CN113339162A - 耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，涉及固液混合火箭发动机技术领域，解决了现有技术存在催化床通常采用焊接形式，催化床压降是固定的，不能依据具体任务要求调节喷注压降的技术问题。该催化床中：发动机头盖与催化床支撑外壳、催化床支撑外壳与燃烧室壳体可拆卸连接；头盖支撑环和氧化剂液体喷注面板均设置于发动机头盖中，发动机头盖与氧化剂液体喷注面板可拆卸连接，发动机头盖、头盖支撑环与氧化剂液体喷注面板之间形成氧化剂集液头腔；氧化剂催化床组件设置在催化床支撑外壳中。本发明用于实现催化床的模块化，依据具体任务要求调节催化床喷注压降。

Description

耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床

技术领域

本发明涉及固液混合火箭发动机技术领域，尤其是涉及一种耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床。

背景技术

典型固液混合火箭发动机一般采用液体氧化剂和固体燃料作为推进剂，是一种新型火箭推进系统。相比于固体火箭发动机，固液混合火箭发动机具有能量特性高，推力连续可调，可以多次启停等优势；相比于液体火箭发动机，固液混合火箭发动机具有结构简单，推力调节容易等优势，因此固液混合火箭发动机具有很好的应用前景，非常适合作为变推力火箭发动机。在航空航天领域，特别是在民用航天领域中的中小型探空火箭动力系统、亚轨道飞行器动力系统和中小型卫星姿轨控动力系统等方面的发展前景被普遍看好。无论是低负载货物运输还是太空旅游和勘探，固液火箭发动机均可以提供比传统的固体和液体火箭发动机更安全，成本更低廉的解决方案。

由于固液混合火箭发动机采用了液体氧化剂和固体燃料两种处于不同物相、非预混的推进剂组合，固液混合火箭发动机难以实现自行点火，因此点火技术成为了固液混合火箭发动机关键技术之一。在固液混合火箭发动机中，一般采用点火器点火或者催化点火。点火器式点火方案通常结构较为简单，可以实现固液混合火箭发动机的单次点火，但对于存在多次启停需求的固液混合火箭发动机却无能为力。催化点火方案可以实现固液混合火箭发动机的多次启停，氧化剂通过催化床催化分解放出热量，加热固体燃料药柱使其热解，氧化剂与热解气体在高温环境下自燃从而实现固液火箭发动机的点火。氧化剂催化点火方案可以有效实现固液混合火箭发动机的多次点火，特别适用于有多次启停需求的固液混合火箭发动机。

然而，传统催化床由于耐高温和可靠性需求通常采用焊接形式，导致催化床压降是固定的，不能依据具体任务要求调节喷注压降，压降过大会造成氧化剂节流，不能达到预定流量；压降过小会造成雾化不均匀，催化效果差。因此，有必要为固液混合火箭发动机设计一种能够根据具体任务调节催化床压降，并且能够满足耐高温需求的催化床。将催化床设计为组合式催化床结构可以解决调节压降的问题，但是，由于固液混合火箭发动机催化床分解温度较高，热环境极端恶劣，对于长时间工作的固液混合火箭发动机而言，组合式催化床结构在高温环境中保持良好的密封较为困难。

发明内容

本发明的目的是提出一种耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，解决了现有技术存在催化床通常采用焊接形式，催化床压降是固定的，不能依据具体任务要求调节喷注压降的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供实施例的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，包括发动机头盖、头盖支撑环、氧化剂液体喷注面板、氧化剂催化床组件、催化床支撑外壳以及燃烧室壳体，其中：

发动机头盖与催化床支撑外壳可拆卸连接，催化床支撑外壳与燃烧室壳体可拆卸连接；

头盖支撑环以及氧化剂液体喷注面板均设置于发动机头盖中，发动机头盖与氧化剂液体喷注面板可拆卸连接，发动机头盖、头盖支撑环与氧化剂液体喷注面板之间形成氧化剂集液头腔；

