CN113074064A - 基于微通道再生冷却技术的nofbx推力室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，以解决现有的液体火箭发动机液膜冷却和再生冷却无法满足NOFBX燃烧室冷却需求的问题。该推力室包括燃烧室、喷注器、电火花塞和推进剂入口导管。燃烧室包括内壳体、外壳体、盖板和环形堵盖，内壳体和外壳体同轴设置，两者之间形成第一通道，盖板设置在外壳体前端，环形堵盖设置在第一通道后端；喷注器包括喷注器主体和喷注器芯体，喷注器主体的环形喷注板前端面上设置有环形凹槽，槽底设置有多个直流喷注孔，喷注器芯体由第一多孔介质材料制成，设置在环形凹槽内；喷注器设置在内壳体前端内侧，与盖板之间形成第二通道，第一通道和第二通道内设置有由第二多孔介质材料制成的再生冷却通道芯体。

Description

基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室。

背景技术

NOFBX推进剂是一种由氧化亚氮与烃类燃料(乙烯、乙炔或乙烷)复合为一体的新型氧燃预混推进剂，其中“NOFB”代表氧化亚氮与烃类复合，“X”代表两个数字，第一个数字表示C2家族，其中1表示乙烷，2表示乙烯，3表示乙炔；第二个数字表示氧化剂与燃料的混合比。例如，NOFB29代表混合比为9的N₂O与C₂H₄的预混推进剂。NOFBX推进剂作为一种绿色无毒推进剂，兼具了双组元推进剂比冲性能高和单组元推进剂发动机系统简单的优势，可实现贮箱自增压和深度节流，是航天领域内极具发展前途的一种新型高能无毒推进剂。

NOFBX推进剂中氧化剂和燃料复合为一体，其燃烧属于预混燃烧，在不采取防回火措施的情况下，发动机在点火启动过程中极易发生回火，即燃烧波由燃烧室向上游供应管路和推进剂贮箱传播，一旦发生回火，将在管路和贮箱内瞬间释放大量热量和燃气，最终导致爆炸。此外，NOFBX推进剂燃烧温度高达3200K以上，必须对发动机燃烧室采取可靠的冷却措施。

常规的液体火箭发动机液膜冷却和再生冷却等均不适用于NOFBX燃烧室的冷却，因为NOFBX推进剂是氧化剂和燃料复合为一体的推进剂，无法采用单一的燃料或氧化剂液膜对燃烧室壁面进行冷却，故液膜冷却方式不可行；同时，由于普通的再生冷却通道中存在较大的温度梯度，一旦局部壁温超过NOFBX推进剂的燃点，就会将NOFBX推进剂在再生冷却通道内点燃，进而会引起回火，最终会导致燃烧室、供应管路和贮箱的爆炸，故常规的再生冷却方式也不可行。

发明内容

本发明的目的是解决现有的液体火箭发动机液膜冷却和再生冷却无法满足NOFBX燃烧室冷却需求的问题，而提供一种基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，可用于NOFBX推进剂的稳定点火燃烧。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：包括燃烧室、喷注器、电火花塞和推进剂入口导管；

所述燃烧室包括内壳体、外壳体、盖板和环形堵盖；所述内壳体和外壳体同轴设置，两者之间形成第一通道；所述盖板固定安装在外壳体前端，且盖板与内壳体前端存有间距；所述环形堵盖固定安装在第一通道后端；

所述喷注器包括喷注器主体和喷注器芯体；所述喷注器主体包括环形喷注板和火花塞连接管；所述火花塞连接管后端与环形喷注板内边缘固连；所述环形喷注板的前端面上设置有环形凹槽，所述环形凹槽的槽底设置有多个轴向贯通的直流喷注孔；所述喷注器芯体为环状结构，由第一多孔介质材料制成，其设置在环形凹槽内；所述第一多孔介质材料的导热系数为15～20W/(m·K)；

所述喷注器主体固定安装在内壳体前端内侧，其火花塞连接管前端伸出盖板，火花塞连接管前端固定设置有火花塞安装座；所述电火花塞安装在火花塞安装座上，其点火端伸入火花塞连接管内；

所述盖板与喷注器之间形成与第一通道连通的第二通道；所述第一通道和第二通道内设置有再生冷却通道芯体，所述再生冷却通道芯体由第二多孔介质材料制成；所述第二多孔介质材料的导热系数为150～300W/(m·K)；

