CN112211750A - 一种火箭发动机点火剂贮存供应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种火箭发动机点火剂贮存供应装置，主要包括壳体组件、金属膜盒组件、气路隔离组件以及液路隔离组件。点火剂为强化学活性物质，贮存和使用要求氧、水隔绝环境，本发明采用金属壳体、金属膜盒、气路和液路隔离膜片实现点火剂液体的密封贮存；点火剂供应过程中，金属膜盒作为管理元件保证了完全的气液隔离，金属膜盒可多次重复使用；气路和液路隔离膜片采用冗余密封接头与模块壳体连接，既能可靠密封连接，也能方便更换；加排阀用于点火剂液体的加注和正压惰性气体封装，压力传感器用于监测模块内气腔压力，保证正压安全贮存环境。通过上述特点，能够实现点火剂液体的安全可靠贮存，具备多次供应、可重复使用特性。

Description

一种火箭发动机点火剂贮存供应装置
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机技术领域，尤其涉及一种火箭发动机点火剂贮存供应装置。
背景技术
对于液氧和烃类推进剂组合的火箭发动机，由于其推进剂组合无法自燃，需要专门的点火系统进行发动机点火起动。采用自燃点火剂进行点火起动，已被广泛证明是一种可靠、简洁和高效的点火方案。其主要工作原理为：将预先装填点火剂的特制容器安装在发动机燃料管路系统中，由增压气体挤压点火剂喷射进入发动机燃烧室，点火剂与液氧发生自燃反应，然后组织燃料喷入掺混燃烧，实现点火。点火剂的贮存和供应模块是点火系统的重要组成部分。
目前常用的点火剂为三乙基硼和三乙基铝的混合物。该种点火剂具有很强的化学活性，与氧、水等物质接触会发生剧烈燃烧反应，操作、贮存和使用过程中，必须保证绝氧、绝水份环境。
目前火箭发动机点火系统中使用的点火剂贮存供应装置均为点火导管。点火导管安装在燃料管路系统中，容量为一次点火使用剂量；隔离密封装置为焊接结构，使用后无法更换。上述特点，决定了点火导管只能用于一次起动工作的发动机系统；同时，点火导管无法实现点火剂和增压气体的气液隔离，无法实现复杂过载条件下的液体供应管理。对于多次起动、回收后重复使用的火箭发动机系统使用需求，需研制一种可供多次点火、可重复使用的火箭发动机点火剂贮存和供应系统。
发明内容
针对现有技术中存在问题，本发明提供一种火箭发动机点火剂贮存供应装置，满足多次点火、可重复使用液体火箭的点火需求，具备集成度高、可靠性高、工艺实现性强的特点。
为达到上述目的，本发明提供了一种火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，包括壳体组件、金属膜盒组件、气路隔离组件、液路隔离组件、气路加注阀、液路加注阀、过滤器、气路冗余密封接头和液路冗余密封接头；
壳体组件内部由金属膜盒组件分隔为增压气腔和点火剂液腔；
点火剂通过液路加注阀预先充装在点火剂液腔中，增压气体压力作用在所述气路隔离组件上，压力达到一定值时气路隔离组件主动打开，增压气体进入增压气腔，气体压力推动金属膜盒组件沿轴向压缩变形；金属膜盒组件挤压点火剂液体使其压力升高直至液路隔离组件在压力作用下主动打开，点火剂液体通过过滤器和液路冗余密封接头向下游供应。
进一步地，所述金属膜盒组件包括金属膜盒、膜盒顶盖、导向环与膜盒底座；
所述金属膜盒组件通过膜盒底座与壳体组件焊接连接；
所述金属膜盒与导向环焊接连接，导向环与膜盒顶盖焊接连接，金属膜盒与膜盒底座焊接连接；
所述金属膜盒、膜盒顶盖、导向环构成了物理隔离，用于隔离增压气体和点火剂液体；
所述金属膜盒能够在压力作用下沿轴向伸缩变形；
所属导向环在金属膜盒沿轴向伸缩变形时起到轴向支撑作用，防止金属膜盒与壳体柱段发生刮碰。
进一步地，所述金属膜盒为焊接膜盒，所述金属膜盒侧壁为波纹结构，所述波纹结构的外径与外部壳体组件的内径尺寸匹配。
