CN113530714A - 一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于泵压式发动机起动点火方法及系统，为解决目前具备三次及以上起动能力的泵压式液体火箭发动机，系统复杂且可靠性低，采用的自燃点火剂由于剧毒且与空气接触会发生自燃，导致使用维护性差的技术问题，提供基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法及系统，通过高压氮气分别对过氧化氢和煤油增压，过氧化氢在催化剂的作用下分解为高温气体，并与煤油燃烧产生高温燃气驱动涡轮旋转或进入推力室，涡轮带动与其同轴相连的氧化剂泵和燃料泵同步工作对氧化剂和燃料增压，分别进入推力室和燃气发生器，进入推力室的高温燃气使推力室中的煤油自燃，并点燃进入推力室的氧化剂和燃料，使推力室工作并产生推力。

Description

一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法及系统

技术领域

本发明属于泵压式发动机起动点火方法及系统，具体涉及一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统。

背景技术

能够回收和重复使用的运载火箭，由于其发射成本低被广泛应用。其中，泵压式液体火箭发动机是该类火箭的关键部分，其具有高性能且能够重复使用。

当前，绝大多数泵压式液体火箭发动机均为一次起动，不具备多次起动和点火能力，仅有少数发动机具备两次起动和点火能力，其通过分别安装两个火药启动器和两个火药点火器来实现发动机的两次起动，但由于受发动机空间结构的限制，这种方案无法实现三次以上的起动。还有发动机采用氦气/氮气吹除涡轮结合多次喷注自燃点火剂的方案，实现了发动机的多次起动和点火，为实现多次起动，需要设置一套高压氦气/氮气供应系统，为实现多次点火，还需要设置一套单独的点火剂供应系统，系统复杂，可靠性低，而且，对于大推力发动机，多次起动需要大量高压氦气，将给火箭系统造成负担，另外，实现多次点火的自燃点火剂一般采用与煤油相容的三乙基铝和三乙基硼混合液，有剧毒，且与空气接触会发生自燃，安全性和使用维护性较差。

发明内容

本发明为解决目前具备三次及以上起动能力的泵压式液体火箭发动机，需要额外设置一套高压氦气/氮气供应系统和一套单独的点火剂供应系统，系统复杂且可靠性低，携带大量高压氦气将给火箭系统造成负担，采用的自燃点火剂由于剧毒且与空气接触会发生自燃，导致使用维护性差的技术问题，提供一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，通过高压氮气分别对过氧化氢和煤油增压；增压后的过氧化氢在催化剂的作用下分解为高温气体，与增压后的煤油燃烧后产生高温燃气，一部分驱动涡轮工作，另一部分进入推力室待用；

S2，涡轮带动与其同轴相连的氧化剂泵和燃料泵同步工作，通过氧化剂泵和燃料泵分别对氧化剂和燃料增压，增压后的氧化剂和燃料一部分进入推力室，另一部分进入燃气发生器；

S3，进入推力室的高温燃气使推力室中已有燃料自燃，并点燃进入推力室的氧化剂和燃料，使推力室工作并产生推力；

进入燃气发生器的氧化剂和燃料在涡轮中高温燃气的作用下点火燃烧，产生的燃气驱动涡轮继续工作，直至达到预设工况，切断过氧化氢和煤油进入起动器和推力室的点火器，完成起动点火。

本发明还提供了一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特殊之处在于，用于实现上述基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，包括氮气供应单元、过氧化氢贮箱、点火器、煤油贮箱、燃料泵、氧化剂泵、推力室、起动器、涡轮和燃气发生器；

