CN117703600A - 一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机领域，具体涉及了一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，旨在解决现有技术中推进剂极度浪费，燃烧效率低，燃烧室质量大的问题。本发明包括：伺服机构，其与顶盖同轴固定，顶盖与氧化剂腔壳体同轴设置，氧化剂腔壳体与燃料剂腔壳体同轴设置；伺服机构分别与套筒和中心杆驱动连接，套筒上同轴开设有氧化剂流道；套筒的外表面和燃料剂腔壳体的远离顶盖一侧的端面之间间隔设置有燃料剂流道；燃料剂腔壳体与喷管同轴设置。本发明可同时改变氧化剂流道和燃料流道的喷注面积，并且二者解耦，实现变推力的需求，减轻了整体发动机的结构质量，有利于延长航天器的在轨工作寿命。

Description

一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机

技术领域

本发明属于空间推进领域，具体涉及了一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机。

背景技术

空间姿控发动机广泛用于卫星、航天飞机、运载火箭等航天器，是航天器进行轨道修正、速度调节、姿态控制、交会对接等航天活动的主要动力装置。为了实现航天器的精准控制，空间姿控发动机需要具备变推力的能力，并且推力的大小能够精准控制；此外，姿控发动机在轨期间需要进行多次的启动和关机，其燃烧过程的稳定性和可靠性也需要进一步提高；最后，为了提高航天器的在轨运行寿命，就需要最大限度的减轻航天器的质量，特别是要控制发动机的质量，这就需要姿控发动机在设计过程中结构简单，避免结构冗余，并且能够通过合理的方式提升工作性能（燃烧效率）。

发动机的变推力是通过改变推进剂的喷注面积来实现的，其中最典型的就是针栓式喷注器。针栓喷注器通过连接机构控制中心杆的移动从而改变喷注面积，并且迄今为止，采用针栓式喷注器的发动机从未出现过燃烧不稳定现象，具有良好的可靠性和稳定性。但是目前，针栓喷注器的设计一般只改变一种推进剂的喷注面积，另一种推进剂的喷注面积保持不变，这就容易导致在变推力的过程中喷注面积不变的推进剂极度浪费，不利高效燃烧，提高航天器运行寿命；此外，即使某些设计可以同时改变两种推进剂的喷注面积，但二者的喷注面积之间彼此仍存在一定的关联性，这就容易导致推进剂只能按照某些固定的比例混合，其可变的推力只局限于固定值。

传统的空间姿控发动机内推进剂燃烧释热的过程是爆燃燃烧过程，目前该种燃烧方式的燃烧效率提升空间相当有限。而采用爆震燃烧方式的连续旋转爆震发动机器热力循环效率较爆燃燃烧方式更高，热释放率也更高，这有利于显著提高燃烧效率；此外，经典的连续旋转爆震发动机采用环形空桶燃烧室，这是为了限制燃烧释热的空间位置，从而产生自持的连续旋转爆震波。此种方式的燃烧室长度较长，有望进一步缩短燃烧室的长度，减轻整体结构质量。

基于此，本发明提出了一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术中推进剂极度浪费，燃烧效率低，燃烧室质量大的问题，本发明提供了一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，包括伺服机构、顶盖、氧化剂腔壳体、燃料剂腔壳体、套筒、中心杆和喷管；

所述伺服机构与所述顶盖同轴固定，所述顶盖与所述氧化剂腔壳体同轴设置并可拆卸固定连接，所述氧化剂腔壳体与所述燃料剂腔壳体同轴设置并可拆卸固定连接；

所述伺服机构分别与所述套筒和所述中心杆驱动连接，所述中心杆能够沿所述套筒移动；所述套筒能够沿所述燃料剂腔壳体移动，所述套筒上同轴开设有氧化剂流道，所述氧化剂流道与氧化剂腔连通，所述氧化剂腔同轴开设在所述氧化剂腔壳体的内部，所述氧化剂腔用于添加氧化剂；

所述套筒的外表面和所述燃料剂腔壳体的远离所述顶盖一侧的端面之间间隔设置有燃料剂流道，所述燃料剂流道与所述燃料剂腔连通，所述燃料剂腔同轴开设在所述燃料剂腔壳体的内部，所述燃料剂腔用于添加燃料剂；