进一步地，所述导向环包括支撑环、调节螺丝、弹簧以及顶珠；所述支撑环为环状结构，侧壁上均匀设置若干螺纹孔，调节螺丝穿过对应螺纹孔后套设弹簧，弹簧顶部安装顶珠；顶珠与壳体柱段的内壁接触，实现所述支撑环的周向支撑和定位。
进一步地，壳体组件包括壳体柱段、气路封头以及液路封头；所述气路封头和液路封头分别固定至所述壳体柱段的两端；
气路隔离组件通过气路冗余密封接头固定在所述气路封头上游；液路隔离组件通过所述液路冗余密封接头固定在液路封头的下游。
进一步地，所述膜盒顶盖向点火剂一侧凸起，凸起的外轮廓与液路封头的内凹面匹配，使得点火剂在挤压下能够完全排出。
进一步地，所述气路封头上连接气路加注阀；在点火剂加注时，采用专用工装打开气路加注阀进行排气，加注完成后通过气路加注阀充入惰性气体。
进一步地，所述液路封头上连接液路加注阀和过滤器，点火剂加注时，采用专用工装打开所述液路加注阀点火剂通过液路加注阀进入贮存供应装置内部；所述过滤器用于过滤排出的点火剂。
进一步地，所述气路隔离组件为金属膜片阀，在增压气体压力达到一定值时自动打开，增压气体进入所述增压气体容纳腔。
进一步地，其特征在于，所述液路隔离组件为金属膜片阀，在点火剂压力达到一定值时自动打开，点火剂向下游供应。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明提供的火箭发动机点火剂贮存供应装置，实现了多台/次发动机的点火需求；可实现单一点火剂贮存供应装置供应多台发动机的工作模式，特别适用于多机并联的火箭动力系统；
(2)本发明采用的高寿命金属膜盒组件、可拆卸的气、液路隔离组件，实现了点火剂贮存供应模块的可重复使用功能，特别适用于具备回收重复使用功能的火箭动力系统；
(3)本发明采用金属膜盒组件实现点火剂液体的供应管理，可以在任何复杂过载环境下供应不夹气的液体点火剂，特别适用于飞行过程中多次起动、及回收使用的火箭动力系统。
附图说明
图1是火箭发动机点火剂贮存供应装置结构示意图；
图2为金属膜盒的结构示意图；
图3为导向环结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的结构组成包括：壳体组件1、金属膜盒组件2、气路隔离组件3、液路隔离组件4、气路加注阀5、液路加注阀6、过滤器7、气路冗余密封接头8和液路冗余密封接头9。
壳体组件1包括壳体柱段1-1、气路封头1-2、液路封头1-3；所述壳体柱段1-1、液路封头1-3和金属膜盒组件2三者通过膜盒底座2-4焊接连接；所述气路封头1-2和液路封头1-3分别固定至所述壳体柱段1-1的两端；所述气路封头1-2通过气路冗余密封接头8连接至上游增压气体注入通路；所述液路封头1-3通过液路冗余密封接头9连接至下游，点火剂排出通路。
所述气路封头1-2上连接气路加注阀5。所述气路封头1-2上连接气路加注阀5；在点火剂加注时，采用专用工装打开气路加注阀进行排气，加注完成后通过气路加注阀充入惰性气体。
所述液路封头1-3上连接液路加注阀6和过滤器7，在点火剂加注时，采用专用工装打开所述液路加注阀6点火剂通过液路加注阀进入贮存供应装置内部；所述过滤器7用于过滤排出的点火剂。
金属膜盒组件2包括可压缩金属膜盒2-1、膜盒顶盖2-2、导向环2-3和膜盒底座2-4。结合图2，金属膜盒组件2内部的金属膜盒2-1、膜盒顶盖2-2与导向环2-3之间焊接连接。导向环2-3上安装有多处可调节的柔性导向结构。
结合图3，所述导向环2-3包括支撑环2-3-1、调节螺丝2-3-2、弹簧2-3-3以及顶珠2-3-4；所述支撑环2-3-1为环状结构，侧壁上均匀设置若干螺纹孔，调节螺丝2-3-2穿过对应螺纹孔后套设弹簧2-3-3，弹簧顶部安装顶珠2-3-4。顶珠与壳体柱段1-1的内壁接触，实现所述支撑环2-3-1的周向支撑和定位。
气路隔离组件3通过气路冗余密封接头8安装在气路封头1-2上游；液路隔离组件4通过液路冗余密封接头9安装在液路封头1-3下游。过滤器7连接在液路隔离组件4下游。
