CN113882949A - 一种粉末旋转爆震空间发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉末旋转爆震空间发动机，包括旋转爆震燃烧室、喷管、粉末燃料供应装置、氧化剂供应装置和点火装置；旋转爆震燃烧室包括从左至右依次同轴设置的左圆盘外壳、左圆盘内壳、右圆盘内壳和右圆盘外壳；左圆盘内壳和右圆盘内壳之间形成密封的圆盘形燃烧腔；左圆盘外壳和左圆盘间形成燃料预混腔；右圆盘外壳和右圆盘内壳间形成氧化剂预混腔；粉末燃料供应装置包括若干个粉末储罐和增压装置；每个粉末储罐均能在增压装置的增压作用下，向燃料预混腔加注微米级的粉末燃料。本发明采用微米量级的粉末燃料爆震燃烧实现推进，能适应恶劣外界环境，且能大幅减少爆震燃烧室的轴向尺寸，从而能够适应卫星等航天器的安装。
Description
技术领域
本发明涉及旋转爆震领域，特别是一种粉末旋转爆震空间发动机。
背景技术
航天器的化学推进系统的作用是将化学能燃烧释放，进而转化为排气动能，为航天器提供推力。广泛应用于航天器的液态化学燃料有液氨、丁烷、无水肼、硝酸、以及肼和水混合而成的DT-3等，这些气液态燃料主要以高压气态或低压液态的形式存储，通过供给装置能够实现稳定的燃料供应与燃烧释热。化学推进系统能够实现快速的推力响应，但各类化学推进系统的高压气体长期贮存可能发生泄露风险，部分推进剂具有毒性甚至腐蚀性，难以长期存储，并且比冲和贮存密度不高。即使提高压力可增加贮存密度，但当压力升高到一定程度后，气体不再满足理想气体状态方程，继续增压时，虽然压力急剧上升但充气质量增量较小。此外，例如新型的无毒无污染硝酸羟胺基（HAN）和二硝酰胺铵基（ADN）单组元推进剂，也需要克服特种构型喷注器、模块化分区催化床、需要长寿命耐高温催化剂与高分解活性推进剂等关键技术，极大地增大推进系统的重量和设计难度。因此发展长期储存、无毒、高比冲，易于控制的发动机形式是空间发动机的发展趋势之一。
爆震推进以其热力循环效率高，放热速率快等优势成为重点被关注的推进形式之一。理论上可以采用不同相态的燃料工作，传统的爆震燃烧是以气态或者液态燃料为主。爆震发动机主要以旋转爆震发动机、脉冲爆震发动机、斜爆震发动机等形式工作。
粉末燃料发动机使用高能固体粉末(铝、镁、硼、碳等)为燃料、过氧化氢（或离子液体）和氧气为氧化剂，兼具液体火箭发动机推力可调、比冲高及固体火箭发动机安全可靠、结构简单等优点，适合构造长期储存、可自点火、推力智能随控的动力，是极具发展潜力的新一代空间动力装置之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种粉末旋转爆震空间发动机，该粉末旋转爆震空间发动机采用微米量级的粉末燃料爆震燃烧实现推进，能适应恶劣外界环境，且能大幅减少爆震燃烧室的轴向尺寸，从而能够适应卫星等航天器的安装。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种粉末旋转爆震空间发动机，包括旋转爆震燃烧室、喷管、粉末燃料供应装置、氧化剂供应装置和点火装置。
旋转爆震燃烧室包括从左至右依次同轴设置的左圆盘外壳、左圆盘内壳、右圆盘内壳和右圆盘外壳。
左圆盘内壳的外缘和右圆盘内壳的外缘密封固定连接，两者间形成密封的圆盘形燃烧腔。
左圆盘外壳同轴且密封罩设在左圆盘内壳的左侧外周，左圆盘外壳的内径大于左圆盘内壳的外径，两者间形成燃料预混腔；左圆盘内壳上均匀布设有若干个燃料进口，每个燃料进口均分别与燃料预混腔和圆盘形燃烧腔相连通。
右圆盘外壳同轴且密封罩设在右圆盘内壳的右侧外周，右圆盘外壳的内径大于右圆盘内壳的外径，两者间形成氧化剂预混腔；右圆盘内壳上均匀布设有若干个氧化剂进口，每个养护剂进口均分别与氧化剂预混腔和圆盘形燃烧腔相连通。
右圆盘内壳和右圆盘外壳的中心均设置有与喷管相连通的排气口。
