CN112628015A - 一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机，由缸体、活塞、推力室、单向阀座和螺塞组成。单向阀座端头与控制阀连接，缸体、单向阀座和推力室螺纹连接，活塞在缸体内往复移动；活塞与缸体之间形成一个环腔和圆柱腔，环腔通过泄出口与外界相通作为低压腔，圆柱腔为高压腔。活塞中芯腔装有催化剂，活塞端头设置多排喷注孔。将气动柱塞泵与推力室结合成一体，通过推进剂催化分解产生气体驱动柱塞泵，利用活塞不平衡面积产生的压力差形成正反馈增压效应，利用不平衡面积形成压力差的气动柱塞泵形成自增压脉冲工作方式，大幅提高发动机推力室室压和降低推进剂贮箱供应压力，从而有效地提高发动机性能、降低结构重量。

Description

一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机
技术领域
本发明涉及火箭发动机设计技术领域，具体地说，涉及一种用于卫星、运载火箭上面级或空间飞行器的姿态控制用单组元发动机。
背景技术
卫星、运载火箭上面级或空间飞行器大都需要设置姿态控制发动机以保持和控制飞行姿态，采用可催化分解产生燃气的单组元作为推进剂的姿态控制发动机因其系统相对简单，且具有高于冷气推进的性能，在国际上已得到广泛的应用，如美国的半人马座D H2O2辅助推进系统、同步通信卫星SyncomⅡ、SyncomⅢ和“晨鸟”飞行器的姿轨控系统等。这些单组元催化分解姿控发动机均采用挤压供应方式，需配备高压气源、减压阀或压调器等以维持较高的推进剂贮箱供应压力，系统相对较为复杂，且由于贮箱压力越高则需要的气源容积越大，系统结构重量越大，这些姿控发动机的室压一般都相对较低，只有1～2Mpa，发动机性能偏低。
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，且系统压力越高，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。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机，该姿控发动机将气动柱塞泵与推力室有机地结合成一个整体，通过推进剂催化分解产生气体驱动柱塞泵，利用活塞不平衡面积产生的压力差形成正反馈增压效应；通过利用不平衡面积形成压力差的气动柱塞泵形成自增压脉冲工作方式，大幅提高发动机推力室室压和降低推进剂贮箱供应压力，从而有效地提高发动机性能、降低结构重量。
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、推力室、单向阀座、钢珠、弹簧和螺塞，其特征在于单向阀座端头连接控制阀，缸体、单向阀座和推力室通过螺纹连接，活塞可在缸体内往复移动；活塞与缸体之间形成一个大径为D、小径为d的环腔和一个直径为d的圆柱腔，环腔通过泄出口通外界，为低压腔，直径为d的圆柱腔为高压腔；活塞中芯腔装催化剂，由带小孔的螺塞封住，活塞端头设置有多排喷注孔；燃烧室达到稳定状态的压力由下式确定:
Figure BDA0002308564110000021
Figure BDA0002308564110000022
Figure BDA0002308564110000023
式中，ξ为从圆柱腔到燃烧室的等效流阻系数，po为圆柱腔压力，pe为外界环境压力，At为推力室喉部面积，pc为燃烧室压力，qm为进入燃烧室的推进剂流量，RTc、Γ为燃烧室内燃气的热力参数；根据上式可推出:
Figure BDA0002308564110000024
当真空环境条件下则
Figure BDA0002308564110000025
发动机工作频率取决于活塞行程L和移动速度，可依据流体动力学仿真计算确定。
发动机用于可催化分解的单组元推进剂为高浓度过氧化氢，或无水肼。
有益效果
本发明提出的一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机，将气动柱塞泵与推力室有机地结合成一个整体，通过推进剂催化分解产生气体驱动柱塞泵，利用活塞不平衡面积产生的压力差形成正反馈增压效应，从而使发动机实现高室压脉冲工作。通过利用不平衡面积形成压力差的气动柱塞泵形成自增压脉冲工作方式的，避免排气损失和工作于高温高压介质的调节组件，大幅提高发动机推力室室压和降低推进剂贮箱供应压力，从而有效地提高发动机性能、降低推进系统的结构重量。
本发明气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机，具有贮箱压力低，只需0.3～0.5Mpa，燃烧室压力高可达20Mpa，性能高，尺寸小的特点，作为卫星、运载器上面级姿轨控动力系统，可以在保证发动机性能的同时，大幅降低增压气体用量，有效减轻结构重量，提高系统的安全性和可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机作进一步详细说明。
图1为本发明气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机结构示意图。
图2为本发明的活塞与螺塞装配示意图。
图3为图2的B-B向剖视图。
图中
1.缸体 2.活塞 3.推力室 4.单向阀座 5.钢珠 6.弹簧 7.螺塞
具体实施方式
本实施例是一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机。
参阅图1、图2、图3，本实施例气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机，由缸体1、活塞2、推力室3、单向阀座4、钢珠5、弹簧6、螺塞7组成；其中，单向阀座4端头连接控制阀，缸体1、单向阀座4和推力室3通过螺纹连接，活塞2可在缸体1内往复移动；活塞2和缸体1之间形成一个大径为D、小径为d的环腔和一个直径为d的圆柱腔，环腔通过泄出口通外界，为低压腔，直径为d的圆柱腔为高压腔；活塞2中芯腔装催化剂，由带小孔的螺塞7封住，活塞端头设置有多排喷注孔；
燃烧室达到稳定状态的压力可由如下关系式确定:
Figure BDA0002308564110000031
Figure BDA0002308564110000032
Figure BDA0002308564110000033
式中，ξ为从圆柱腔到燃烧室的等效流阻系数，po为圆柱腔压力，pe为外界环境压力，At为推力室喉部面积，pc为燃烧室压力，qm为进入燃烧室的推进剂流量，RTc、Γ为燃烧室内燃气的热力参数；根据上式可推出:
Figure BDA0002308564110000041
当真空环境条件下则
Figure BDA0002308564110000042
发动机工作频率主要取决于活塞行程L和移动速度，可依据流体动力学仿真计算确定。
姿控发动机用于可催化分解的单组元推进剂为高浓度过氧化氢，或无水肼。
以90％浓度过氧化氢推进剂为例，将多层银网催化剂卷入活塞2芯部的催化剂腔，拧紧螺塞7，按工装要求装配发动机，并在单向阀座4左端连接控制阀，控制阀入口连接由贮箱引出的推进剂管路。当需要发动机工作时，打开控制阀，可在过氧化氢在贮箱压力作用下推开钢珠5，推进剂进入直径为d的圆柱腔，推动活塞向右移动，同时推进剂经过螺塞7的节流孔进入催化剂床，经催化后产生气体通过活塞端头的喷注孔喷入推力室的燃烧室腔；活塞移动到与推力室端头接触后止动，此时由于推力室喉部的憋压作用，燃烧室压力pc增加，活塞受到向左的作用力，由于环腔为低压腔，活塞因受到不平衡面积形成的力差而向左移动，此时圆柱腔压力增高，钢珠5左移，单向阀关闭，同时进入燃烧室的气体流量增加，pc进一步增加，使得圆柱腔压力随之增加，从而形成正反馈效应，使得燃烧室达到很高的压力水平，气体通过喷管喷出后产生推力。当活塞移动到端头后停止移动，进入燃烧室的推进剂被切断，室压快速下降，当室压下降到环境压力时，钢珠5又向右移动，单向阀又打开，如此往复，使得发动机以脉冲方式工作。当控制阀关闭时，发动机完成最后一个脉冲后关机。
燃烧室达到稳定状态的压力可由如下关系式确定:
Figure BDA0002308564110000043
Figure BDA0002308564110000044
Figure BDA0002308564110000045
式中，ξ为从圆柱腔到燃烧室的等效流阻系数，po为圆柱腔压力，pe为外界环境压力，At为推力室喉部面积，pc为燃烧室压力，qm为进入燃烧室的推进剂流量，RTc、Γ为燃烧室内燃气的热力参数；
以上关系式可推出:
Figure BDA0002308564110000051
当真空环境条件下则
Figure BDA0002308564110000052
发动机工作频率主要取决于活塞行程L和移动速度，可依据流体动力学仿真计算确定。本实例按单次脉冲推力50N设计，选取低压腔大径D＝12mm，圆柱腔直径d＝8mm，圆柱腔到燃烧室的流阻系数ξ＝0.81×103Pa·(s2/kg2)，推力室喉部直径为2.4mm，喷管出口直径为24mm，即喷管面积比为100，热力计算获得90％过氧化氢分解气体RTc＝3.761×105J/mol，Γ＝1.1418，计算得到真空环境条件下燃烧室压力pc＝21.78Mpa，进而依据热力参数计算确定发动机理论比冲Isp＝1781.5m/s。
本实例活塞行程取6mm，脉冲工作过程活塞移动平均速度计算值为0.40m/s，脉冲带宽为15ms，按控制阀入口压力0.35Mpa计算活塞回程时间，推进剂充填圆柱腔时间为5.8ms，发动机工作频率48Hz。