本发明供应装置的基本工作原理为：通过液路加注阀6向模块内加注点火剂，通过气路加注阀5向模块内充入正压惰性保护气体，点火剂处于密封、绝氧和正压的贮存环境中；点火剂贮存供应模块安装在与发动机燃料主管路并联的点火管路系统中，气路隔离组件3入口与增压气源连接，过滤器7出口与点火剂供应管路连接；工作时，增压气体按系统时序要求进入，气路隔离组件3的金属膜片在高压作用下打开，增压气进入气腔，挤压金属膜盒组件2沿轴线方向运动，进一步挤压点火剂液体，液路隔离组件4的金属膜片在压力作用下打开，点火剂通过过滤器7向下游供应。
所述的液腔容积按点火需求剂量设计，理论上可提供任意台/次的发动机点火需求；可实现单一模块供应一台发动机，也可实现单一模块供应多台发动机。
所述金属膜盒组件2实现了增压气和点火剂液体的完全隔离，可以在火箭上升段、回收段等复杂过载阶段实现液体点火剂的管理，为下游提供不夹气的点火剂液体。
所述金属膜盒组件2可反复拉伸、压缩，工作寿命在1000次以上；所述气路隔离组件3、液路隔离组件4在一次使用后，分别通过气路冗余密封接头8、液路冗余密封接头9进行拆卸和更换；上述隔离组件的寿命和维修特性保证了点火剂贮存供应模块的重复使用特性。
所述壳体组件1、金属膜盒组件2、气路隔离组件3、液路隔离组件4材料均为与点火剂一级相容材料，保证了点火剂长期加注贮存的安全性和稳定性；采用金属焊接结构或冗余密封结构，加注后进行惰性气体封存，保证了贮存供应期间的可靠密封。
壳体组件1内部的壳体柱段1-1、气路封头1-2与液路封头1-3之间焊接连接。
膜盒顶盖2-2外形与液路封头1-3匹配，保证良好的液体排空效率。金属膜盒2-1的一端和膜盒顶盖2-2的一端均焊接到导向环2-3。膜盒组件在受压沿轴向运动的过程中，金属膜盒2-1发生轴向压缩变形，导向环2-3与壳体柱段1-1内壁接触、滑动，可保持膜盒组件沿轴向移动不发生偏斜。
金属膜盒2-1的另一端、柱段壳体1-1、液路封头1-3三者通过膜盒底座2-4焊接连接。
气路隔离组件3和液路隔离组件4采用正拱形刻痕金属爆破片。
气路加注阀5和液路加注阀6与壳体组件1焊接连接。加排阀采用单向阀结构，在内部压力作用下可自密封。
气路冗余密封接头8和液路冗余密封接头9采用金属垫片轴向密封+泛塞径向密封的冗余密封结构，可重复拆装使用。
综上所述，本发明涉及一种火箭发动机点火剂贮存供应装置，功能为贮存、管理和供应液体点火剂，用于火箭发动机的多次点火系统，可随火箭(发动机)发射回收后重复使用。该装置主要包括壳体组件、金属膜盒组件、气路隔离组件以及液路隔离组件。点火剂为强化学活性物质，贮存和使用要求氧、水隔绝环境，本发明采用金属壳体、金属膜盒、气路和液路隔离膜片实现点火剂液体的密封贮存；点火剂供应过程中，金属膜盒作为管理元件保证了完全的气液隔离，金属膜盒可多次重复使用；气路和液路隔离膜片采用冗余密封接头与模块壳体连接，既能可靠密封连接，也能方便更换；加排阀用于点火剂液体的加注和正压惰性气体封装，压力传感器用于监测模块内气腔压力，保证正压安全贮存环境。通过上述特点，能够实现点火剂液体的安全可靠贮存，具备多次供应、可重复使用特性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，包括壳体组件(1)、金属膜盒组件(2)、气路隔离组件(3)、液路隔离组件(4)、气路加注阀(5)、液路加注阀(6)、过滤器(7)、气路冗余密封接头(8)和液路冗余密封接头(9)；
壳体组件(1)内部由金属膜盒组件(2)分隔为增压气腔和点火剂液腔；
点火剂通过液路加注阀(6)预先充装在点火剂液腔中，增压气体压力作用在所述气路隔离组件(3)上，压力达到一定值时气路隔离组件(3)主动打开，增压气体进入增压气腔，气体压力推动金属膜盒组件(2)沿轴向压缩变形；金属膜盒组件(2)挤压点火剂液体使其压力升高直至液路隔离组件(4)在压力作用下主动打开，点火剂液体通过过滤器(7)和液路冗余密封接头(9)向下游供应。
