CN113357052B - 一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于固液火箭发动机技术领域，针对现有技术中存在的沿药柱长度方向燃面后退不均匀的技术问题，本发明的目的在于提供一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，具体包括如下步骤：(1)建立药柱喷注通道：夹层药柱基体和夹层结构叶片相互连通形成喷注通道；(2)控制进气方式：气体氧化剂先沿着中空轴向气腔进气，气体氧化剂再沿着中空径向气腔向燃烧室内进气；(3)进行内部均匀喷注：氧化剂沿着该内部燃烧通道自内部向燃烧室均匀喷注。通过氧化剂通量沿药柱燃烧通道方向的恒定实现药柱燃面的均匀后退，此外，氧化剂在燃料通道内的喷注和叶片加强了对燃气的扰动作用均有利于提高湍流燃烧强度，进而提高药柱退移速率和发动机燃烧效率。

Description

一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法

技术领域

本发明属于固液火箭发动机技术领域，具体涉及一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法。

背景技术

固液火箭发动机采用固、液两种状态组合的推进剂，一般采用固体燃料与液体氧化剂的组合方式，在特点上兼具液体火箭发动机和固体火箭发动机的很多优点，比如结构简单、安全性好、推力可调、绿色环保等。

固液火箭发动机燃烧室内的燃烧反应属于典型的扩散燃烧，燃烧过程发生在远离燃料表面的边界层中且贯穿整个燃料通道。退移速率是固液发动机性能评估的一项关键指标，其描述的是单位时间内燃面的后退量，即参与燃烧的燃料质量流量。普遍认为，氧化剂旋流喷注是用于提升固液发动机退移速率的一种有效技术手段，但旋流喷注器普遍安装于药柱入口位置，旋流效应在药柱入口处较强而在药柱出口处有了明显的衰减，从而导致燃面在沿药柱长度方向的后退并不均匀，且随着燃面的逐渐后退旋流效应也逐渐减弱，带来沿药柱长度方向处燃烧的不充分、不均匀，加剧了固液发动机燃烧控制的难度。

发明内容

针对现有技术中存在的沿药柱长度方向燃面后退不均匀的技术问题，本发明的目的在于提供一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法。

本发明采取的技术方案为：

一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，具体包括如下步骤：

(1)建立药柱喷注通道：建立夹层药柱基体，夹层药柱基体中设置多组均匀排布的夹层结构叶片，燃料介质填充于相邻两组叶片之间，夹层药柱基体和夹层结构叶片相互连通形成喷注通道；

(2)控制进气方式：步骤(1)中的喷注通道喷注通道包括中空轴向气腔和中空径向气腔，前端为中空轴向气腔，后端为中空径向气腔，气体氧化剂自进气管进入夹层药柱基体内，先沿着中空轴向气腔进气，气体氧化剂再沿着中空径向气腔向燃烧室内进气；

(3)进行内部均匀喷注：夹层结构叶片的自由端部向燃烧室内延伸形成内部燃烧通道，氧化剂沿着该内部燃烧通道自内部向燃烧室均匀喷注。

进一步的，所述步骤(2)中的中空轴向气腔为药柱基体的夹层结构沿着药柱基体的轴线方向形成的环形结构的轴向气腔，中空径向气腔为夹层结构叶片的夹层结构沿着夹层药柱基体的径线方向延伸形成的中空径向气腔。

进一步的，所述步骤(1)和步骤(2)中的夹层药柱基体的外壁是由外壁a和外壁b组成的双重外壁结构，外壁a和外壁b之间间隔形成中空轴向气腔，每组夹层结构叶片是由叶片a和叶片b组成的双层叶片结构，叶片a和叶片b之间间隔形成中空径向气腔，中空轴向气腔和中空径向气腔相互连通。

所述步骤(3)中的内部燃烧通道沿着夹层药柱基体的中心轴向设置为中空圆柱体空腔结构，所述进气管分别与中空轴向气腔、内部燃烧通道相对应设置在夹层药柱基体的端部，氧化剂通过进气管依次进入中空轴向气腔、内部燃烧通道，从中空轴向气腔喷注的气体同步通过中空径向气腔进入内部燃烧通道进行均匀喷注。

进一步的，所述夹层结构叶片设置为等直板式结构、波浪形结构、螺旋形结构中的任意一种结构，其沿着中心轴线方向等间距呈环形排列在夹层药柱基体的内壁。

更进一步的，所述夹层药柱基体与夹层结构叶片的厚度设置相同，夹层结构叶片的两层叶片中间设置为中空结构，单层厚度为0.3-0.5mm，夹层结构叶片的叶片宽度与燃烧介质的内径设置一致。

进一步的，所述夹层药柱基体外框架设置为圆柱体结构，夹层药柱基体的长度与内径之比设置为5，夹层药柱基体的外径与内径的比值设置为3，所述夹层药柱基体采用ABS、铝合金或陶瓷中的任意一种3D打印材料制备而成，根据其材料的选择控制其参与燃烧或不参与燃烧。