Claims (2)

1.一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机，包括缸体、活塞、推力室、单向阀座、钢珠、弹簧和螺塞，其特征在于:单向阀座端头连接控制阀，缸体、单向阀座和推力室通过螺纹连接，活塞可在缸体内往复移动；活塞与缸体之间形成一个大径为D、小径为d的环腔和一个直径为d的圆柱腔，环腔通过泄出口通外界，为低压腔，直径为d的圆柱腔为高压腔；活塞中芯腔装催化剂，由带小孔的螺塞封住，活塞端头设置有多排喷注孔；燃烧室达到稳定状态的压力由下式确定:
Figure FDA0002308564100000011
Figure FDA0002308564100000012
Figure FDA0002308564100000013
式中，ξ为从圆柱腔到燃烧室的等效流阻系数，po为圆柱腔压力，pe为外界环境压力，At为推力室喉部面积，pc为燃烧室压力，qm为进入燃烧室的推进剂流量，RTc、Γ为燃烧室内燃气的热力参数；根据上式可推出:
Figure FDA0002308564100000014
当真空环境条件下则
Figure FDA0002308564100000015
发动机工作频率取决于活塞行程L和移动速度，可依据流体动力学仿真计算确定。
2.根据权利要求1所述的气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机，其特征在于:发动机用于可催化分解的单组元推进剂为高浓度过氧化氢，或无水肼。
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