化剂输送管路(14)分为两条支路；加注时，液体氧化剂由三通管道(2)路经金属软管(16)和氧化剂输送管路(14)进入氧化剂集液腔(13)。
9.根据权利要求1所述自增压固液混合发动机，其特征在于：所述液体氧化剂为氧化亚氮N2O，在0℃时，饱和蒸汽压为3.3MPa；在20℃时，饱和蒸气压为5.24MPa。
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