所述氮气供应单元分别与过氧化氢贮箱入口和煤油贮箱入口连通，过氧化氢贮箱出口和煤油贮箱出口均与起动器入口连通，起动器出口与涡轮连通；

所述涡轮、燃料泵和氧化剂泵同轴连接；

所述燃气发生器与涡轮连通；

所述点火器入口分别与过氧化氢贮箱和起动器之间的管路、煤油贮箱和起动器之间的管路连通；

所述燃料泵出口和氧化剂泵出口均与燃气发生器连通；

所述推力室与点火器出口、燃料泵出口、氧化剂泵出口连通；

所述起动器和点火器中设有用于催化过氧化氢的催化剂。

进一步地，所述氮气供应单元包括氮气瓶、气体截止阀和减压阀；

所述气体截止阀和减压阀依次设置于氮气瓶至过氧化氢贮箱和煤油贮箱之间的管路上。

进一步地，所述起动器包括依次连通的催化剂床、气喷嘴、燃料喷嘴和燃烧室；

所述催化剂床的入口与过氧化氢贮箱连通；

所述燃烧室内设有均流器；

所述气喷嘴出口与燃料喷嘴入口连接处，气喷嘴外壁与燃料喷嘴内壁之间沿周向设有间隙；

所述燃料喷嘴入口端侧壁沿周向开设有多个燃料喷孔，所述燃料喷孔沿燃料喷嘴侧壁切向开设并延伸至燃料喷嘴内，燃料喷孔出口位于所述间隙内，燃料喷孔与煤油贮箱连通。

进一步地，所述气喷嘴内设有节流孔板或节流孔。

进一步地，所述燃料喷嘴内壁呈锥面，其小端朝向燃烧室。

进一步地，所述起动器包括依次连通的催化剂床、前燃料喷嘴、前燃烧室、后燃料喷嘴和后燃烧室；

所述催化剂床的入口与过氧化氢贮箱连通；

所述前燃料喷嘴的侧壁上开设有多个前喷孔，所述后燃料喷嘴的侧壁上开设有多个后喷孔，前喷孔和后喷孔均与煤油贮箱连通，前喷孔用于部分煤油进入前燃烧室，后喷孔用于另一部分煤油进入后燃烧室；

所述前燃料喷嘴与催化剂床相连的一端设有节流孔或节流孔板。

进一步地，所述前喷孔包括多个均布的前燃料喷孔和多个均布的前冷却喷孔；前燃料喷嘴与前燃烧室同轴设置，前燃料喷孔的轴线与前燃烧室的轴线相垂直，前冷却喷孔的出口朝向前燃烧室的内壁；

所述后喷孔包括多个均布的后燃料喷孔和多个均布的后冷却喷孔，前燃烧室、后燃料喷嘴和后燃烧室同轴设置，后燃料喷孔的轴线与所述后燃烧室的轴线具有夹角，后冷却喷孔的出口朝向所述后燃烧室的内壁设置。

所述前燃料喷嘴包括第一前喷嘴段和第二前喷嘴段；

所述第一前喷嘴段的内径小于催化剂床出口处内径，且小于第二前喷嘴段的内径，使第一前喷嘴段内腔形成节流孔或用于设置节流孔板；

所述第二前喷嘴段呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向第一前喷嘴段；所述前燃料喷孔沿第二前喷嘴段靠近第一前喷嘴段部分的径向设置，所述前冷却喷孔设置在第二前喷嘴段的阶梯面上；

所述后燃料喷嘴呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向前燃烧室；所述后燃料喷孔和所述后冷却喷孔均设置在后燃料喷嘴的阶梯面上。

另外，本发明还提供了一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特殊之处在于，用于实现上述基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，包括氮气供应单元、过氧化氢贮箱、煤油贮箱、燃料泵、氧化剂泵、推力室、起动器、涡轮和燃气发生器；

所述氮气供应单元分别与过氧化氢贮箱入口和煤油贮箱入口连通，过氧化氢贮箱出口和煤油贮箱出口均与起动器入口连通，起动器出口与涡轮连通；

所述涡轮、燃料泵和氧化剂泵同轴连接；

所述燃气发生器与涡轮连通；

所述燃料泵出口和氧化剂泵出口均与燃气发生器连通；

所述推力室与起动器和涡轮之间的管路、燃料泵出口、氧化剂泵出口连通；

所述起动器中设有用于催化过氧化氢的催化剂。

进一步地，所述起动器包括依次连通的催化剂床、气喷嘴、燃料喷嘴和燃烧室；所述催化剂床的入口与过氧化氢贮箱连通；所述燃烧室内设有均流器；所述气喷嘴出口与燃料喷嘴入口连接处，气喷嘴外壁与燃料喷嘴内壁之间沿周向设有间隙；所述燃料喷嘴入口端侧壁沿周向开设有多个燃料喷孔，所述燃料喷孔沿燃料喷嘴侧壁切向开设并延伸至燃料喷嘴内，燃料喷孔出口位于所述间隙内，燃料喷孔与煤油贮箱连通；

或者，所述起动器包括依次连通的催化剂床、前燃料喷嘴、前燃烧室、后燃料喷嘴和后燃烧室；所述催化剂床的入口与过氧化氢贮箱连通；所述前燃料喷嘴的侧壁上开设有多个前喷孔，所述后燃料喷嘴的侧壁上开设有多个后喷孔，前喷孔和后喷孔均与煤油贮箱连通，前喷孔用于部分煤油进入前燃烧室，后喷孔用于另一部分煤油进入后燃烧室；所述前燃料喷嘴与催化剂床相连的一端设有节流孔或节流孔板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，通过较为简单的起动点火方法完成了多次起动点火的目的，过程中使用的试剂均无毒且安全可靠，过氧化氢经催化后生成高温气体，与煤油燃烧后能够生成温度更高的高温燃气，更加有利于起动点火，效率更高。