进一步的，所述燃料介质为石蜡基燃料、HTPB、HDPE或PMMA中任意一种固液发动机燃料。

进一步的，所述药柱的成型方式至少包括以下两种：通过3D打印或浇注方式一体成型。

本发明的有益效果为：

夹层结构药柱基体中设置多组均布的夹层结构叶片，实现了氧化剂沿药柱燃烧通道方向的均匀喷注，即通过氧化剂通量沿药柱燃烧通道方向的恒定实现药柱燃面的均匀后退(燃面退移速率仅与氧化剂流量通量相关)，此外，氧化剂在燃料通道内的喷注和叶片加强了对燃气的扰动作用均有利于提高湍流燃烧强度，进而提高药柱退移速率和发动机燃烧效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种带螺旋形夹层结构叶片的固液发动机药柱结构剖视图a；

图2为本发明实施例提供的一种带螺旋形夹层结构叶片的固液发动机药柱结构剖视图b；

图3为本发明实施例提供的一种带螺旋形夹层结构叶片的固液发动机药柱横截面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种带波浪形夹层结构叶片的固液发动机药柱结构剖视图a；

图5为本发明实施例提供的一种带波浪形夹层结构叶片的固液发动机药柱结构剖视图b；

其中，1、夹层药柱基体；1-1、外壁a；1-2、外壁b；1-3、中空轴向气腔；1-4、内部燃烧通道；2、进气管；3、夹层结构叶片；3-1、叶片a；3-2、叶片b；3-3、中空径向气腔；4、燃料介质。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例指示本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动成果前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在解释某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系，运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例1

如图1至图5所示，一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，具体包括如下步骤：

(1)建立药柱喷注通道：建立夹层药柱基体1，夹层药柱基体1中设置多组均匀排布的夹层结构叶片3，燃料介质4填充于相邻两组叶片之间，夹层药柱基体1和夹层结构叶片3相互连通形成喷注通道；

(2)控制进气方式：步骤(1)中的喷注通道前端为中空轴向气腔1-3，后端为中空径向气腔3-3，气体氧化剂自进气管2进入夹层药柱基体1内，先沿着中空轴向气腔1-3进气，气体氧化剂再沿着中空径向气腔3-3向燃烧室内进气；

(3)进行内部均匀喷注：夹层结构叶片3的自由端部向燃烧室内延伸形成内部燃烧通道1-4，氧化剂沿着该内部燃烧通道1-4自内部向燃烧室均匀喷注。

所述步骤(2)中的中空轴向气腔1-3为药柱基体的夹层结构沿着药柱基体的轴线方向形成的环形结构的轴向气腔，中空径向气腔3-3为夹层结构叶片3的夹层结构沿着夹层药柱基体1的径线方向延伸形成的中空径向气腔3-3。

本发明通过控制氧化剂沿药柱燃烧通道方向的均匀喷注来实现。具体的过程是设计一种全新的夹层结构药柱基体，该基体中设置多组均布的夹层结构叶片3，燃料介质4填充于相邻两组叶片之间，氧化剂进入该基体后从叶片夹层中空处均匀喷出，实现了氧化剂沿药柱燃烧通道方向的均匀喷注，从而保证氧化剂通量在沿药柱燃烧通道方向的均匀分布，最终实现药柱燃面的均匀后退。

本发明的又一实施例，如图1至图5所示，一种全新的夹层结构药柱基体结构，包括夹层结构药柱基体，夹层结构药柱基体设置有多组夹层结构叶片3，药柱基体的夹层结构沿着药柱基体的轴线方向形成的环形结构的轴向气腔，夹层结构叶片3的夹层结构沿着夹层药柱基体1的径线方向延伸形成的中空径向气腔3-3。

夹层药柱基体1的外壁是由外壁a1-1和外壁b1-2组成的双重外壁结构，外壁a1-1和外壁b1-2之间间隔形成中空轴向气腔1-3，每组夹层结构叶片3是由叶片a3-1和叶片b3-2组成的双层叶片结构，叶片a3-1和叶片b3-2之间间隔形成中空径向气腔3-3，中空轴向气腔1-3和中空径向气腔3-3相互连通。

内部燃烧通道1-4沿着夹层药柱基体1的中心轴向设置为中空圆柱体空腔结构，所述进气管2分别与中空轴向气腔1-3、内部燃烧通道1-4相对应设置在夹层药柱基体1的端部，氧化剂通过进气管2依次进入中空轴向气腔1-3、内部燃烧通道1-4，从中空轴向气腔1-3喷注的气体同步通过中空径向气腔3-3进入内部燃烧通道1-4进行均匀喷注。

该方法提出了一种全新的氧化剂喷注方法，突破了常规氧化剂上游喷注带来的沿燃烧通道方向的氧化剂通量不均匀、进而导致燃面后退不一致的问题，此外结构叶片对气流扰动作用和氧化剂在燃料通道内的喷注均有利于提高湍流燃烧强度，进而提高药柱退移速率和发动机燃烧效率；另外，采用含叶片基体机构，大幅提高了药柱的机械性能，即提高了固液火箭发动机的安全性。