所述推进剂入口导管固定安装在外壳体后端外侧，并与第一通道连通。

进一步地，所述第一多孔介质材料的当量孔径为10～30μm；所述第二多孔介质材料的当量孔径为90～120μm。

进一步地，所述第一多孔介质材料由不锈钢粉末烧结而成；所述第二多孔介质材料由铜粉末烧结而成。

进一步地，所述内壳体外表面和外壳体内表面均镀有铜膜。

进一步地，所述直流喷注孔的孔径为1.5～2.5mm，孔长径比为2～3。

进一步地，所述直流喷注孔沿环形凹槽的槽底周向均布。

进一步地，所述电火花塞的点火端面与环形喷注板的后端面齐平。

进一步地，所述电火花塞与火花塞安装座之间设置有密封垫片。

进一步地，所述外壳体后端侧壁上设置有通孔，所述通孔外侧设置有安装槽，所述推进剂入口导管一端固定安装在安装槽内。

本发明相比现有技术的有益效果是：

(1)本发明提供的一种基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，通过在第一通道和第二通道内设置由第二多孔介质材料制成的再生冷却通道芯体，第二多孔介质材料的导热系数较高，以便对燃烧室壁面(内壳体和外壳体等)进行降温。再生冷却通道芯体为孔道纵横交错、互相贯通的多孔体，其孔径和孔隙率均可控，该芯体属于微通道结构，具有良好的换热能力。在NOFBX推进剂经由再生冷却通道芯体进入燃烧室的过程中，NOFBX推进剂与燃烧室壁面的换热面积显著增加，大大降低了燃烧室壁面温度和温度梯度，从而实现对燃烧室壁面的可靠冷却，避免局部热点将NOFBX推进剂点燃的风险。NOFBX推进剂经再生冷却通道芯体的加热后逐步气化为气态，再经喷注器芯体和环形喷注板上的直流喷注孔喷入燃烧室内燃烧，具有更好的点火性能，且燃烧更充分，有助于提高燃烧效率。

(2)喷注器芯体由第一多孔介质材料制成，该芯体也为孔道纵横交错、互相贯通的多孔体，其微细孔道使得燃烧反应自由基与孔壁多次碰撞，有效减少了参与燃烧反应自由基的数量，从而实现防回火功能。通过喷注器芯体和环形喷注板上的直流喷注孔可实现推进剂的均匀喷注，有利于推进剂的点火和稳定燃烧。

(3)第一多孔介质材料的当量孔径为10～30μm，防回火效果更好，且不会影响推进剂的通过。第二多孔介质材料的当量孔径为90～120μm，可较好地实现冷却性能和流阻之间的平衡。

(4)第一多孔介质材料由不锈钢粉末烧结而成，第二多孔介质材料由铜粉末烧结而成，由于纯铜的导热系数为不锈钢的二十多倍，且多孔介质材料的表面积很大，大大强化了NOFBX推进剂作为冷却液与燃烧室壁面之间的传热，有效改善了燃烧室壁面温度的均匀性，使燃烧室壁面温度显著降低且更加均匀。

(5)第二多孔介质材料采用铜粉末烧结而成，在铜粉末烧结之前，先对燃烧室内壳体外表面和外壳体内表面进行镀铜，获得一层铜膜，有助于提高燃烧室内外壳体与再生冷却通道芯体的界面结合性能，提高整个燃烧室的结构强度。

(6)电火花塞的点火端面与环形喷注板的后端面齐平，可有效避免电火花塞被烧蚀。

附图说明

图1是本发明基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室结构示意图；

图2是本发明中喷注器主体的结构示意图；

图3是图2的A向右视剖面图。

图中，11-内壳体，12-外壳体，13-盖板，14-环形堵盖，15-再生冷却通道芯体；21-喷注器主体，211-环形喷注板，212-火花塞连接管，213-直流喷注孔，22-喷注器芯体；31-电火花塞，32-密封垫片，33-火花塞安装座；41-推进剂入口导管。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室作进一步详细说明。

本实施例提供的基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室如图1所示，包括燃烧室、喷注器、电火花塞31和推进剂入口导管41。

燃烧室包括内壳体11、外壳体12、盖板13和环形堵盖14。内壳体11和外壳体12同轴套装设置，其后端齐平，内壳体11和外壳体12之间形成第一通道。盖板13固定安装在外壳体12前端开口处，且盖板13与内壳体11前端存有间距。环形堵盖14固定安装在第一通道后端进行封堵。

喷注器包括喷注器主体21和喷注器芯体22。喷注器主体21如图2、图3所示，包括环形喷注板211和火花塞连接管212。火花塞连接管212后端与环形喷注板211内边缘固连。环形喷注板211外边缘向前端延伸，从而在环形喷注板211的前端面上形成环形凹槽，环形凹槽的槽底设置有多个周向均布、轴向贯通的直流喷注孔213，直流喷注孔213的数量由推进剂的流量决定，孔径为1.5～2.5mm，孔长径比为2～3。喷注器芯体22为环状结构，由第一多孔介质材料制成，第一多孔介质材料的导热系数为15～20W/(m·K)，其嵌套在环形凹槽内，两者为过盈配合。本实施例中，第一多孔介质材料由不锈钢粉末烧结而成，其导热系数满足要求，当量孔径为10～30μm。