所述燃料剂腔壳体与所述喷管同轴设置并可拆卸固定连接，所述喷管用于实现氧化剂和燃料剂的燃烧。

在一些优选的实施方式中，所述伺服机构分别与所述套筒和所述中心杆驱动连接，其具体方式为：

所述伺服机构分别与套筒移动机构的一端和中心杆移动机构的一端驱动连接，所述套筒移动机构的另一端穿过所述顶盖与套筒连接机构固定，所述套筒连接机构穿过所述氧化剂腔壳体与所述套筒固定；

所述中心杆移动机构的另一端穿过所述套筒连接机构与所述中心杆固定。

在一些优选的实施方式中，所述套筒连接机构穿过所述氧化剂腔壳体与所述套筒固定，其具体方式为：

所述氧化剂腔壳体的靠近所述顶盖一侧的端面上开设有通孔，所述通孔的内表面与第一接头的外表面固定，所述第一接头的内表面通过第一滑动密封装置与所述套筒连接机构滑动密封连接。

在一些优选的实施方式中，所述顶盖的与所述氧化剂腔壳体贴合的端面上开设有第一径向密封槽，所述第一径向密封槽用于实现所述顶盖与所述氧化剂腔壳体之间的密封连接。

在一些优选的实施方式中，所述氧化剂腔壳体的与所述燃料剂腔壳体贴合的端面上开设有第二径向密封槽，所述第二径向密封槽用于实现所述氧化剂腔壳体与所述燃料剂腔壳体之间的密封连接。

在一些优选的实施方式中，所述燃料剂腔壳体的与所述喷管贴合的端面上开设有第三径向密封槽，所述第三径向密封槽用于实现所述燃料剂腔壳体与所述喷管之间的密封连接。

在一些优选的实施方式中，所述套筒的外表面与所述燃料剂腔壳体的靠近所述顶盖一侧的端面之间设置有第二滑动密封装置，所述第二滑动密封装置用于实现所述套筒与所述燃料剂腔壳体之间的滑动密封。

在一些优选的实施方式中，所述氧化剂腔壳体和所述燃料剂腔壳体上分别设置有氧化剂入口接头和燃料剂入口接头；

所述氧化剂入口接头与氧化剂入口密封连接并固定，所述氧化剂入口开设在所述氧化剂腔壳体的外圆周面；

所述燃料剂入口接头与燃料剂入口密封连接并固定，所述燃料剂入口开设在所述燃料剂腔壳体的外圆周面。

在一些优选的实施方式中，所述中心杆设置在所述喷管内的一端固定有锥形头部，通过所述锥形头部在所述喷管内形成锥形燃烧室，所述锥形燃烧室用于实现连续旋转爆震燃烧。

在一些优选的实施方式中，所述氧化剂入口接头、所述氧化剂入口、所述燃料剂入口接头和所述燃料剂入口沿所述中心杆的轴线对称设置两组。

本发明的有益效果：

1、采用针栓式喷注器，伺服机构可以同时控制套筒和中心杆沿轴向方向上的进动。有以下三种情况，当套筒不动时，中心杆上下进动，即可以改变氧化剂流道的喷注面积，实现变推力；当套筒上下进动中心杆不动时，即可以同时改变氧化剂流道和燃料流道的喷注面积，从而实现变推力燃烧。这两种情况为一般针栓式喷注器所能实现的功能，前文已经指出了这些情况下的不足之处，本专利的针栓式喷注器还可以进行第三种情况，即同时控制套筒和中心杆上下进动，即可以同时改变氧化剂流道和燃料流道的喷注面积，并且二者解耦，实现变推力的需求。此外，采取这种方式，可以使喷注器调整至最佳设计工况，从而既可以实现精准推力的需求，又可以避免推进剂的浪费，延长航天器的在轨工作寿命；

2、采用针栓式喷注器，目前采用该喷注器的发动机尚未出现过燃烧不稳定问题，因此其燃烧稳定性和可靠性加强，可以满足发动机重复关机和启动的需求；

3、喷管设计为锥形喷管，中心杆的头部也为锥形头部，可以加强推进剂之间的掺混过程，同时限制燃烧区域，热试车结果表明可以发生连续旋转爆震燃烧；

4、采用爆震燃烧组织方式较传统的爆燃燃烧组织方式热力循环效率高、热流密度大、热释放效率高，有利于提高燃烧效率，延长航天器的在轨工作寿命；

5、采用旋转爆震方式，燃料和氧化剂燃烧发生在燃烧室头部，从而可以减少燃烧室等直段的长度，减轻了整体发动机的结构质量，有利于延长航天器的在轨工作寿命；

6、本发明模块化程度高、结构简单紧凑、稳定性好，具有重要的经济和工程运用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机的轴侧图；