2.本发明提出了两种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，一种包含点火器，一种可以不单独设置点火器，起动器和点火器均采用常温无毒的过氧化氢作为介质，与传统的火药起动器和火药点火器相比，更易实现多次起动，且更加安全可靠。另外，不设置点火器的方案，成本更低，系统结构更简单。

3.本发明系统采用集成化设计思想满足了多次起动和点火需求，系统简单可靠，过氧化氢单组元起动器和点火器一体化设计，还采用了液体起动器，整体质量轻，使用维护性好，是一种较为理想的发动机启动点火方案。

4.本发明中起动器可兼用发生器点火器功能，同时，还实现了涡轮起旋和发生器点火。

5.本发明起动器的喷嘴内设置节流孔或节流孔板，使过氧化氢分解气体流动过程中产生一定压降阻尼，有效减少低频振荡的可能性。

附图说明

图1为本发明实施例一的示意图；

图2为本发明实施例二的示意图；

图3为本发明实施例一中的起动器结构示意图；

图4为本发明实施例二中的起动器结构示意图；

图5为本发明图4中前燃料喷嘴的结构示意图。

其中，1-氮气供应单元、101-氮气瓶、102-气体截止阀、103-减压阀、2-过氧化氢贮箱、3-起动器、301-催化剂床、3011-入口段、3012-反应段、30121-集液腔、30122-分配板、30123-催化剂填料、30124-支撑板、3013-出口段、302-气喷嘴、3021-第一气喷段、3022-第二气喷段、303-燃料喷嘴、304-燃烧室、305-均流器、306-燃料喷孔、307-节流孔、308-前燃料喷嘴、3081-第一前喷嘴段、3082-第二前喷嘴段、309-前燃烧室、310-后燃料喷嘴、311-后燃烧室、312-前燃料喷孔、313-前冷却喷孔、314-后燃料喷孔、315-后冷却喷孔、316-第一燃料管路、317-第一均流口、318-第二均流口、319-第二燃料管路、320-第三燃料管路、321-前燃料进口、322-后燃料进口、4-涡轮、5-点火器、6-燃料泵、7-氧化剂泵、8-推力室、9-燃气发生器、10-煤油截止阀、11-过氧化氢截止阀、12-煤油贮箱。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

本发明提供了一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，同时，还提供了一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，能够实现上述方法，解决了泵压式发动机多次起动和点火的问题，结构简单，可靠性高，工作时使用到的所有试剂均无毒无污染，通过简单可靠的系统结构实现多次起动点火。

本发明的起动点火方法具体为：

步骤1，通过高压氮气分别对过氧化氢和煤油增压；增压后的过氧化氢在催化剂的作用下分解为高温气体，与增压后的煤油燃烧后产生高温燃气，一部分驱动涡轮4工作，另一部分进入推力室8待用；

步骤2，涡轮4带动与其同轴相连的氧化剂泵7和燃料泵6同步工作，通过氧化剂泵7和燃料泵6分别对氧化剂和燃料增压，增压后的氧化剂和燃料一部分进入推力室8，另一部分进入燃气发生器9；

步骤3，进入推力室8的高温燃气使推力室8中已有燃料自燃，并点燃进入推力室8的氧化剂和燃料，使推力室8工作并产生推力；

进入燃气发生器9的氧化剂和燃料在涡轮4中高温燃气的作用下点火燃烧，产生的燃气驱动涡轮4继续工作，直至达到预设工况，切断过氧化氢和煤油进入起动器3和推力室8的点火器5，完成起动点火。