氧化剂催化床组件设置在催化床支撑外壳中。

在可选地实施例中，发动机头盖的中心设置有氧化剂入口，头盖支撑环设置有径向开孔，氧化剂液体喷注面板上设置有阶梯孔。

在可选地实施例中，氧化剂催化床组件包括催化床壳体、催化网以及氧化剂气体喷注面板，氧化剂气体喷注面板上设置有氧化剂气体喷注孔。

在可选地实施例中，还包括密封件，发动机头盖与催化床支撑外壳之间、发动机头盖与氧化剂液体喷注面板之间，以及催化床支撑外壳与燃烧室壳体之间，均通过密封件进行密封。

在可选地实施例中，催化床支撑外壳为筒状结构，催化床支撑外壳的内壁面由上至下设计为大内径段、中内径段以及小内径段。

在可选地实施例中，大内径段设置有第一定位台肩以及密封槽。

在可选地实施例中，还包括调整挡环，中内径段与小内径段的交界处形成第二定位台肩，氧化剂催化床组件和调整挡环同轴固定于中内径段内。

在可选地实施例中，小内径段设置氧化剂催化加强段，调整挡环能调节氧化剂催化加强段的长度。

在可选地实施例中，调整挡环的高度与氧化剂催化床组件的直径之比为0.05～0.1。

在可选地实施例中，燃烧室壳体中设置有燃烧室绝热层和前封头绝热挡板。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

现有技术中，传统催化床由于耐高温和可靠性需求通常采用焊接形式，因此催化床压降是固定的，不能依据具体任务要求调节喷注压降，压降过大会造成氧化剂节流，不能达到预定流量；压降过小会造成雾化不均匀，催化效果差。

本发明采用模块化设计，发动机头盖与催化床支撑外壳可拆卸连接，催化床支撑外壳与燃烧室壳体可拆卸连接，发动机头盖与氧化剂液体喷注面板可拆卸连接，可以通过调整氧化剂液体喷注面板的喷注孔直径来改变发动机氧化剂催化床结构压降，即在具体任务要求发生改变时，转换为具有相匹配的喷注孔直径的氧化剂液体喷注面板来改变压降，所以解决了现有技术存在催化床通常采用焊接形式，催化床压降是固定的，不能依据具体任务要求调节喷注压降的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床的剖视结构示意图；

图2是本发明实施例提供的氧化剂催化床组件的结构示意图。

附图标记：1、发动机头盖；101、氧化剂入口；102、氧化剂集液头腔；2、头盖支撑环；3、氧化剂液体喷注面板；301、阶梯孔；4、密封件；7、催化床支撑外壳；8、氧化剂催化床组件；801、催化床壳体；802、催化网；803、氧化剂气体喷注面板；9、调整挡环；901、氧化剂催化加强段；11、燃烧室绝热层；12、前封头绝热挡板；13、燃烧室壳体。

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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明实施例之一，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明实施例提供了一种耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床。

下面结合图1～图2对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

如图1～图2所示，本发明实施例所提供的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床包括发动机头盖1、头盖支撑环2、氧化剂液体喷注面板3、氧化剂催化床组件8、催化床支撑外壳7以及燃烧室壳体13，其中：

发动机头盖1与催化床支撑外壳7可拆卸连接，催化床支撑外壳7与燃烧室壳体13可拆卸连接；

头盖支撑环2以及氧化剂液体喷注面板3均设置于发动机头盖1中，发动机头盖1与氧化剂液体喷注面板3可拆卸连接，发动机头盖1、头盖支撑环2与氧化剂液体喷注面板3之间形成氧化剂集液头腔102；

氧化剂催化床组件8设置在催化床支撑外壳7中。

现有技术中，传统催化床由于耐高温和可靠性需求通常采用焊接形式，因此催化床压降是固定的，不能依据具体任务要求调节喷注压降，压降过大会造成氧化剂节流，不能达到预定流量；压降过小会造成雾化不均匀，催化效果差。

