CN117028073A - 一种双环多模推力室 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种双环多模推力室，属于火箭发动机技术领域，包括第一壳体、第二壳体和第三壳体，第一壳体形成的腔体为内环推力室，内环推力室头部为燃烧室，尾部设有第一喷嘴；第一壳体和第二壳体之间形成冷却通道，位于尾部一侧的冷却通道设有燃料入口；第二壳体和第三壳体之间形成的腔体为外环爆震推力室，外环爆震推力室头部与内环推力室头部位于同一侧，头部为爆震燃烧区，尾部设有第二喷嘴；内环推力室头部设有燃料喷嘴、氧化剂喷嘴和第一点火组件，外环爆震推力室头部设有爆震燃料喷嘴、爆震氧化剂喷嘴和第二点火组件，燃料喷嘴和爆震燃料喷嘴分别与冷却通道相通。本申请的处理方案提高了燃烧稳定性和比冲。

Description

一种双环多模推力室

技术领域

本申请涉及火箭发动机技术领域，尤其涉及一种双环多模推力室。

背景技术

火箭发动机的推力室(Thrust chamber)是火箭发动机中的关键部件，用于产生推力并推动火箭。推力室是将高压和高温的燃烧产物转化为高速喷射气流的装置。

推力室通常由燃烧室和喷嘴组成。燃烧室是燃料和氧化剂混合并燃烧的区域。在燃烧室内，燃料和氧化剂被喷射进来，并在适当的比例下混合燃烧。这种燃烧产生的高温高压气体释放出巨大的能量，并产生高温高压的燃烧产物，如燃烧气体和燃烧残渣。喷嘴是推力室的出口部分，用于将高压燃烧产物喷射出来，产生推力。推力室的工作原理基于牛顿第三定律，即每个作用力都有一个相等大小但方向相反的反作用力。燃烧室中产生的高压燃烧产物通过喷嘴以高速喷射出来，产生的反作用力即为推力，推动火箭向前运动。

推力室的设计和性能对火箭的推力、燃烧效率和燃料消耗率等参数有重要影响。因此，推力室的设计需要考虑多个因素，如燃料选择、喷嘴形状、冷却系统、材料耐高温性能等。通过优化推力室的设计，可以提高火箭发动机的性能和效率，实现更高的推力和更有效的运载能力。

重复回收火箭技术对液体火箭发动机深度变推的需求提出了更高的要求。重复回收火箭是指可以多次使用的火箭，通过回收并再次利用，以降低航天任务的成本和提高可持续性。深度变推对于重复回收火箭至关重要。

液体火箭发动机的深度变推(Deep Throttling)是指在宽范围内实现推力的精确调节，包括从最大推力到较小推力的实时可调节。深度变推对于火箭的灵活性和应用范围非常重要，但实现深度变推也存在一些难点和挑战。

一方面，存在燃烧稳定性的问题，当液体火箭发动机的推力降低时，燃烧室内的燃料和氧化剂流速减小，喷管无法有效节流，燃烧室内无法形成稳定压力，导致燃烧不稳定，燃烧效率降低。低推力条件下，燃料和氧化剂的混合和燃烧过程更容易受到外界因素的干扰，如涡流和振动。因此，确保在低推力下燃烧的稳定性是一个挑战。另一方面，存在比冲低的问题，低工况下，由于燃烧室内压力较低，而燃烧室和喷嘴主要是针对设计工况进行的优化，因此在低工况下，推力室的比冲极低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种双环多模推力室，至少部分解决现有技术中存在的火箭发动机推力室低工况下燃烧不稳定以及比冲低的问题。

本申请实施例提供一种双环多模推力室，包括由内向外依次套设的环形的第一壳体、第二壳体和第三壳体，所述第一壳体形成的腔体为内环推力室，所述内环推力室的头部为燃烧室，所述内环推力室的尾部设有第一喷嘴；

所述第一壳体和所述第二壳体之间形成冷却通道，位于所述内环推力室的尾部一侧的冷却通道设有燃料入口；

所述第二壳体和所述第三壳体之间形成的腔体为外环爆震推力室，所述外环爆震推力室的头部与所述内环推力室的头部位于同一侧，所述外环爆震推力室的头部为爆震燃烧区，所述外环爆震推力室的尾部设有第二喷嘴；