对于上述起动点火方法，本发明还提供了基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统。

实施例一

如图1所示，一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统包括氮气供应单元1、过氧化氢贮箱2、煤油贮箱12、燃料泵6、氧化剂泵7和推力室8，以及依次连通的燃气发生器9、起动器3和涡轮4。其中，过氧化氢贮箱2用于存放过氧化氢，煤油贮箱12用于存放煤油，也可以通过其他形式的供应系统向本发明过氧化氢贮箱2相应位置提供过氧化氢，通过其他形式的供应系统向本发明煤油贮箱12相应位置提供煤油。在本发明的一个实施例中，氮气供应单元1包括氮气瓶101、气体截止阀102和减压阀103，气体截止阀102和减压阀103依次设置于氮气瓶101至过氧化氢贮箱2和煤油贮箱12之间的管路上，气体截止阀102可以采用高压电磁阀，氮气瓶101中的高压氮气经减压阀103减压后进入过氧化氢贮箱2和煤油贮箱12，对过氧化氢贮箱2中的过氧化氢和煤油贮箱12中的煤油增压，过氧化氢增压后进入起动器3和点火器5，煤油增压后也进入起动器3和点火器5，过氧化氢分别被起动器3和点火器5中的催化剂分解，产生高温气体，过氧化氢贮箱2出口处的管路上可以设置过氧化氢截止阀11，需要使增压后的过氧化氢进入起动器3和点火器5时，打开过氧化氢截止阀11即可，煤油增压后进入起动器3和点火器5，分别与起动器3和点火器5中的高温气体燃烧，产生高温燃气，起动器3中燃烧产生的高温燃气驱动涡轮4转动，点火器5中燃烧产生的高温燃气进入推力室8。涡轮4、燃料泵6和氧化剂泵7同轴连接，燃料泵6和氧化剂泵7能够在涡轮4的驱动下同步转动。进入燃料泵6和所述氧化剂泵7的燃料和氧化剂经增压后，一部分进入推力室8，另一部分进入燃气发生器9，燃气发生器9与涡轮4连通。

上述起动点火系统的工作原理如下：需要发动机工作时，首先打开气体截止阀102，氮气瓶101中的高压氮气经过减压阀103减压后进入过氧化氢贮箱2和煤油贮箱12中，对过氧化氢贮箱2中的过氧化氢和煤油贮箱12中的煤油进行增压，然后，打开过氧化氢截止阀11和煤油截止阀10，过氧化氢贮箱2中的过氧化氢在增压压力下分别流入点火器5和起动器3中，煤油贮箱12中的煤油在增压压力下也分别流入点火器5和起动器3，过氧化氢在点火器5和起动器3中催化剂的作用下分解为过氧化氢高温气体，再与进入点火器5和起动器3中的煤油燃烧后产生高温燃气，其中，起动器3中产生的高温燃气进入涡轮4内腔起旋涡轮4，涡轮4带动燃料泵6和氧化剂泵7同步工作，使其对燃料和氧化剂增压，增压后的氧化剂和燃料一部分进入燃气发生器9，另一部分进入推力室8中，点火器5中的高温燃气进入推力室8中，与推力室8中煤油自燃并点燃后续进入的作为氧化剂的液氧和作为燃料的煤油，推力室8工作并产生推力。同时，进入燃气发生器9中的氧化剂和燃料在涡轮4的涡轮腔中高温燃气的作用下点火燃烧，产生的高温燃气驱动涡轮4继续做功，直至发动机工况达到某一设定值时，分别关闭过氧化氢截止阀11、气体截止阀102和煤油截止阀10，起动点火系统工作结束，发动机完成起动点火。

如图3所示，在本发明实施例一中，起动器3包括依次连通的催化剂床301、气喷嘴302、燃料喷嘴303和燃烧室304。其中，催化剂床301包括由入口处至出口处依次设置的入口段3011、反应段3012和出口段3013，入口段3011与过氧化氢贮箱2相连，用于过氧化氢射入，反应段3012内包括由入口段3011至出口段3013依次设置的集液腔30121、分配板30122、催化剂填料30123和支撑板30124，集液腔30121内径由入口段3011至出口段3013逐渐增大，分配板30122和支撑板30124分别设置于催化剂填料30123的两端，分配板30122设置于集液腔30121末端，分配板30122和支撑板30124均与反应段3012内壁相接，集液腔30121与分配板30122使得过氧化氢均匀地进入催化剂填料30123，分配板30122具有一定的开孔率，能形成一定的压降，在系统中起到阻尼作用，催化剂填料30123促使过氧化氢发生催化分解，可根据过氧化氢浓度等选择合适的催化剂，如浓度为90%以下含90%可选择银网催化剂，浓度在90%以上可选择陶瓷基催化剂，支撑板30124用来支撑催化剂填料30123，使催化剂填料30123在高温环境下具有足够的刚度。出口段3013与气喷嘴302相连，气喷嘴302内设有节流孔307，过氧化氢经催化剂填料30123催化分解后，使过氧化氢分解气体流动过程中产生一定压降阻尼，防止节流孔307下游的燃烧过程影响到上游的过氧化氢催化分解过程，减少低频振荡的可能性，使用时，应当确保节流孔307的压降大于0.3MPa，可据此确定节流孔307的尺寸。气喷嘴302具体的包括靠近催化剂床301的第一气喷段3021和靠近燃料喷嘴303的第二气喷段3022，出口段3013的内径由反应段3012至第一气喷段3021逐渐减小，第一气喷段3021的内径小于出口段3013的小端内径，且小于第二气喷段3022的内径，节流孔307设置于第一气喷段3021内，通过节流孔307连通出口段3013和第二气喷段3022，即第一气喷段3021的内腔形成节流孔307，第二气喷段3022与燃料喷嘴303相连，第二气喷段3022外壁与燃料喷嘴303内壁之间沿周向设有间隙。可以将入口段3011内腔设置为圆柱状，第二气喷段3022内腔设置为圆柱状，节流孔307也设置为圆柱状。