本发明采用模块化设计，发动机头盖1与催化床支撑外壳7可拆卸连接，催化床支撑外壳7与燃烧室壳体13可拆卸连接，发动机头盖1与氧化剂液体喷注面板3可拆卸连接，可以通过调整氧化剂液体喷注面板3的喷注孔直径来改变发动机氧化剂催化床结构压降，所以解决了现有技术存在催化床通常采用焊接形式，催化床压降是固定的，不能依据具体任务要求调节喷注压降的技术问题。

作为可选地实施方式，发动机头盖1的中心设置有氧化剂入口101，头盖支撑环2设置有径向开孔，氧化剂液体喷注面板3上设置有阶梯孔301。

作为可选地实施方式，氧化剂催化床组件8包括催化床壳体801、催化网802以及氧化剂气体喷注面板803，氧化剂气体喷注面板803上设置有氧化剂气体喷注孔。

作为可选地实施方式，还包括密封件4，发动机头盖1与催化床支撑外壳7之间、发动机头盖1与氧化剂液体喷注面板3之间，以及催化床支撑外壳7与燃烧室壳体13之间，均通过密封件4进行密封。

作为可选地实施方式，催化床支撑外壳7为筒状结构，催化床支撑外壳7的内壁面由上至下设计为大内径段、中内径段以及小内径段。

作为可选地实施方式，大内径段设置有第一定位台肩以及密封槽。

作为可选地实施方式，还包括调整挡环9，中内径段与小内径段的交界处形成第二定位台肩，氧化剂催化床组件8和调整挡环9同轴固定于中内径段内。

作为可选地实施方式，小内径段设置氧化剂催化加强段901，调整挡环9能调节氧化剂催化加强段901的长度。

作为可选地实施方式，调整挡环9的高度与氧化剂催化床组件8的直径之比为0.05～0.1。

作为可选地实施方式，燃烧室壳体13中设置有燃烧室绝热层11和前封头绝热挡板12。

本发明中提出了一种耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床结构。将氧化剂催化床结构设计为组合式，因此可以通过调节催化床前液体喷注面板孔径，调节催化床整体压降。同时，通过合理的催化床安装结构和热防护方案设计，可以保证催化床在热环境极端恶劣条件下可靠稳定的长时间工作。

氧化剂催化床组件8为柱状结构，内部布置多层镍基银网；氧化剂催化床组件8底部为氧化剂气体喷注面板803。氧化剂催化床组件8设置在催化床支撑外壳7中，催化床支撑外壳7通过连接螺栓安装于发动机头部，实现氧化剂催化床组件8与发动机间的同轴固定。

发动机头盖1中心设计有氧化剂入口101，且在发动机头盖1与氧化剂液体喷注面板3之间具有氧化剂集液头腔102，发动机头盖1与催化床支撑外壳7通过螺栓连接实现同轴固定；头盖支撑环2设计有径向开孔，头盖支撑环2与发动机头盖1和氧化剂液体喷注面板3均通过第一定位台肩固定；氧化剂液体喷注面板3设计有大量阶梯孔301；调整挡环9与催化床支撑外壳7均采用耐高温合金材料；密封件4采用耐高温金属充气O型圈，也可以采用石墨密封。

在固液混合火箭发动机工作过程中，液体氧化剂通过发动机头盖1上的入口进入，到达氧化剂液体喷注面板3之间的氧化剂集液头腔102中，在发动机集液头腔被氧化剂充满后，氧化剂在输送系统的压力作用下，通过氧化剂液体喷注面板3喷注雾化后进入氧化剂催化床组件8内。在氧化剂催化床组件8中，液体氧化剂在镀银镍网的催化作用下催化分解为温度较高的氧化剂气体，通过氧化剂气体喷注面板803均匀喷注，在氧化剂催化加强段901进一步分解之后进入发动机燃烧室内。在发动机燃烧室内，高温氧化剂气体对固体燃料药柱进行加热，使药柱热解产生燃料气体。在高温下，氧化剂气体与燃料气体掺混后发生燃烧，从而实现固液混合火箭发动机的点火。