所述内环推力室的头部设有燃料喷嘴、氧化剂喷嘴和第一点火组件，所述外环爆震推力室的头部设有爆震燃料喷嘴、爆震氧化剂喷嘴和第二点火组件，所述燃料喷嘴和所述爆震燃料喷嘴分别与所述冷却通道相通。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述燃料喷嘴设置在所述第一壳体上，从所述燃料入口进入到冷却通道的燃料经所述燃料喷嘴进入所述内环推力室。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述爆震燃料喷嘴设置在所述第二壳体上，从所述燃料入口进入到冷却通道的燃料经所述爆震燃料喷嘴进入所述外环爆震推力室。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述爆震氧化剂喷嘴位于所述外环爆震推力室的头部，所述爆震氧化剂喷嘴的喷射方向与所述爆震燃料喷嘴的喷射方向垂直。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述双环多模推力室有四种工作模式，所述四种工作模式分别为增推模式、传统模式、低工况混合模式和爆震模式，

所述增推模式为所述内环推力室的推力百分比在90％以上，且所述外环爆震推力室的推力百分比在60％以上，通过控制所述爆震氧化剂喷嘴、所述爆震燃料喷嘴、所述燃料喷嘴和所述氧化剂喷嘴全部打开，实现所述增推模式；

所述传统模式为所述内环推力室单独工作，所述内环推力室的推力百分比在40％-100％，通过控制所述爆震氧化剂喷嘴和所述爆震燃料喷嘴关闭，以及控制所述氧化剂喷嘴和所述燃料喷嘴打开，实现所述传统模式；

所述低工况混合模式为所述内环推力室的推力百分比在20％-40％，通过控制所述爆震氧化剂喷嘴、所述爆震燃料喷嘴、所述燃料喷嘴和所述氧化剂喷嘴全部打开，且外环爆震推力室点火起爆，实现所述低工况混合模式；

所述爆震模式为所述外环爆震推力室单独工作，通过控制所述燃料喷嘴和所述氧化剂喷嘴关闭，以及控制所述爆震氧化剂喷嘴和所述爆震燃料喷嘴打开，实现所述爆震模式。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述第二喷嘴设置为塞式喷嘴。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，位于所述外环爆震推力室的尾部的所述第三壳体设有向所述第二壳体靠近的收紧段和远离所述第二壳体的扩张段，所述收紧段与所述扩张段过渡连接，所述扩张段与外界接触，所述收紧段、所述扩张段和所述第二壳体之间的部分构成所述塞式喷嘴。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述爆震燃料喷嘴喷出的燃料和所述爆震氧化剂喷嘴喷出的氧化剂的当量比为0.6～1.1。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述燃料喷嘴、所述氧化剂喷嘴、所述爆震燃料喷嘴和所述爆震氧化剂喷嘴中的一个或多个采用压力雾化喷嘴，和/或

所述燃料喷嘴、所述氧化剂喷嘴、所述爆震燃料喷嘴和所述爆震氧化剂喷嘴中的一个或多个采用旋流雾化喷嘴。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述双环多模推力室所用的燃料为煤油、甲烷或氢气，所述双环多模推力室所用的氧化剂为液氧或双氧水。

有益效果

本申请实施例中的双环多模推力室，通过增加外环爆震燃烧室对燃烧稳定性和低工况下比冲低的问题进行改善。爆震燃烧的燃烧效率高，可以实现增压燃烧，从而改善整体的推力室的燃烧稳定性，而且通过增压燃烧，可以在低工况下保持较高的比冲。

此外，双环多模推力室具有四种工具模式，具备深度变推的调节能力，有效提高火箭发动机的性能和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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它的附图。

图1为根据本发明一实施例的双环多模推力室的结构图。

图中：1、第一壳体；2、第二壳体；3、第三壳体；4、冷却通道；5、爆震燃烧区；6、塞式喷嘴；7、氧化剂喷嘴；8、燃料喷嘴；9、爆震燃料喷嘴；10、爆震氧化剂喷嘴；11、燃料入口。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本申请实施例提供了一种双环多模推力室，下面参照图1进行详细描述。

本实施例中的双环多模推力室，包括由内向外依次套设的环形的第一壳体1、第二壳体2和第三壳体3，所述第一壳体1形成的腔体为内环推力室，所述内环推力室的头部为燃烧室，所述内环推力室的尾部设有第一喷嘴；

