CN117722293B - 一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间推进领域，具体涉及了一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，旨在解决燃烧效率提升空间有限的问题。本发明包括：中心盖板、内锥件、外环件和喷管；中心盖板与内锥件同轴固定，内锥件与外环件同轴固定，外环件与喷管同轴设置且可拆卸固定；中心盖板与内锥件之间形成氧化剂腔，氧化剂腔与氧化剂喷射口连通，氧化剂喷射口开设在内锥件上；内锥件与外环件之间形成燃料剂腔，燃料剂腔与燃料剂喷射口连通，燃料剂喷射口开设在内锥件上；喷管用于为氧化剂和燃料剂提供燃烧区域并实现连续旋转爆震。本发明燃烧室室压得到提高，比冲进一步增大，结构简单紧凑、稳定性好。

Description

一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机

技术领域

本发明属于空间推进领域，具体涉及了一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机。

背景技术

空间轨控发动机是卫星等航天器进行轨道保持、轨道转移过程的主要动力装置。轨控发动机的工作模式一般为长时间点火模式，工作时间较长；此外，由于航天器变轨所需要的总冲较大，发动机所携带的推进剂总量较多。以地球静止轨道卫星为例，推进剂总质量占整星重量的一半以上，其中轨控发动机所消耗的推进剂占总推进剂质量的80%。轨控发动机的燃烧效率提高1%，相当于发动机真空比冲提高3s，对于卫星而言，可以延长一两个月的寿命。因此，为了延长航天器的在轨工作寿命或增加有限载荷的质量，有必要对空间轨控发动机进行进一步的优化设计。

空间轨控发动机的优化一般从两个方面：一是性能优化；二是结构优化，这两个方面也紧密相关。在性能优化方面，主要是通过采取合理的设计提高发动机的燃烧效率，从而增加比冲，延长航天器的在轨工作寿命；在结构优化方面，主要通过优化结构来提升系统的性能或是减轻整体的质量，从而实现增加有效载荷的质量。

目前来讲，传统的空间轨控发动机内推进剂燃烧释热驱动航天器运动，这种燃烧过程以爆燃模式组织燃烧，近似于等压燃烧，通常采用提高燃烧室的压力和温度等方式来提高发动机的燃烧效率，但是受制于目前材料和工艺水平的限制，目前认为该种燃烧方式的燃烧效率提升空间相当有限。与之不同的是爆震燃烧，爆震燃烧以超音速的速度传播，燃烧过程近似于等容燃烧，因而单位时间内可以释放更多的热量，燃烧效率更高。因此，采用爆震燃烧的方式更有利于提高发动机的燃烧效率。

基于此，本发明提出了一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即燃烧效率提升空间有限的问题，本发明提供了一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，包括中心盖板、内锥件、外环件和喷管；

所述中心盖板与所述内锥件同轴固定，所述内锥件与所述外环件同轴固定，所述外环件与所述喷管同轴设置且可拆卸固定；

所述中心盖板与所述内锥件之间形成氧化剂腔，所述氧化剂腔与氧化剂喷射口连通，所述氧化剂喷射口开设在所述内锥件上；

所述内锥件与所述外环件之间形成燃料剂腔，所述燃料剂腔与燃料剂喷射口连通，所述燃料剂喷射口开设在所述内锥件上；

所述喷管用于为氧化剂和燃料剂提供燃烧区域并实现连续旋转爆震。

在一些优选的实施方式中，所述内锥件包括第一圆环、第二圆环、第一圆盘、第二圆盘和锥盘；

所述第一圆环的外圆周面与所述外环件密封连接，所述第一圆环的外圆周面和第二圆环同轴固定，所述第二圆环与所述外环件同轴固定，所述第二圆环与所述喷管密封连接；

所述第一圆环的外表面上开设有所述燃料剂喷射口，所述第一圆环、第二圆环和所述外环件共同构成所述燃料剂腔；

所述第一圆环的内表面与所述第一圆盘同轴固定，所述第一圆盘的一个端面和所述第二圆盘同轴固定，所述第二圆盘所述中心盖板密封连接，所述第一圆盘的另一个端面与所述锥盘固定；

所述第一圆盘的表面开设有所述氧化剂喷射口，所述第一圆盘、所述第二圆盘、所述第一圆环和所述中心盖板共同构成所述氧化剂腔。

在一些优选的实施方式中，所述喷管上开设有径向密封槽，通过所述径向密封槽实现所述外环件和所述喷管之间的密封。

在一些优选的实施方式中，所述中心盖板上开设有氧化剂入口，所述氧化剂入口与所述氧化剂腔连通。

在一些优选的实施方式中，所述中心盖板上开设有氧化剂腔室测压孔，所述氧化剂腔室测压孔与所述氧化剂腔连通，所述氧化剂腔室测压孔用于测量所述氧化剂腔内的压力。

在一些优选的实施方式中，所述燃料剂腔与燃料剂入口和燃料剂腔测压孔连通，所述燃料剂入口和所述燃料剂腔测压孔均开设在所述外环件的外圆周面上，所述燃料剂腔测压孔用于测量所述燃料剂腔内的压力。