图2是本发明的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机的内部结构示意图；

图3是本发明的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机的套筒连接机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1-图3所示，参见图1，本发明提供了一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，包括伺服机构1、顶盖3、氧化剂腔壳体6、燃料剂腔壳体7、套筒8、中心杆10和喷管13；

所述伺服机构1与所述顶盖3同轴固定，所述顶盖3与所述氧化剂腔壳体6同轴设置并可拆卸固定连接，所述氧化剂腔壳体6与所述燃料剂腔壳体7同轴设置并可拆卸固定连接；

所述伺服机构1分别与所述套筒8和所述中心杆10驱动连接，所述中心杆10能够沿所述套筒8移动；所述套筒8能够沿所述燃料剂腔壳体7移动，所述套筒8上同轴开设有氧化剂流道51，所述氧化剂流道51与氧化剂腔5连通，所述氧化剂腔5同轴开设在所述氧化剂腔壳体6的内部，所述氧化剂腔5用于添加氧化剂；

所述套筒8的外表面和所述燃料剂腔壳体7的远离所述顶盖3一侧的端面之间间隔设置有燃料剂流道91，所述燃料剂流道91与所述燃料剂腔9连通，所述燃料剂腔9同轴开设在所述燃料剂腔壳体7的内部，所述燃料剂腔9用于添加燃料剂；

所述燃料剂腔壳体7与所述喷管13同轴设置并可拆卸固定连接，所述喷管13用于实现氧化剂和燃料剂的燃烧。

其中，伺服机构1可以同时控制套筒8和中心杆10沿轴向方向上的进动。有以下三种情况，当套筒8不动时，中心杆10上下进动，即可以改变氧化剂流道51的喷注面积，实现变推力；当套筒8上下进动中心杆10不动时，即可以同时改变氧化剂流道51和燃料剂流道91的喷注面积，从而实现变推力燃烧。这两种情况为一般针栓式喷注器所能实现的功能，前文已经指出了这些情况下的不足之处，本专利的针栓式喷注器还可以进行第三种情况，即同时控制套筒8和中心杆10上下进动，即可以同时改变氧化剂流道51和燃料剂流道91的喷注面积，并且二者解耦，实现变推力的需求。此外，采取这种方式，可以使喷注器调整至最佳设计工况，从而既可以实现精准推力的需求，又可以避免推进剂的浪费，延长航天器的在轨工作寿命。

其中，所述套筒8能够沿所述燃料剂腔壳体7移动，其具体结构为：

所述燃料剂腔壳体7的靠近所述氧化剂腔壳体6一侧的表面上开设有与所述套筒8的外表面形状相配合的导孔，所述套筒8沿所述导孔移动。

作为对本发明的进一步解释，参见图1、图2、图3，所述伺服机构1分别与所述套筒8和所述中心杆10驱动连接，其具体方式为：

所述伺服机构1分别与套筒移动机构11的一端和中心杆移动机构12的一端驱动连接，所述套筒移动机构11的另一端穿过所述顶盖3与套筒连接机构2固定，所述套筒连接机构2穿过所述氧化剂腔壳体6与所述套筒8固定；

所述中心杆移动机构12的另一端穿过所述套筒连接机构2与所述中心杆10固定。

其中，参见图2、图3，在本实施例中，所述套筒移动机构11的另一端穿过所述顶盖3与套筒连接机构2固定，其具体结构为：

所述套筒连接机构2包括第一圆盘22以及与所述第一圆盘22固定的支柱23；

所述支柱23的一端沿所述第一圆盘22的圆周面均匀设置至少4组，所述套筒移动机构11的另一端与上端焊接口21焊接固定，所述上端焊接口21开设在所述第一圆盘22上，所述上端焊接口21和所述套筒移动机构11沿所述第一圆盘22的中心周向均匀设置至少4组。