氧化剂催化床组件8可在不同固液火箭发动机中多次重复使用，包括催化床壳体801、催化网802与氧化剂气体喷注面板803，如图2所示。其中，催化床壳体801为圆筒形，上侧与氧化剂液体喷注面板3配合，下侧与氧化剂气体喷注面板803侧壁外缘周向焊接为一体，同时在催化床壳体801内部装填催化网802。氧化剂气体喷注面板803上设计有氧化剂气体喷注孔，氧化剂气体喷注孔周向上分多层布置，每层周向均布。

上述氧化剂液体喷注面板3可以通过设计不同喷注孔直径改变压降，从而适应固液混合火箭发动机不同工况下的流量要求，氧化剂液体喷注孔周向上分多层布置，每层周向均布。氧化剂液体喷注面板3固定于发动机头盖1中，通过定位台肩定位，上侧与头盖支撑环2相连接。其圆周表面设计有密封槽可以通过加装金属充气O型密封圈实现高温下密封。

上述氧化剂催化床组件8固定于催化床支撑外壳7中。催化床支撑外壳7内壁面设计为大内径段，中内径段以及小内径段，大内径段设计有头盖定位台肩以及密封槽，可以使发动机头盖1定位并通过金属充气O型密封圈保持两者之间密封。中内径段与小内径段形成定位台肩，氧化剂催化床组件8和调整挡环9同轴固定于中内径段内，通过定位台肩定位。催化床支撑外壳7通过法兰连接与发动机头盖1实现同轴固定。发动机头盖1与催化床支撑外壳7上端面接触面上设计有密封槽，通过加装金属充气O型密封圈实现高温下密封，形成双重密封。

上述发动机头盖1中装有头盖支撑环2以及氧化剂液体喷注面板3，头盖支撑环2通过定位台肩实现与发动机头盖1同轴定位，并且其下端连接于氧化剂液体喷注面板3，通过氧化剂液体喷注面板3实现轴向定位。发动机头盖1中心设计有氧化剂入口101，并在氧化剂液体喷注面板3上部形成氧化剂集液头腔102，用来保证氧化剂可以均匀喷注进氧化剂催化床组件8中。头盖支撑环2可以在催化床直径较大且具有较大的反压时实现稳定支撑。

上述调整挡环9安装于催化床支撑外壳7中，通过调整高度控制氧化剂催化加强段901长度，控制氧化剂催化分解效果，在氧化剂催化加强段901存在高温分解气体以及未完全分解液体氧化剂液滴，通过该段的高温分解气体的加热以及发动机前燃室向该段的传热，可以实现未完全分解液体氧化剂液滴的进一步分解，同时对前燃室以及催化床起到一定的隔离作用，帮助提升氧化剂催化床热防护效果。

在固液混合火箭发动机点火启动过程中，液体氧化剂通过发动机头盖1上的氧化剂入口101进入氧化剂集液头腔102中。待液体氧化剂将氧化剂集液头腔102填充完全后，上游高压液体的输送下经过氧化剂液体喷注面板3的喷注孔均匀喷注进入氧化剂催化网802内。在催化床中，液体氧化剂在催化网802的催化作用下迅速催化分解为温度较高的氧化剂气体，之后氧化剂气体经过氧化剂气体喷注面板803上的氧化剂气体喷注孔喷注进入发动机燃烧室内。氧化剂气体在进入发动机燃烧室后，对固体燃料药柱进行被动加热，使其受热分解产生燃料气体，之后氧化剂气体与燃料气体掺混后发生燃烧，从而实现固液混合火箭发动机的点火启动。

在固液混合火箭发动机的长时间工作过程中，发动机燃烧室壳体13中设计有燃烧室绝热层11和前封头绝热挡板12，可以对发动机燃烧室壳体13实现较好的热防护效果；催化床支撑外壳7和调整挡环9均采用耐高温合金GH1131，可以实现良好的热防护效果，可以保证上述结构件在发动机恶劣的热环境下长时间工作不失效；在氧化剂催化加强段901内，可以通过该段的高温分解气体的加热以及发动机前燃室向该段的传热，实现未完全分解液体氧化剂液滴的进一步分解，并有效阻隔发动机前燃室内的高温燃气向发动机催化床组件的流动和传热，从而保证催化床组件在长时间工作后不会因温度过高而失效；同时各组件密封处采用耐高温金属充气O型圈，通过该密封方式可以实现发动机催化床结构的模块化，可以在保证密封效果的同时保证上述结构件在发动机恶劣的热环境下长时间工作不失效。