燃料喷嘴303出口与燃烧室304连通，燃烧室304内设有均流器305，过氧化氢分解后的气体与煤油在燃烧室304内完成燃烧。均流器305使燃烧室304内生成的高温富燃燃气温度变得均匀。燃烧室304和均流器305的材料均可采用高温合金，保证使用稳定性。均流器305的前部呈部分球状，最前端开设有第一均流口317，后部呈柱状，其侧壁上均匀开设有多个第二均流口318。

另外，燃料喷嘴303入口端侧壁沿周向开设有多个燃料喷孔306，燃料喷孔306沿燃料喷嘴303侧壁切向开设并延伸至燃料喷嘴303内，在燃料喷嘴303壁面形成贴壁液膜，燃料喷孔306与煤油贮箱12相连，煤油作为燃料。燃料喷孔306出口位于间隙内，该间隙即第二气喷段3022外壁与燃料喷嘴303内壁之间沿周向设置的间隙，该间隙使气喷嘴302的第二气喷段3022相对燃料喷孔306形成挡板，挡板的径向厚度一般为0.7-1mm，使得加速过氧化氢与燃料在燃料喷嘴303内混合，并形成初步火焰附着点。其中，燃料喷孔306的数量一般大于等于三个，燃料喷孔306的设计尺寸，原则上使喷孔压降大于0.3MPa。

燃料喷嘴303内壁呈锥面，其小端朝向燃烧室304，锥面呈5-10°，便于燃料液膜贴壁，并与高温富氧燃气掺混。燃料喷嘴303的长度（燃料喷孔306到燃料喷嘴303出口的轴向距离）为1到1.5倍的燃料喷嘴303出口直径。

为了既保证间隙的设置，又保证安装密封性，第二气喷段3022与燃料喷嘴303相连处，第二气喷段3022外壁设有两个台阶面，靠近第一气喷段3021的台阶面与燃料喷嘴303端面相抵，第二气喷段3022外壁位于另一台阶面以上的部分与燃料喷嘴303内壁之间沿周向设置间隙。

该实施例中起动器3的具体工作原理为：增压后的液态过氧化氢经入口段3011喷入催化剂床301的反应段3012中，经催化分解生成高温富氧燃气，通过气喷嘴302第一气喷段3021的节流孔307和第二气喷段3022喷入燃料喷嘴303中，增压后的煤油通过燃料喷嘴303上的燃料喷孔306喷入，周向流动形成液膜，紧贴燃料喷嘴303壁面，与高温富氧燃气在燃料喷嘴303内进行初步混合，形成初步火焰。然后，喷入燃烧室304进行燃烧，通过均流器305使燃气温度变得均匀，形成满足要求的高温富燃燃气。

在本发明的其他实施例中，还可将节流孔307更换为节流孔板，与上述节流孔的作用和要求一致。催化剂床301的具体结构及形状也可采用其他现有的催化剂床结构。燃料喷嘴303的内部锥面、锥面角度，以及燃料喷孔306的开设方式均可以进行相应变化，可根据使用要求进行适应性调整。

另外，实际应用时，燃料喷嘴303的燃料喷孔306对应处外部设有第一燃料管路316，第一燃料管路316上设有燃料进口，增压后的煤油由燃料进口进入第一燃料管路316，再经燃料喷孔306进入燃料喷嘴303内。

实施例二

如图2所示，一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，与实施例一的区别在于，不单独设置点火器5，包括燃料泵6、氧化剂泵7、推力室8、燃气发生器9，以及依次连通的氮气供应单元1、过氧化氢贮箱2、起动器3和涡轮4。过氧化氢贮箱2中的过氧化氢和煤油贮箱12中的煤油经氮气供应单元1增压后均进入起动器3，在起动器3中过氧化氢经催化剂作用分解为高温气体，与增压后的煤油燃烧产生高温燃气，起动器3同时与推力室8和涡轮4连通，高温燃气一部分进入推力室8，另一部分进入涡轮4驱动其工作。