粉末燃料供应装置包括若干个粉末储罐和增压装置；若干个粉末储罐均匀安装在左圆盘外壳的外壁，每个粉末储罐均能在增压装置的增压作用下，向燃料预混腔加注微米级的粉末燃料。
氧化剂供应装置包括若干个氧化剂高压瓶，若干个氧化剂高压瓶均匀安装在右圆盘外壳的外壁，且均与氧化剂预混腔相连通。
点火装置设置在圆盘形燃烧腔内，能使圆盘形燃烧腔内发生连续旋转爆震燃烧。
圆盘形燃烧腔的直径为300 – 400 mm，圆盘形燃烧腔的宽度为推进剂工质的半个胞格尺度；排气口的直径为200 – 300 mm。
每个粉末储罐内均设置有能沿自身内壁面轴向密封滑动的活塞，活塞将粉末储罐分隔为增压腔和粉末存储腔；其中，增压腔与增压装置相连接，增压装置能够驱动活塞沿轴向滑移；粉末存储腔内填充有微米级的粉末燃料；邻近燃料预混腔的粉末存储腔外壁面沿周向均匀布设有若干个流化气注入口，用于向粉末存储腔内注入流化气。
粉末存储腔朝向燃料预混腔的一侧设置有燃料缩口段，流化气注入口设置在邻近燃料缩口段的粉末存储腔外壁面上。
通过增压装置，控制增压腔内压力，从而控制活塞移动速度，进而控制燃料预混腔向圆盘形燃烧腔内喷注的粉末燃料质量。
根据所需燃料量的供应量，调整活塞移动的速度，使得粉末储罐的粉末燃料处于压实的状态；通过增加流化气的进气量和进气压力，进而增加粉末燃料的供应量。
喷管为拉瓦尔喷管。
点火装置为火花塞。
本发明具有如下有益效果：
1、采用微米量级的粉末燃料爆震燃烧实现推进，将极大地提高所携带推进剂的体积重量，增大密度比冲，且能适应恶劣外界环境。
2、爆震作为新型的燃烧方式，能够显著地提高粉末燃料燃烧的温度和效率，本发明将粉末燃料与爆震燃烧结合起来，提出并设计了应用于空间推进的圆盘型粉末爆震发动机的模型，粉末圆盘燃烧室的宽度根据爆震燃烧的胞格尺寸来决定，圆盘尺寸较小，便于携带，该粉末旋转爆震发动机相比粉末燃料冲压发动机设计的主体结构比较简单，能够简化航天推进系统的重量，提高有效载荷的重量，对于空间推进具有很好的应用价值，一次脉冲点火实现从爆燃到爆震的转变，实现粉末燃料连续旋转爆震燃烧，燃料的利用率得到了显著提升。
3、在太空的低温、高真空、高辐射微重力的恶劣外界环境下，粉末燃料对储罐没有特殊要求，且稳定性好、便于长期存储，能够增加航天器在轨寿命。尤其是可以作为离轨动力控制航天器返回大气层，受控烧毁，腾出轨道。
3、粉末燃料爆震发动机体积较小，适用于作为空间小型发动机的动力系统。旋转爆震燃烧室采用圆盘形的结构，能大幅减少爆震燃烧室的轴向尺寸，故而，在安装在航天器上对整体体积增量有限，尤其适合体积较小的中小卫星的动力选择。对于携带多个相机，对于需要进行多方位视角侦察成像的卫星，推进系统的轴向尺寸过大可能会导致对卫星的视场角产生影响。对于需要进行轴向交会对接的航天器，沿轴向安装的用于轨道姿态调整的推进系统的轴向尺寸应当较小，尽量减小对于交会对接系统的影响；再如对于地外行星的着陆探测，在着陆系统即将到达星球表面时，需要开启反推发动机，同时打开收缩的支撑结构，圆盘形燃烧室的设计结构，能够着陆器轴向的高度，能够有效减少支撑结构的重量，降低航天器的设计成本。
4、在燃料供应方面，能实现粉末流量的精确调节（通过在活塞运动和流化气阀门调节压力与流量的共同作用下实现精确控制），有利于实现持续稳定的供应；并且粉末燃料相较于气态燃料的密度比冲更高，发动机的密度比冲会显著提高，有助于更好地实现航天器变轨，姿态调整等操作，延长航天器的在轨飞行时间，节约太空活动探索成本。
5、粉末燃料自身发生爆震燃烧较为容易实现，尤其是在安全领域已被长期关注。同时，转爆震燃烧室采用圆盘形的结构设计，具备构建粉末旋转爆震发动机理论可行性。
附图说明
图1显示了本发明一种粉末旋转爆震空间发动机的结构示意图。
图2显示了图1的具体放大示意图。
图3显示了图1的左侧视图。
其中有：
10.旋转爆震燃烧室；
11.左圆盘外壳；12.左圆盘内壳；13.燃料预混腔；14.右圆盘外壳；15.右圆盘内壳；16.氧化剂预混腔；17.圆盘形燃料腔；18.排气口；