在本实施例中，所述套筒连接机构2穿过所述氧化剂腔壳体6与所述套筒8固定，其具体结构为：

所述支柱23的另一端与套筒焊接口81焊接固定，所述套筒焊接口81开设在所述套筒8的上端面上，所述套筒焊接口81沿所述第一圆盘22的中心周向均匀设置至少4组。

在本实施例中，所述中心杆移动机构12的另一端穿过所述套筒连接机构2与所述中心杆10固定，其具体结构为：

所述中心杆移动机构12与所述中心杆焊接口102焊接固定，所述中心杆焊接口102开设在所述中心杆10的一端。

在本实施例中，所述顶盖3和所述氧化剂腔壳体6上共同开设有第一螺纹孔32，通过所述第一螺纹孔32实现所述顶盖3和所述氧化剂腔壳体6的可拆卸固定，所述第一螺纹孔32沿所述顶盖3的周向方向均匀设置多组。

在本实施例中，所述氧化剂腔壳体6和所述燃料剂腔壳体7上共同开设有第二螺纹孔71，通过所述第二螺纹孔71实现所述氧化剂腔壳体6和所述燃料剂腔壳体7的可拆卸固定，所述第二螺纹孔71沿所述氧化剂腔壳体6的周向方向均匀设置多组。

在本实施例中，所述燃料剂腔壳体7和所述喷管13上共同开设有第三螺纹孔111，通过所述第三螺纹孔111实现所述燃料剂腔壳体7和所述喷管13的可拆卸固定，所述第三螺纹孔111沿所述燃料剂腔壳体7的周向方向均匀设置多组。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述套筒连接机构2穿过所述氧化剂腔壳体6与所述套筒8固定，其具体方式为：

所述氧化剂腔壳体6的靠近所述顶盖3一侧的端面上开设有通孔，所述通孔的内表面与第一接头4的外表面固定，所述第一接头4的内表面通过第一滑动密封装置41与所述套筒连接机构2滑动密封连接。

其中，在本实施例中，所述第一接头4的内表面通过第一滑动密封装置41与所述支柱23滑动密封连接，所述第一接头4和所述第一滑动密封装置41沿所述第一圆盘22的中心周向均匀设置至少4组；

其中，所述第一滑动密封装置41为开设在所述第一接头4内表面的密封槽。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述顶盖3的与所述氧化剂腔壳体6贴合的端面上开设有第一径向密封槽31，所述第一径向密封槽31用于实现所述顶盖3与所述氧化剂腔壳体6之间的密封连接。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述氧化剂腔壳体6的与所述燃料剂腔壳体7贴合的端面上开设有第二径向密封槽64，所述第二径向密封槽64用于实现所述氧化剂腔壳体6与所述燃料剂腔壳体7之间的密封连接。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述燃料剂腔壳体7的与所述喷管13贴合的端面上开设有第三径向密封槽75，所述第三径向密封槽75用于实现所述燃料剂腔壳体7与所述喷管13之间的密封连接。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述套筒8的外表面与所述燃料剂腔壳体7的靠近所述顶盖3一侧的端面之间设置有第二滑动密封装置72，所述第二滑动密封装置72用于实现所述套筒8与所述燃料剂腔壳体7之间的滑动密封。

其中，所述第二滑动密封装置72为开设在所述导孔表面的密封槽。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述氧化剂腔壳体6和所述燃料剂腔壳体7上分别设置有氧化剂入口接头63和燃料剂入口接头73；

所述氧化剂入口接头63与氧化剂入口62密封连接并固定，所述氧化剂入口62开设在所述氧化剂腔壳体6的外圆周面；

所述燃料剂入口接头73与燃料剂入口74密封连接并固定，所述燃料剂入口74开设在所述燃料剂腔壳体7的外圆周面。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述中心杆10设置在所述喷管13内的一端固定有锥形头部101，通过所述锥形头部101在所述喷管13内形成锥形燃烧室112，所述锥形燃烧室112用于实现连续旋转爆震燃烧。

其中，锥形燃烧室112与喉部113连通，所述喉部113同轴开设在喷管13上，所述喉部113用于将锥形燃烧室112产生的内能转换为动能。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述氧化剂入口接头63、所述氧化剂入口62、所述燃料剂入口接头73和所述燃料剂入口74沿所述中心杆10的轴线对称设置两组。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，包括伺服机构（1）、顶盖（3）、氧化剂腔壳体（6）、燃料剂腔壳体（7）、套筒（8）、中心杆（10）和喷管（13）；

所述伺服机构（1）与所述顶盖（3）同轴固定，所述顶盖（3）与所述氧化剂腔壳体（6）同轴设置并可拆卸固定连接，所述氧化剂腔壳体（6）与所述燃料剂腔壳体（7）同轴设置并可拆卸固定连接；