如图4和图5所示，在本发明的实施例二中，起动器3包括依次连通的催化剂床301、前燃料喷嘴308、前燃烧室309、后燃料喷嘴310和后燃烧室311。

其中，催化剂床301可以采用现有的能够用于过氧化氢的催化剂床，也可以采用前述实施例一中催化剂床301相同的结构。

前燃料喷嘴308包括第一前喷嘴段3081和第二前喷嘴段3082。第一前喷嘴段3081的内径小于催化剂床301出口段3013出口处的内径，且小于第二前喷嘴段3082的内径，使第一前喷嘴段3081内腔形成节流孔307，也可以在第一前喷嘴段3081的内腔中设置节流孔板，设置节流孔307或节流孔板，能够使过氧化氢分解气体在流动过程中产生一定压降阻尼，防止节流孔307下游的燃烧过程影响到上游的过氧化氢催化分解过程，减少低频振荡的可能性，实际使用时，应当确保节流孔307的压降大于0.3MPa，可据此确定节流孔307的尺寸，或节流孔板的开孔情况。第二前喷嘴段3082呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向第一前喷嘴段3081。后燃料喷嘴310呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向前燃烧室309。

前燃料喷嘴308的侧壁上开设有多个前喷孔，与煤油贮箱12连通，用于部分增压后的煤油进入前燃烧室309，后燃料喷嘴310的侧壁上开设有多个后喷孔，用于另一部分增压后的煤油进入后燃烧室311。催化剂床301、前燃料喷嘴308、前燃烧室309、后燃料喷嘴310和后燃烧室311均同轴设置，前喷孔包括多个均布的前燃料喷孔312和多个均布的前冷却喷孔313，前燃料喷孔312的轴线与前燃烧室309的轴线相垂直，前冷却喷孔313的出口朝向前燃烧室309的内壁，后喷孔包括多个均布的后燃料喷孔314和多个均布的后冷却喷孔315，后燃料喷孔314的轴线与后燃烧室311的轴线具有一定夹角，后冷却喷孔315的出口朝向所述后燃烧室311的内壁设置。如前燃料喷孔312沿第二前喷嘴段3082靠近第一前喷嘴段3081部分的径向设置，前冷却喷孔313设置在第二前喷嘴段3082的阶梯面上，后燃料喷孔314和后冷却喷孔315均设置在后燃料喷嘴310的阶梯面上。由于前燃烧室309和后燃烧室311的中心温度高达2000℃左右，经过朝向前燃烧室309内壁的前冷却喷孔313，以及朝向后燃烧室311的后冷却喷孔315进入的燃气，有利于在前燃烧室309和后燃烧室311的内壁表面形成液膜，使保护面积更大。后燃料喷孔314相对后燃烧室311轴线倾斜设置，能够控制燃料在后燃烧室311内的温度分布。前燃料喷孔312和后燃料喷孔314的设置原则为，燃料经过相应喷嘴的压降大于0.3MPa，在确保喷孔加工成本和加工难度较小的前提下，喷孔的设置数量应尽可能的多。

另外，实际使用中，可使少量煤油从前喷孔进入，使大量煤油从后喷孔进入。燃气量也可以进行调整，可根据实际需要进行设置。

为了使起动器3达到更好的燃烧效果，可根据如下参数设置对起动器3进行优化：使进入前燃烧室309的过氧化氢流量与进入前燃烧室309的煤油流量比值为1：15-20，通过前冷却喷孔313进入前燃烧室309的煤油流量，为通过所述前燃料喷孔312进入前燃烧室309的煤油流量的两倍，前燃料喷孔312沿前燃料喷嘴308轴向，距离前燃料喷嘴308出口处的距离为前燃料喷孔312孔径的8倍，经过后燃料喷孔314的煤油流量和经过后冷却喷孔315的煤油流量比值为9：1，前冷却喷孔313轴线与所述前燃烧室309轴线的夹角为5-15°，后冷却喷孔315轴线与后燃烧室311轴线的夹角为5-15°。前冷却喷孔313距离前燃烧室309内壁的距离和后冷却喷孔315距离后燃烧室311内壁的距离均可设计为5mm。

另外，后燃料喷孔314在后燃料喷嘴310的阶梯面上沿周向可设置多圈，其轴线与水平线成一定夹角，通过调整设置的圈数、每圈上后燃料喷孔314的数量，以及后燃料喷孔314轴线与后燃烧室311轴线的夹角，可以调整后燃料喷嘴310出口处燃气温度分布。

为了提高起动器3的工作温度，还可以在前燃烧室309的壁面上和后燃烧室311的壁面上设置相应的热防护。

实施例二中起动器3的工作原理为：高浓度液态过氧化氢由过氧化氢喷嘴喷入催化剂床301中，经催化剂床301的反应段3012催化分解后生成高温富氧燃气，经节流孔307和第二前喷嘴段3082进入前燃烧室309，少量煤油通过前燃料喷嘴308上的前燃料喷孔312和前冷却喷孔313喷入前燃烧室309，燃烧形成初步火焰，再经后燃料喷嘴310流入后燃烧室311，大量煤油通过后燃料喷嘴310上的后燃料喷孔314和后冷却喷孔315喷入后燃烧室311，进行充分燃烧，形成满足要求的高温富氧燃气。