所述第一壳体1和所述第二壳体2之间形成冷却通道4，位于所述内环推力室的尾部一侧的冷却通道4设有燃料入口11；

所述第二壳体2和所述第三壳体3之间形成的腔体为外环爆震推力室，所述外环爆震推力室的头部与所述内环推力室的头部位于同一侧，所述外环爆震推力室的头部为爆震燃烧区5，所述外环爆震推力室的尾部设有第二喷嘴；

所述内环推力室的头部设有燃料喷嘴8、氧化剂喷嘴7和第一点火组件，所述外环爆震推力室的头部设有爆震燃料喷嘴9、爆震氧化剂喷嘴10和第二点火组件，所述燃料喷嘴8和所述爆震燃料喷嘴9分别与所述冷却通道4相通。

在上述实施例中，推力室是由内环推力室和外环爆震推力室构成的双环推力室，其中，内环推力室的主要结构为由第二壳体2和第一壳体1组成，内环推力室的头部为燃烧室部分，内环推力室的尾部设有第一喷嘴，燃料从尾部进入由第二壳体2和第一壳体1组成的冷却通道4内；燃料在冷却通道4内对第一壳体1进行冷却后，进入内环推力室的头部通过燃料喷嘴8雾化后喷入燃烧室内，氧化剂通过氧化剂喷嘴7喷入燃烧室内，氧化剂和燃料在燃烧室内混合燃烧，产生高温高压的烟气，经过第一喷嘴加速后，喷出推力室，产生推力。由于燃烧室的燃烧温度很高，可利用燃料在冷却通道4中的流动对第一壳体1进行冷却，避免第一壳体1受到高温影响。

对于外环爆震推力室，外环爆震推力室的头部为爆震燃烧区5，燃料通过后部燃料入口11进入冷却通道4，冷却第二壳体2后，通过爆震燃料喷嘴9，径向喷入爆震燃烧区5，一部分氧化剂通过爆震氧化剂喷嘴10进入爆震燃烧区5与燃料混合后，产生连续旋转爆震燃烧。

连续旋转爆震燃烧的形成过程为：燃料与氧化剂预混后，进入第二壳体2和第三壳体3之间的环形通道内，点火组件点然后，在环形通道的一点发生微观尺度的爆炸，形成激波，激波持续点燃侧面的混合气，产生连续的爆震；激波在环形通道内旋转，微观尺度的爆炸延环形通道不断产生。由于爆炸反应时间非常短，因此可以近似认为是等容燃烧，等容燃烧条件下，温度上升，压力上升。因此，爆震燃烧技术也成为自增压燃烧技术。

传统的推力室的常规燃烧为等压燃烧，燃烧后压力基本不变或略微损失，因此，在低工况下燃烧室内压力低，比冲低。通过增加爆震燃烧的技术，其燃烧效率高，同时可以实现增压燃烧，因此可以在低工况下保持较高的比冲，有效提升推力室的比冲。

在一个实施例中，所述燃料喷嘴8设置在所述第一壳体1上，从所述燃料入口11进入到冷却通道4的燃料经所述燃料喷嘴8进入所述内环推力室；所述爆震燃料喷嘴9设置在所述第二壳体2上，从所述燃料入口11进入到冷却通道4的燃料经所述爆震燃料喷嘴9进入所述外环爆震推力室。

在一个实施例中，所述爆震氧化剂喷嘴10位于所述外环爆震推力室的头部一侧，所述爆震氧化剂喷嘴10的喷射方向与所述爆震燃料喷嘴9的喷射方向垂直，此处的垂直设置是为了更好的预混。

具体的，所述内环推力室的头部设置为封闭结构，即第一壳体1设有第一前端面，第二壳体2套设于第一壳体1外侧，第二壳体2设有第二前端面，第二壳体2的前端面向外延伸与第三壳体3连接形成第二壳体2和第三壳体3之间的第三前端面，爆震氧化剂喷嘴10垂直的设置于第三前端面上，爆震燃料喷嘴9垂直的设置在第二壳体2的侧壁上，爆震氧化剂喷嘴10的喷射方向和爆震燃料喷嘴9的喷射方向垂直。