喷注器主体21同轴嵌套在内壳体11前端内侧，两者为过盈配合，环形喷注板211外边缘前端与内壳体11前端齐平，火花塞连接管212前端伸出盖板13，火花塞连接管212前端固定设置有火花塞安装座33。电火花塞31插装在火花塞安装座33内，并与火花塞安装座33螺纹连接，两者的轴向间隙通过密封垫片32进行密封。电火花塞31的点火端伸入火花塞连接管212内，且其点火端面与环形喷注板211的后端面齐平，以便稳定可靠地对推进剂进行点火。

盖板13与喷注器之间形成与第一通道连通的第二通道，第一通道和第二通道内设置有再生冷却通道芯体15，再生冷却通道芯体15由第二多孔介质材料制成，第二多孔介质材料的导热系数为150～300W/(m·K)。本实施例中，第二多孔介质材料由铜粉末烧结而成，其导热系数满足要求，当量孔径为90～120μm。为提高燃烧室内外壳体与再生冷却通道芯体15的界面结合性能，在内壳体11外表面和外壳体12内表面均镀有铜膜。

外壳体12后端侧壁上设置有通孔，通孔外侧设置有安装槽，推进剂入口导管41一端固定安装在安装槽内，并与第一通道连通。

该推力室的工作过程如下：NOFBX推进剂沿推进剂入口导管41进入第一通道内，依次经由再生冷却通道芯体15、喷注器芯体22、环形喷注板211上的直流喷注孔213均匀喷入燃烧室，并在电火花塞31点火端面处形成低速回流区，由电火花塞31实现推进剂点火，并稳定燃烧，产生的热燃气由燃烧室内壳体11后端喷出。

Claims (9)

1.一种基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：包括燃烧室、喷注器、电火花塞(31)和推进剂入口导管(41)；

所述燃烧室包括内壳体(11)、外壳体(12)、盖板(13)和环形堵盖(14)；所述内壳体(11)和外壳体(12)同轴设置，两者之间形成第一通道；所述盖板(13)固定安装在外壳体(12)前端，且盖板(13)与内壳体(11)前端存有间距；所述环形堵盖(14)固定安装在第一通道后端；

所述喷注器包括喷注器主体(21)和喷注器芯体(22)；所述喷注器主体(21)包括环形喷注板(211)和火花塞连接管(212)；所述火花塞连接管(212)后端与环形喷注板(211)内边缘固连；所述环形喷注板(211)的前端面上设置有环形凹槽，所述环形凹槽的槽底设置有多个轴向贯通的直流喷注孔(213)；所述喷注器芯体(22)为环状结构，由第一多孔介质材料制成，其设置在环形凹槽内；所述第一多孔介质材料的导热系数为15～20W/(m·K)；

所述喷注器主体(21)固定安装在内壳体(11)前端内侧，其火花塞连接管(212)前端伸出盖板(13)，火花塞连接管(212)前端固定设置有火花塞安装座(33)；所述电火花塞(31)安装在火花塞安装座(33)上，其点火端伸入火花塞连接管(212)内；

所述盖板(13)与喷注器之间形成与第一通道连通的第二通道；所述第一通道和第二通道内设置有再生冷却通道芯体(15)，所述再生冷却通道芯体(15)由第二多孔介质材料制成；所述第二多孔介质材料的导热系数为150～300W/(m·K)；

所述推进剂入口导管(41)固定安装在外壳体(12)后端外侧，并与第一通道连通。

2.根据权利要求1所述的基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：所述第一多孔介质材料的当量孔径为10～30μm；所述第二多孔介质材料的当量孔径为90～120μm。

3.根据权利要求2所述的基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：所述第一多孔介质材料由不锈钢粉末烧结而成；所述第二多孔介质材料由铜粉末烧结而成。

4.根据权利要求3所述的基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：所述内壳体(11)外表面和外壳体(12)内表面均镀有铜膜。

5.根据权利要求1至4任一所述的基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：所述直流喷注孔(213)的孔径为1.5～2.5mm，孔长径比为2～3。

6.根据权利要求5所述的基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：所述直流喷注孔(213)沿环形凹槽的槽底周向均布。

7.根据权利要求6所述的基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：所述电火花塞(31)的点火端面与环形喷注板(211)的后端面齐平。

8.根据权利要求7所述的基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：所述电火花塞(31)与火花塞安装座(33)之间设置有密封垫片(32)。

9.根据权利要求8所述的基于微通道再生冷却技术的NOFBX推力室，其特征在于：所述外壳体(12)后端侧壁上设置有通孔，所述通孔外侧设置有安装槽，所述推进剂入口导管(41)一端固定安装在安装槽内。

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