21.粉末储罐；22.增压腔；23.粉末存储腔；24.燃料收缩段；25.流化气进气口；26.活塞；
30.喷管。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种粉末旋转爆震空间发动机包括旋转爆震燃烧室10、喷管30、粉末燃料供应装置、氧化剂供应装置和点火装置。
旋转爆震燃烧室包括从左至右依次同轴设置的左圆盘外壳11、左圆盘内壳12、右圆盘内壳15和右圆盘外壳14。
左圆盘内壳的外缘和右圆盘内壳的外缘密封固定连接，两者间形成密封的圆盘形燃烧腔17。圆盘型粉末爆震发动机的应用领域为空间航天器的推进，应尽量小型化，圆盘形燃烧腔的直径通常在300-400mm，圆盘形燃烧腔的宽度约为所用推进剂工质的半个胞格尺度（10mm量级），圆盘形燃烧腔右侧的排气口直径在200-300mm。
点火装置，优选为火花塞，设置在圆盘形燃烧腔内，能使圆盘形燃烧腔内发生连续旋转爆震燃烧。
上述旋转爆震燃烧室采用圆盘形的结构，在产生旋转爆震的同时，能大幅减少爆震燃烧室的轴向尺寸，从而能够适应卫星等航天器的安装。另外，粉末燃料爆震发动机体积较小，适用于作为空间小型发动机的动力系统。
左圆盘外壳同轴且密封罩设在左圆盘内壳的左侧外周，左圆盘外壳的内径大于左圆盘内壳的外径，两者间形成燃料预混腔13。优选，左圆盘外壳的右侧内壁面与左圆盘内壳的左侧内壁面密封贴合。故而，燃料预混腔呈环状。
左圆盘内壳上，优选为左圆盘内壳的上下凸缘上，均匀布设有若干个燃料进口121，每个燃料进口均分别与燃料预混腔和圆盘形燃烧腔相连通。
右圆盘外壳同轴且密封罩设在右圆盘内壳的右侧外周，右圆盘外壳的内径大于右圆盘内壳的外径，两者间形成氧化剂预混腔16。优选，右圆盘外壳的左侧内壁面与右圆盘内壳的右侧内壁面密封贴合。故而，氧化剂预混腔呈环状。
右圆盘内壳上，优选为右圆盘内壳的上下凸缘上，均匀布设有若干个氧化剂进口151，每个养护剂进口均分别与氧化剂预混腔和圆盘形燃烧腔相连通。
右圆盘内壳和右圆盘外壳的中心均设置有与喷管相连通的排气口18，排气口用于连接喷管30，本实施例中，喷管优选为拉瓦尔喷管，为先收缩后扩张结构。
粉末燃料供应装置包括若干个粉末储罐21和增压装置；若干个粉末储罐均匀安装在左圆盘外壳的外壁外缘，每个粉末储罐均能在增压装置的增压作用下，向燃料预混腔加注微米级的粉末燃料。
每个粉末储罐内均设置有能沿自身内壁面轴向密封滑动的活塞26，活塞将粉末储罐分隔为增压腔22和粉末存储腔23。
增压腔与增压装置相连接，增压装置能够驱动活塞沿轴向滑移，增压装置优选为高压气瓶。
粉末存储腔内填充有微米级的粉末燃料；粉末存储腔朝向燃料预混腔的一侧设置有燃料缩口段24，流化气注入口设置在邻近燃料缩口段的粉末存储腔外壁面上，用于向粉末存储腔内注入流化气。燃料缩口段内仍填充有粉末燃料，流化气会沿着收缩段壁面高速进入其中，将粉末离散并且并且带入预混腔中，因为粉末燃料为微米量级，流化气以高压的状态进入到预混腔中会对粉末燃料产生冲击，不易产生堵塞现象。
通过增压装置，控制增压腔内压力，从而控制活塞移动速度，进而控制燃料预混腔向圆盘形燃烧腔内喷注的粉末燃料质量。
根据所需燃料量的供应量，调整活塞移动的速度，活塞移动使粉末燃料柱处于压实的状态，流化气的供应量通过阀门调节，通过增加流化气的进气量和压力，进而增加粉末燃料的供应量。
对于粉末燃料的质量的精确控制还可以通过记录活塞的位移距离来实现，以及流化气的消耗量间接测量，安装测量传感器，测量流化气夹杂粉末燃料的浓度，进而来调节控制活塞移动速度，以及流化气的量。
氧化剂供应装置包括若干个氧化剂高压瓶，若干个氧化剂高压瓶均匀安装在右圆盘外壳的外壁，且均与氧化剂预混腔相连通。
本发明一种粉末旋转爆震空间发动机的工作方法如下：
步骤1、推进剂供应，包括粉末燃料供应和氧化剂供应，具体为：