本发明的又一实施例，如图1至图5所示，一种全新的夹层结构药柱基体结构，包括夹层结构药柱基体，夹层结构药柱基体设置有多组夹层结构叶片3，夹层药柱基体1和夹层结构叶片3均为采用常规的3D打印材料例如ABS、铝合金、陶瓷等一体制备，相邻的叶片间填充有燃料介质4，燃料介质4为石蜡基燃料、HTPB等固液发动机药柱常规燃料。

其中，夹层药柱基体1与夹层结构叶片3的厚度设置相同，夹层结构叶片3的两层叶片中间设置为中空结构，夹层结构叶片3的厚度为0.3-0.5mm，夹层结构叶片3的叶片宽度与燃烧介质的内径设置一致，数量为6组以上(可根据实际需求灵活调整)，

如图1至图3所示，所述夹层结构叶片3设置为螺旋形结构，其沿着中心轴线方向等间距呈环形排列在夹层药柱基体1的内壁。

如图4、图5所示，所述夹层结构叶片3设置为波浪形结构，其沿着中心轴线方向等间距呈环形排列在夹层药柱基体1的内壁。

在本发明的一个实施例中，如图1至图5所示，基体与叶片厚度相同，均为0.5mm，长度100mm，叶片宽度与燃烧介质的内径一致均为20mm，药柱外径为60mm，所述夹层药柱基体1外框架设置为圆柱体结构，夹层药柱基体1的长度与内径之比设置为5，夹层药柱基体1的外径与内径的比值设置为3，所述夹层药柱基体1采用ABS、铝合金或陶瓷中的任意一种3D打印材料制备而成，根据其材料的选择控制其参与燃烧或不参与燃烧。通过上述结构设计应用于固液发动机中，不仅能够实现螺旋喷注提升燃料介质4的退移速率，同时可实现沿药柱长度方向燃面的均匀后退，对实现发动机燃烧控制和动力精确调节极有帮助。

在本发明的一个实施例中，如图1至图5所示，夹层药柱基体1、夹层结构叶片3以及燃烧介质采用增材制造加浇注成型的方式，选用AlSi10Mg合金粉末，采用增材制造技术实现夹层药柱基体1与夹层结构叶片3的一体化成型，之后以夹层药柱基体1为模具，浇注石蜡基燃料。通过该特殊结构设计，实现燃料通道内燃面的均匀后退，从而降低发动机动力精确调节难度。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的同等修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)建立药柱喷注通道：建立夹层药柱基体，夹层药柱基体中设置多组均匀排布的夹层结构叶片，燃料介质填充于相邻两组叶片之间，夹层药柱基体和夹层结构叶片相互连通形成喷注通道；

(2)控制进气方式：喷注通道包括中空轴向气腔和中空径向气腔，气体氧化剂自进气管进入夹层药柱基体内，先沿着中空轴向气腔进气，气体氧化剂再沿着中空径向气腔向燃烧室内进气；

(3)进行内部均匀喷注：夹层结构叶片的自由端部向燃烧室内延伸形成内部燃烧通道，氧化剂沿着该内部燃烧通道向燃烧室均匀喷注；

所述步骤(2)中的中空轴向气腔为药柱基体的夹层结构沿着药柱基体的轴线方向形成的环形结构的轴向气腔，中空径向气腔为夹层结构叶片的夹层结构沿着夹层药柱基体的径向方向延伸形成的中空径向气腔。

2.根据权利要求1所述的一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)中的夹层药柱基体的外壁是由外壁a和外壁b组成的双重外壁结构，外壁a和外壁b之间间隔形成中空轴向气腔，每组夹层结构叶片是由叶片a和叶片b组成的双层叶片结构，叶片a和叶片b之间间隔形成中空径向气腔，中空轴向气腔和中空径向气腔相互连通。

3.根据权利要求1所述的一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，其特征在于，所述夹层结构叶片设置为等直板式结构、波浪形结构、螺旋形结构中的任意一种结构，其沿着中心轴线方向等间距呈环形排列在夹层药柱基体的内壁。

4.根据权利要求3所述的一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，其特征在于，所述夹层药柱基体与夹层结构叶片的厚度设置相同，夹层结构叶片的两层叶片中间设置为中空结构，单层厚度为0.3-0.5mm，夹层结构叶片的叶片宽度与燃烧介质的内径设置一致。

5.根据权利要求1所述的一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，其特征在于，所述夹层药柱基体外框架设置为圆柱体结构，夹层药柱基体的长度与燃烧介质的内径之比设置为5，夹层药柱基体的外径与燃烧介质的内径的比值设置为3，所述夹层药柱基体采用ABS、铝合金或陶瓷中的任意一种3D打印材料制备而成，根据其材料的选择控制其参与燃烧或不参与燃烧。

6.根据权利要求1所述的一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，其特征在于，所述燃料介质为石蜡基燃料、HTPB、HDPE或PMMA中任意一种固液发动机燃料。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种固液发动机药柱燃面均匀后退控制方法，其特征在于，所述药柱的成型方式至少包括以下两种：通过3D打印和浇注方式一体成型。

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