所述伺服机构（1）分别与所述套筒（8）和所述中心杆（10）驱动连接，所述中心杆（10）能够沿所述套筒（8）移动；所述套筒（8）能够沿所述燃料剂腔壳体（7）移动，所述套筒（8）上同轴开设有氧化剂流道（51），所述氧化剂流道（51）与氧化剂腔（5）连通，所述氧化剂腔（5）同轴开设在所述氧化剂腔壳体（6）的内部，所述氧化剂腔（5）用于添加氧化剂；

所述套筒（8）的外表面和所述燃料剂腔壳体（7）的远离所述顶盖（3）一侧的端面之间间隔设置有燃料剂流道（91），所述燃料剂流道（91）与燃料剂腔（9）连通，所述燃料剂腔（9）同轴开设在所述燃料剂腔壳体（7）的内部，所述燃料剂腔（9）用于添加燃料剂；

所述燃料剂腔壳体（7）与所述喷管（13）同轴设置并可拆卸固定连接，所述喷管（13）用于实现氧化剂和燃料剂的燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，所述伺服机构（1）分别与所述套筒（8）和所述中心杆（10）驱动连接，其具体方式为：

所述伺服机构（1）分别与套筒移动机构（11）的一端和中心杆移动机构（12）的一端驱动连接，所述套筒移动机构（11）的另一端穿过所述顶盖（3）与套筒连接机构（2）固定，所述套筒连接机构（2）穿过所述氧化剂腔壳体（6）与所述套筒（8）固定；

所述中心杆移动机构（12）的另一端穿过所述套筒连接机构（2）与所述中心杆（10）固定。

3.根据权利要求2所述的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，所述套筒连接机构（2）穿过所述氧化剂腔壳体（6）与所述套筒（8）固定，其具体方式为：

所述氧化剂腔壳体（6）的靠近所述顶盖（3）一侧的端面上开设有通孔，所述通孔的内表面与第一接头（4）的外表面固定，所述第一接头（4）的内表面通过第一滑动密封装置（41）与所述套筒连接机构（2）滑动密封连接。

4.根据权利要求3所述的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，所述顶盖（3）的与所述氧化剂腔壳体（6）贴合的端面上开设有第一径向密封槽（31），所述第一径向密封槽（31）用于实现所述顶盖（3）与所述氧化剂腔壳体（6）之间的密封连接。

5.根据权利要求4所述的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，所述氧化剂腔壳体（6）的与所述燃料剂腔壳体（7）贴合的端面上开设有第二径向密封槽（64），所述第二径向密封槽（64）用于实现所述氧化剂腔壳体（6）与所述燃料剂腔壳体（7）之间的密封连接。

6.根据权利要求5所述的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，所述燃料剂腔壳体（7）的与所述喷管（13）贴合的端面上开设有第三径向密封槽（75），所述第三径向密封槽（75）用于实现所述燃料剂腔壳体（7）与所述喷管（13）之间的密封连接。

7.根据权利要求6所述的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，所述套筒（8）的外表面与所述燃料剂腔壳体（7）的靠近所述顶盖（3）一侧的端面之间设置有第二滑动密封装置（72），所述第二滑动密封装置（72）用于实现所述套筒（8）与所述燃料剂腔壳体（7）之间的滑动密封。

8.根据权利要求7所述的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，所述氧化剂腔壳体（6）和所述燃料剂腔壳体（7）上分别设置有氧化剂入口接头（63）和燃料剂入口接头（73）；

所述氧化剂入口接头（63）与氧化剂入口（62）密封连接并固定，所述氧化剂入口（62）开设在所述氧化剂腔壳体（6）的外圆周面；

所述燃料剂入口接头（73）与燃料剂入口（74）密封连接并固定，所述燃料剂入口（74）开设在所述燃料剂腔壳体（7）的外圆周面。

9.根据权利要求8所述的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，所述中心杆（10）设置在所述喷管（13）内的一端固定有锥形头部（101），通过所述锥形头部（101）在所述喷管（13）内形成锥形燃烧室（112），所述锥形燃烧室（112）用于实现连续旋转爆震燃烧。

10.根据权利要求9所述的一种针栓式连续旋转爆震空间姿控发动机，其特征在于，所述氧化剂入口接头（63）、所述氧化剂入口（62）、所述燃料剂入口接头（73）和所述燃料剂入口（74）沿所述中心杆（10）的轴线对称设置两组。