进一步的，为了使氧化剂和燃料混合的更加均匀，爆震氧化剂喷嘴10均匀的设置于第三前端面上，爆震燃料喷嘴9均匀的设置在第二壳体2的侧壁上。

在一个实施例中，所述第二喷嘴设置为塞式喷嘴6。具体的，位于所述外环爆震推力室的尾部的所述第三壳体3设有向所述第二壳体2靠近的收紧段和远离所述第二壳体2的扩张段，所述收紧段与所述扩张段过渡连接，所述扩张段与外界接触，所述收紧段、所述扩张段和所述第二壳体2之间的部分构成所述塞式喷嘴6。

塞式喷嘴6也叫做尾喷管，燃料在燃烧室内燃烧产生的高温烟气，在塞式喷嘴6内进行加速，然后高速排出，产生推力。塞式喷嘴6的面积在气体流动方向是先收敛减小，然后扩张增大，亚音速气流在面积减小的通道内加速，在面积最小的地方气流速度等于音速；在扩张段的通道面积逐渐增大，超音速气流是由气流在面积增大时速度增大所形成的，最后高速排出，产生推力。

在一个实施例中，所述爆震燃料喷嘴9喷出的燃料和所述爆震氧化剂喷嘴10喷出的氧化剂的当量比为0.6～1.1。

在一个实施例中，所述燃料喷嘴8、所述氧化剂喷嘴7、所述爆震燃料喷嘴9和所述爆震氧化剂喷嘴10中的一个或多个采用压力雾化喷嘴，和/或

所述燃料喷嘴8、所述氧化剂喷嘴7、所述爆震燃料喷嘴9和所述爆震氧化剂喷嘴10中的一个或多个采用旋流雾化喷嘴。

在一个实施例中，所述双环多模推力室所用的燃料为煤油、甲烷或氢气，所述双环多模推力室所用的氧化剂为液氧或双氧水。

本申请中的双环多模推力室有四种工作模式，所述四种工作模式分别为增推模式、传统模式、低工况混合模式和爆震模式，

所述增推模式为所述内环推力室的推力百分比在90％以上，且所述外环爆震推力室的推力百分比在60％以上，通过控制所述爆震氧化剂喷嘴10、所述爆震燃料喷嘴9、所述燃料喷嘴8和所述氧化剂喷嘴7全部打开，实现所述增推模式，在此状态下，可以相对单独的传统燃烧室，推力会增加；

所述传统模式为所述内环推力室单独工作，其推力百分比在40％-100％，通过控制所述爆震氧化剂喷嘴10和所述爆震燃料喷嘴9关闭，以及控制所述氧化剂喷嘴7和所述燃料喷嘴8打开，实现所述传统模式，此模式下由内环推力室单独工作，爆震燃烧室不工作；

所述低工况混合模式为所述内环推力室的推力百分比在20％-40％，通过控制所述爆震氧化剂喷嘴10、所述爆震燃料喷嘴9、所述燃料喷嘴8和所述氧化剂喷嘴7全部打开，且外环爆震推力室点火起爆，实现所述低工况混合模式；

所述爆震模式为所述外环爆震推力室单独工作，通过控制所述燃料喷嘴8和所述氧化剂喷嘴7关闭，以及控制所述爆震氧化剂喷嘴10和所述爆震燃料喷嘴9打开，实现所述爆震模式。

由于传统火箭发动机一般只能在推力百分比为50％～100％的范围内工作，当推力百分比在40％以下很难稳定工作，同时，推力百分比在40％以下时比冲很低(燃烧效率低、室压低)。本申请中通过增加爆震燃烧技术对该问题进行改善，爆震燃烧的燃烧效率高，可以实现增压燃烧，从而改善整体的推力室的燃烧稳定性，而且通过增压燃烧，可以在低工况下保持较高的比冲。此外，本申请的推力室具有四种工具模式，具备深度变推的调节能力，有效提高火箭发动机的性能和效率。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双环多模推力室，其特征在于，包括由内向外依次套设的环形的第一壳体(1)、第二壳体(2)和第三壳体(3)，所述第一壳体(1)形成的腔体为内环推力室，所述内环推力室的头部为燃烧室，所述内环推力室的尾部设有第一喷嘴；

所述第一壳体(1)和所述第二壳体(2)之间形成冷却通道(4)，位于所述内环推力室的尾部一侧的冷却通道(4)设有燃料入口(11)；

所述第二壳体(2)和所述第三壳体(3)之间形成的腔体为外环爆震推力室，所述外环爆震推力室的头部与所述内环推力室的头部位于同一侧，所述外环爆震推力室的头部为爆震燃烧区(5)，所述外环爆震推力室的尾部设有第二喷嘴；