实际应用时，前燃料喷嘴308的前喷孔对应处外部设有第二燃料管路319，第二燃料管路319上设有前燃料进口321，后燃料喷嘴310的后喷孔对应处外部设有第三燃料管路320，第三燃料管路320上设有后燃料进口322，前燃料进口321和后燃料进口322均与煤油贮箱12相连。

另外，本发明实施例一和实施例二中的起动器3，也可以互换使用，可根据实际使用需要进行选择。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，通过高压氮气分别对过氧化氢和煤油增压；增压后的过氧化氢在催化剂的作用下分解为高温气体，与增压后的煤油燃烧后产生高温燃气，一部分驱动涡轮（4）工作，另一部分进入推力室（8）待用；

S2，涡轮（4）带动与其同轴相连的氧化剂泵（7）和燃料泵（6）同步工作，通过氧化剂泵（7）和燃料泵（6）分别对氧化剂和燃料增压，增压后的氧化剂和燃料一部分进入推力室（8），另一部分进入燃气发生器（9）；

S3，进入推力室（8）的高温燃气点燃进入推力室（8）的氧化剂和燃料，使推力室（8）工作并产生推力；

进入燃气发生器（9）的氧化剂和燃料在涡轮（4）中高温燃气的作用下点火燃烧，产生的燃气驱动涡轮（4）继续工作，直至达到预设工况，切断过氧化氢和煤油进入起动器（3）和推力室（8）的点火器（5），完成起动点火。

2.一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特征在于：用于实现权利要求1所述基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，包括氮气供应单元（1）、过氧化氢贮箱（2）、点火器（5）、煤油贮箱（12）、燃料泵（6）、氧化剂泵（7）、推力室（8）、起动器（3）、涡轮（4）和燃气发生器（9）；

所述氮气供应单元（1）分别与过氧化氢贮箱（2）入口和煤油贮箱（12）入口连通，过氧化氢贮箱（2）出口和煤油贮箱（12）出口均与起动器（3）入口连通，起动器（3）出口与涡轮（4）连通；

所述涡轮（4）、燃料泵（6）和氧化剂泵（7）同轴连接；

所述燃气发生器（9）与涡轮（4）连通；

所述点火器（5）入口分别与过氧化氢贮箱（2）和起动器（3）之间的管路、煤油贮箱（12）和起动器（3）之间的管路连通；

所述燃料泵（6）出口和氧化剂泵（7）出口均与燃气发生器（9）连通；

所述推力室（8）与点火器（5）出口、燃料泵（6）出口、氧化剂泵（7）出口连通；

所述起动器（3）和点火器（5）中设有用于催化过氧化氢的催化剂。

3.如权利要求2所述一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特征在于：所述氮气供应单元（1）包括氮气瓶（101）、气体截止阀（102）和减压阀（103）；

所述气体截止阀（102）和减压阀（103）依次设置于氮气瓶（101）至过氧化氢贮箱（2）和煤油贮箱（12）之间的管路上。

4.如权利要求2或3所述一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特征在于：所述起动器（3）包括依次连通的催化剂床（301）、气喷嘴（302）、燃料喷嘴（303）和燃烧室（304）；

所述催化剂床（301）的入口与过氧化氢贮箱（2）连通；

所述燃烧室（304）内设有均流器（305）；

所述气喷嘴（302）出口与燃料喷嘴（303）入口连接处，气喷嘴（302）外壁与燃料喷嘴（303）内壁之间沿周向设有间隙；

所述燃料喷嘴（303）入口端侧壁沿周向开设有多个燃料喷孔（306），所述燃料喷孔（306）沿燃料喷嘴（303）侧壁切向开设并延伸至燃料喷嘴（303）内，燃料喷孔（306）出口位于所述间隙内，燃料喷孔（306）与煤油贮箱（12）连通。

5.如权利要求4所述一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特征在于：所述气喷嘴（302）内设有节流孔板或节流孔（307）。

6.如权利要求5所述一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特征在于：所述燃料喷嘴（303）内壁呈锥面，其小端朝向燃烧室（304）。

7.如权利要求2或3所述一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特征在于：所述起动器（3）包括依次连通的催化剂床（301）、前燃料喷嘴（308）、前燃烧室（309）、后燃料喷嘴（310）和后燃烧室（311）；