本发明的优点在于：

1.本发明耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，采用组合式催化床结构，可以调节固液混合火箭发动机的催化床压降，在实现氧化剂催化分解的同时，不会出现由于液体喷注面板过大或过小的喷注压降导致的节流或者雾化不均匀现象的发生，能够实现固液混合火箭发动机催化床系统的稳定可靠工作，更加符合固液混合火箭发动机催化床地面试验系统的需求。

2.本发明耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，利用调整挡环9在催化床出口与前燃室之间形成一段氧化剂分解加强段，可以利用该分解加强段的高温进一步对催化床分解产物加热促进其分解，同时可以利用该分解加强段有效隔绝发动机前燃室内的高温燃气对氧化剂催化床的传热，氧化剂催化床热防护效果显著增强；

3.本发明耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床结构，在密封位置均采用耐高温金属充气O型圈，同时在分解区域均采用GH1131高温合金，可以对氧化剂催化床形成很好的热防护，特别是采用耐高温金属充气O型圈对催化床密封结构形成了良好的热防护，可以保证氧化剂催化床及其密封结构在发动机内长时间工作不失效；

4.本发明耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床结构，采用组合式催化床，各组件均可进行替换，实现固液混合火箭发动机催化床模块化应用，在固液混合火箭发动机地面试验中能够明显降低试验成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，包括发动机头盖、头盖支撑环、氧化剂液体喷注面板、氧化剂催化床组件、催化床支撑外壳以及燃烧室壳体，其中：

所述发动机头盖与所述催化床支撑外壳可拆卸连接，所述催化床支撑外壳与所述燃烧室壳体可拆卸连接；

所述头盖支撑环以及所述氧化剂液体喷注面板均设置于所述发动机头盖中，所述发动机头盖与所述氧化剂液体喷注面板可拆卸连接，所述发动机头盖、所述头盖支撑环与所述氧化剂液体喷注面板之间形成氧化剂集液头腔；

所述氧化剂催化床组件设置在所述催化床支撑外壳中。

2.根据权利要求1所述的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，所述发动机头盖的中心设置有氧化剂入口，所述头盖支撑环设置有径向开孔，所述氧化剂液体喷注面板上设置有阶梯孔。

3.根据权利要求1所述的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，所述氧化剂催化床组件包括催化床壳体、催化网以及氧化剂气体喷注面板，所述氧化剂气体喷注面板上设置有氧化剂气体喷注孔。

4.根据权利要求1所述的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，还包括密封件，所述发动机头盖与所述催化床支撑外壳之间、所述发动机头盖与所述氧化剂液体喷注面板之间，以及所述催化床支撑外壳与所述燃烧室壳体之间，均通过所述密封件进行密封。

5.根据权利要求1所述的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，所述催化床支撑外壳为筒状结构，所述催化床支撑外壳的内壁面由上至下设计为大内径段、中内径段以及小内径段。

6.根据权利要求5所述的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，所述大内径段设置有第一定位台肩以及密封槽。

7.根据权利要求5所述的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，还包括调整挡环，所述中内径段与所述小内径段的交界处形成第二定位台肩，所述氧化剂催化床组件和所述调整挡环同轴固定于所述中内径段内。

8.根据权利要求7所述的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，所述小内径段设置氧化剂催化加强段，所述调整挡环能调节所述氧化剂催化加强段的长度。

9.根据权利要求7所述的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，所述调整挡环的高度与所述氧化剂催化床组件的直径之比为0.05～0.1。

10.根据权利要求1所述的耐高温可调压降固液混合火箭发动机催化床，其特征在于，所述燃烧室壳体中设置有燃烧室绝热层和前封头绝热挡板。

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