A、粉末燃料供应：增压装置向增压腔内输入高压气体，实现对增压腔增压，进而推动活塞向右侧移动，位于粉末存储腔右侧前端的微米级的粉末燃料，在增压作用以及从流化气进气口输入的流化气作用下，被流化气包裹；流化气裹挟粉末燃料颗粒进入燃料预混腔；位于燃料预混腔中的流化气裹挟粉末燃料，在压差作用下，进入圆盘形燃烧腔。
在粉末燃料供应过程中，通过调节高压气瓶的压力，进而控制住活塞的移动速度。
B、氧化剂供应：氧化剂高压气瓶通过氧化剂进口，直接向氧化剂预混腔内注入氧化剂，然后，进入圆盘形燃烧腔。
步骤2、推进剂碰撞混合：上述燃料进口和氧化剂进口优选互呈一定角度，故而，进入圆盘形燃烧腔中的粉末燃料和养护剂相互碰撞混合。
步骤3、旋转爆震：点火装置点火，相互碰撞混合后的推进剂，将被点燃，并在圆盘形燃烧腔内产生连续旋转爆震，并将燃烧释放的化学能转化为动能，也即燃烧后产物，经过拉瓦尔喷管，充分膨胀，使发动机产生推力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种粉末旋转爆震空间发动机，其特征在于：包括旋转爆震燃烧室、喷管、粉末燃料供应装置、氧化剂供应装置和点火装置；
旋转爆震燃烧室包括从左至右依次同轴设置的左圆盘外壳、左圆盘内壳、右圆盘内壳和右圆盘外壳；
左圆盘内壳的外缘和右圆盘内壳的外缘密封固定连接，两者间形成密封的圆盘形燃烧腔；
左圆盘外壳同轴且密封罩设在左圆盘内壳的左侧外周，左圆盘外壳的内径大于左圆盘内壳的外径，两者间形成燃料预混腔；左圆盘内壳上均匀布设有若干个燃料进口，每个燃料进口均分别与燃料预混腔和圆盘形燃烧腔相连通；
右圆盘外壳同轴且密封罩设在右圆盘内壳的右侧外周，右圆盘外壳的内径大于右圆盘内壳的外径，两者间形成氧化剂预混腔；右圆盘内壳上均匀布设有若干个氧化剂进口，每个氧化剂进口均分别与氧化剂预混腔和圆盘形燃烧腔相连通；
右圆盘内壳和右圆盘外壳的中心均设置有与喷管相连通的排气口；
粉末燃料供应装置包括若干个粉末储罐和增压装置；若干个粉末储罐均匀安装在左圆盘外壳的外壁，每个粉末储罐均能在增压装置的增压作用下，向燃料预混腔加注微米级的粉末燃料；
氧化剂供应装置包括若干个氧化剂高压瓶，若干个氧化剂高压瓶均匀安装在右圆盘外壳的外壁，且均与氧化剂预混腔相连通；
点火装置设置在圆盘形燃烧腔内，能使圆盘形燃烧腔内发生连续旋转爆震燃烧。
2.根据权利要求1所述的粉末旋转爆震空间发动机，其特征在于：圆盘形燃烧腔的直径为300 – 400 mm，圆盘形燃烧腔的宽度为推进剂工质的半个胞格尺度；排气口的直径为200– 300 mm。
3.根据权利要求1所述的粉末旋转爆震空间发动机，其特征在于：每个粉末储罐内均设置有能沿自身内壁面轴向密封滑动的活塞，活塞将粉末储罐分隔为增压腔和粉末存储腔；其中，增压腔与增压装置相连接，增压装置能够驱动活塞沿轴向滑移；粉末存储腔内填充有微米级的粉末燃料；邻近燃料预混腔的粉末存储腔外壁面沿周向均匀布设有若干个流化气注入口，用于向粉末存储腔内注入流化气。
4.根据权利要求3所述的粉末旋转爆震空间发动机，其特征在于：粉末存储腔朝向燃料预混腔的一侧设置有燃料缩口段，流化气注入口设置在邻近燃料缩口段的粉末存储腔外壁面上。
5.根据权利要求3所述的粉末旋转爆震空间发动机，其特征在于：通过增压装置，控制增压腔内压力，从而控制活塞移动速度，进而控制燃料预混腔向圆盘形燃烧腔内喷注的粉末燃料质量。
6.根据权利要求5所述的粉末旋转爆震空间发动机，其特征在于：根据所需燃料量的供应量，调整活塞移动的速度，使得粉末储罐的粉末燃料处于压实的状态；通过增加流化气的进气量和进气压力，进而增加粉末燃料的供应量。
7.根据权利要求1所述的粉末旋转爆震空间发动机，其特征在于：喷管为拉瓦尔喷管。
8.根据权利要求1所述的粉末旋转爆震空间发动机，其特征在于：点火装置为火花塞。
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