所述内环推力室的头部设有燃料喷嘴(8)、氧化剂喷嘴(7)和第一点火组件，所述外环爆震推力室的头部设有爆震燃料喷嘴(9)、爆震氧化剂喷嘴(10)和第二点火组件，所述燃料喷嘴(8)和所述爆震燃料喷嘴(9)分别与所述冷却通道(4)相通。

2.根据权利要求1所述的双环多模推力室，其特征在于，所述燃料喷嘴(8)设置在所述第一壳体(1)上，从所述燃料入口(11)进入到冷却通道(4)的燃料经所述燃料喷嘴(8)进入所述内环推力室。

3.根据权利要求1所述的双环多模推力室，其特征在于，所述爆震燃料喷嘴(9)设置在所述第二壳体(2)上，从所述燃料入口(11)进入到冷却通道(4)的燃料经所述爆震燃料喷嘴(9)进入所述外环爆震推力室。

4.根据权利要求3所述的双环多模推力室，其特征在于，所述爆震氧化剂喷嘴(10)位于所述外环爆震推力室的头部，所述爆震氧化剂喷嘴(10)的喷射方向与所述爆震燃料喷嘴(9)的喷射方向垂直。

5.根据权利要求1所述的双环多模推力室，其特征在于，所述双环多模推力室有四种工作模式，所述四种工作模式分别为增推模式、传统模式、低工况混合模式和爆震模式，

所述增推模式为所述内环推力室的推力百分比在90％以上，且所述外环爆震推力室的推力百分比在60％以上，通过控制所述爆震氧化剂喷嘴(10)、所述爆震燃料喷嘴(9)、所述燃料喷嘴(8)和所述氧化剂喷嘴(7)全部打开，实现所述增推模式；

所述传统模式为所述内环推力室单独工作，所述内环推力室的推力百分比在40％-100％，通过控制所述爆震氧化剂喷嘴(10)和所述爆震燃料喷嘴(9)关闭，以及控制所述氧化剂喷嘴(7)和所述燃料喷嘴(8)打开，实现所述传统模式；

所述低工况混合模式为所述内环推力室的推力百分比在20％-40％，通过控制所述爆震氧化剂喷嘴(10)、所述爆震燃料喷嘴(9)、所述燃料喷嘴(8)和所述氧化剂喷嘴(7)全部打开，且外环爆震推力室点火起爆，实现所述低工况混合模式；

所述爆震模式为所述外环爆震推力室单独工作，通过控制所述燃料喷嘴(8)和所述氧化剂喷嘴(7)关闭，以及控制所述爆震氧化剂喷嘴(10)和所述爆震燃料喷嘴(9)打开，实现所述爆震模式。

6.根据权利要求1所述的双环多模推力室，其特征在于，所述第二喷嘴设置为塞式喷嘴(6)。

7.根据权利要求5所述的双环多模推力室，其特征在于，位于所述外环爆震推力室的尾部的所述第三壳体(3)设有向所述第二壳体(2)靠近的收紧段和远离所述第二壳体(2)的扩张段，所述收紧段与所述扩张段过渡连接，所述扩张段与外界接触，所述收紧段、所述扩张段和所述第二壳体(2)之间的部分构成所述塞式喷嘴(6)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的双环多模推力室，其特征在于，所述爆震燃料喷嘴(9)喷出的燃料和所述爆震氧化剂喷嘴(10)喷出的氧化剂的当量比为0.6～1.1。

9.根据权利要求1-7任一项所述的双环多模推力室，其特征在于，所述燃料喷嘴(8)、所述氧化剂喷嘴(7)、所述爆震燃料喷嘴(9)和所述爆震氧化剂喷嘴(10)中的一个或多个采用压力雾化喷嘴，和/或

所述燃料喷嘴(8)、所述氧化剂喷嘴(7)、所述爆震燃料喷嘴(9)和所述爆震氧化剂喷嘴(10)中的一个或多个采用旋流雾化喷嘴。

10.根据权利要求1-7任一项所述的双环多模推力室，其特征在于，所述双环多模推力室所用的燃料为煤油、甲烷或氢气，所述双环多模推力室所用的氧化剂为液氧或双氧水。