所述催化剂床（301）的入口与过氧化氢贮箱（2）连通；

所述前燃料喷嘴（308）的侧壁上开设有多个前喷孔，所述后燃料喷嘴（310）的侧壁上开设有多个后喷孔，前喷孔和后喷孔均与煤油贮箱（12）连通，前喷孔用于部分煤油进入前燃烧室（309），后喷孔用于另一部分煤油进入后燃烧室（311）；

所述前燃料喷嘴（308）与催化剂床（301）相连的一端设有节流孔（307）或节流孔板。

8.如权利要求7所述一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特征在于：

所述前喷孔包括多个均布的前燃料喷孔（312）和多个均布的前冷却喷孔（313）；前燃料喷嘴（308）与前燃烧室（309）同轴设置，前燃料喷孔（312）的轴线与前燃烧室（309）的轴线相垂直，前冷却喷孔（313）的出口朝向前燃烧室（309）的内壁；

所述后喷孔包括多个均布的后燃料喷孔（314）和多个均布的后冷却喷孔（315），前燃烧室（309）、后燃料喷嘴（310）和后燃烧室（311）同轴设置，后燃料喷孔（314）的轴线与所述后燃烧室（311）的轴线具有夹角，后冷却喷孔（315）的出口朝向所述后燃烧室（311）的内壁设置；

所述前燃料喷嘴（308）包括第一前喷嘴段（3081）和第二前喷嘴段（3082）；

所述第一前喷嘴段（3081）的内径小于催化剂床（301）出口处内径，且小于第二前喷嘴段（3082）的内径，使第一前喷嘴段（3081）内腔形成节流孔（307）或用于设置节流孔板；

所述第二前喷嘴段（3082）呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向第一前喷嘴段（3081）；所述前燃料喷孔（312）沿第二前喷嘴段（3082）靠近第一前喷嘴段（3081）部分的径向设置，所述前冷却喷孔（313）设置在第二前喷嘴段（3082）的阶梯面上；

所述后燃料喷嘴（310）呈阶梯柱状且仅设置一级阶梯，其小端朝向前燃烧室（309）；所述后燃料喷孔（314）和所述后冷却喷孔（315）均设置在后燃料喷嘴（310）的阶梯面上。

9.一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特征在于：用于实现权利要求1所述基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，包括氮气供应单元（1）、过氧化氢贮箱（2）、煤油贮箱（12）、燃料泵（6）、氧化剂泵（7）、推力室（8）、起动器（3）、涡轮（4）和燃气发生器（9）；

所述氮气供应单元（1）分别与过氧化氢贮箱（2）入口和煤油贮箱（12）入口连通，过氧化氢贮箱（2）出口和煤油贮箱（12）出口均与起动器（3）入口连通，起动器（3）出口与涡轮（4）连通；

所述涡轮（4）、燃料泵（6）和氧化剂泵（7）同轴连接；

所述燃气发生器（9）与涡轮（4）连通；

所述燃料泵（6）出口和氧化剂泵（7）出口均与燃气发生器（9）连通；

所述推力室（8）与起动器（3）和涡轮（4）之间的管路、燃料泵（6）出口、氧化剂泵（7）出口连通；

所述起动器（3）和点火器（5）中设有用于催化过氧化氢的催化剂。

10.如权利要求9所述一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特征在于：

所述起动器（3）包括依次连通的催化剂床（301）、气喷嘴（302）、燃料喷嘴（303）和燃烧室（304）；所述催化剂床（301）的入口与过氧化氢贮箱（2）连通；所述燃烧室（304）内设有均流器（305）；所述气喷嘴（302）出口与燃料喷嘴（303）入口连接处，气喷嘴（302）外壁与燃料喷嘴（303）内壁之间沿周向设有间隙；所述燃料喷嘴（303）入口端侧壁沿周向开设有多个燃料喷孔（306），所述燃料喷孔（306）沿燃料喷嘴（303）侧壁切向开设并延伸至燃料喷嘴（303）内，燃料喷孔（306）出口位于所述间隙内，燃料喷孔（306）与煤油贮箱（12）连通；

或者，所述起动器（3）包括依次连通的催化剂床（301）、前燃料喷嘴（308）、前燃烧室（309）、后燃料喷嘴（310）和后燃烧室（311）；所述催化剂床（301）的入口与过氧化氢贮箱（2）连通；所述前燃料喷嘴（308）的侧壁上开设有多个前喷孔，所述后燃料喷嘴（310）的侧壁上开设有多个后喷孔，前喷孔和后喷孔均与煤油贮箱（12）连通，前喷孔用于部分煤油进入前燃烧室（309），后喷孔用于另一部分煤油进入后燃烧室（311）；所述前燃料喷嘴（308）与催化剂床（301）相连的一端设有节流孔（307）或节流孔板。

Images