2.根据权利要求1所述的火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，所述金属膜盒组件(2)包括金属膜盒(2-1)、膜盒顶盖(2-2)、导向环(2-3)与膜盒底座(2-4)；
所述金属膜盒组件(2)通过膜盒底座(2-4)与壳体组件(1)焊接连接；
所述金属膜盒(2-1)与导向环(2-3)焊接连接，导向环(2-3)与膜盒顶盖(2-2)焊接连接，金属膜盒(2-1)与膜盒底座(2-4)焊接连接；
所述金属膜盒(2-1)、膜盒顶盖(2-2)、导向环(2-3)构成了一道物理隔离，用于隔离增压气体和点火剂液体；
所述金属膜盒(2-1)能够在压力作用下沿轴向伸缩变形；
所属导向环(2-2)在金属膜盒(2-1)沿轴向伸缩变形时起到轴向支撑作用，防止金属膜盒(2-1)与壳体柱段(1-1)发生刮碰。
3.根据权利要求2所述的火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，所述金属膜盒(2-1)为焊接膜盒，所述金属膜盒(2-1)侧壁为波纹结构，所述波纹结构的外径与外部壳体组件(1)的内径尺寸匹配。
4.根据权利要求2所述的火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，所述导向环(2-3)包括支撑环(2-3-1)、调节螺丝(2-3-2)、弹簧(2-3-3)以及顶珠(2-3-4)；所述支撑环(2-3-1)为环状结构，侧壁上均匀设置若干螺纹孔，调节螺丝(2-3-2)穿过对应螺纹孔后套设弹簧(2-3-3)，弹簧顶部安装顶珠(2-3-4)；顶珠(2-3-4)与壳体柱段(1-1)的内壁接触，实现所述支撑环(2-3-1)的周向支撑和定位。
5.根据权利要求2所述的火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，壳体组件(1)包括壳体柱段(1-1)、气路封头(1-2)以及液路封头(1-3)；所述气路封头(1-2)和液路封头(1-3)分别固定至所述壳体柱段(1-1)的两端；
气路隔离组件(3)通过气路冗余密封接头(8)固定在所述气路封头(1-2)上游；液路隔离组件(4)通过所述液路冗余密封接头(9)固定在液路封头(1-3)的下游。
6.根据权利要求5所述的火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，所述膜盒顶盖(2-2)向点火剂一侧凸起，凸起的外轮廓与液路封头(1-3)的内凹面匹配，使得点火剂在挤压下能够完全排出。
7.根据权利要求5所述的火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，所述气路封头(1-2)上连接气路加注阀(5)；在点火剂加注时，采用专用工装打开气路加注阀(5)进行排气，加注完成后通过气路加注阀充入惰性气体。
8.根据权利要求5所述的火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，所述液路封头(1-3)上连接液路加注阀(6)和过滤器(7)，点火剂加注时，采用专用工装打开所述液路加注阀(6)点火剂通过液路加注阀进入贮存供应装置内部；所述过滤器(7)用于过滤排出的点火剂。
9.根据权利要求5所述的火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，所述气路隔离组件(3)为金属膜片阀，在增压气体压力达到一定值时自动打开，增压气体进入所述增压气体容纳腔。
10.根据权利要求1或2所述的火箭发动机点火剂贮存供应装置，其特征在于，所述液路隔离组件(4)为金属膜片阀，在点火剂压力达到一定值时自动打开，点火剂向下游供应。
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