在一些优选的实施方式中，所述外环件与所述喷管同轴设置且可拆卸固定，其方式为：

所述外环件和所述喷管共同开设有螺栓孔，通过所述螺栓孔和螺栓的配合实现所述外环件和所述喷管之间的可拆卸固定。

在一些优选的实施方式中，所述喷管包括依次连通的收缩段、喉部和扩张段；

所述收缩段用于实现所述氧化剂和所述燃料剂的燃烧并产生内能；

所述喉部用于将氧化剂和所述燃料剂的燃烧产生的内能转换为动能；

所述扩张段用于扩张所述动能。

在一些优选的实施方式中，所述螺栓孔沿所述外环件周向均匀分布多组。

在一些优选的实施方式中，所述氧化剂喷射口和所述燃料剂喷射口分别沿所述第一圆盘和所述第一圆环均匀设置多组。

本发明的有益效果：

1、一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其内锥件下端为锥面，该种设计一方面可以限制氧化剂和燃料的燃烧区域，发生旋转爆震燃烧，另一方面锥形端面的设计可以使推进剂流动掺混更加均匀，喷嘴内部压力损失减小。

2、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，从而可以提高发动机比冲；此外，该发动机构型采用拉瓦尔喷管，燃烧室室压得到提高，比冲进一步增大，有利于延长航天器寿命。

3、该发动机构型为扁平的锥形结构，由于燃料和氧化剂燃烧发生在内锥件头部，从而可以去掉燃烧室等直段，并且已经通过试验证明该发动机构型与具有燃烧室长度构型所产生的推力相当。因此，该设计可以不损失性能的情况下减轻航天器的质量或增加有限载荷的质量。

4、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是本发明的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机的轴测图；

图2是本发明的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机的一个方向的剖视图；

图3是本发明的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机的另一个方向的剖视图；

图4是本发明的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机的内部结构轴测图。

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4所示，参见图1，本发明提供了一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，包括中心盖板1、内锥件2、外环件3和喷管4；

所述中心盖板1与所述内锥件2同轴固定，所述内锥件2与所述外环件3同轴固定，所述外环件3与所述喷管4同轴设置且可拆卸固定；

所述中心盖板1与所述内锥件2之间形成氧化剂腔5，所述氧化剂腔5与氧化剂喷射口21连通，所述氧化剂喷射口21开设在所述内锥件2上；

所述内锥件2与所述外环件3之间形成燃料剂腔6，所述燃料剂腔6与燃料剂喷射口22连通，所述燃料剂喷射口22开设在所述内锥件上；

所述喷管4用于为氧化剂和燃料剂提供燃烧区域并实现连续旋转爆震。

参见图2、图3、图4，作为对本发明的进一步解释，所述内锥件2包括第一圆环23、第二圆环24、第一圆盘25、第二圆盘26和锥盘27；

所述第一圆环23的外圆周面与所述外环件3密封连接，所述第一圆环23的外圆周面和第二圆环24同轴固定，所述第二圆环24与所述外环件3同轴固定，所述第二圆环24与所述喷管4密封连接；

所述第一圆环23的外表面上开设有所述燃料剂喷射口22，所述第一圆环23、第二圆环24和所述外环件3共同构成所述燃料剂腔6；

所述第一圆环23的内表面与所述第一圆盘25同轴固定，所述第一圆盘25的一个端面和所述第二圆盘26同轴固定，所述第二圆盘26所述中心盖板1密封连接，所述第一圆盘25的另一个端面与所述锥盘27固定；

所述第一圆盘25的表面开设有所述氧化剂喷射口21，所述第一圆盘25、所述第二圆盘26、所述第一圆环23和所述中心盖板1共同构成所述氧化剂腔5。

其中，“所述中心盖板1与所述内锥件2同轴固定”，其具体方式为，在所述第一圆环23和所述中心盖板1接触的表面的上沿开设有朝向相反的倒角，形成第一倒角区域，在第一倒角区域中使用第一焊接条11焊接固定。

其中，“所述内锥件2与所述外环件3同轴固定”，其具体方式为，在所述第二圆环24和所述外环件3的接触的表面的下沿开设有朝向相反的倒角，形成第二倒角区域，在所述第二倒角区域中使用第二焊接条32焊接固定。

参见图2、图3，作为对本发明的进一步解释，所述喷管4上开设有径向密封槽42，通过所述径向密封槽42实现所述外环件3和所述喷管4之间的密封。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述中心盖板1上开设有氧化剂入口12，所述氧化剂入口12与所述氧化剂腔5连通。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述中心盖板1上开设有氧化剂腔室测压孔13，所述氧化剂腔室测压孔13与所述氧化剂腔5连通，所述氧化剂腔室测压孔13用于测量所述氧化剂腔5内的压力。

作为对本发明的进一步解释，所述燃料剂腔6与燃料剂入口14和燃料剂腔测压孔15连通，所述燃料剂入口14和所述燃料剂腔测压孔15均开设在所述外环件3的外圆周面上，所述燃料剂腔测压孔15用于测量所述燃料剂腔6内的压力。

作为对本发明的进一步解释，参见图3，所述外环件3与所述喷管4同轴设置且可拆卸固定，其方式为：

所述外环件3和所述喷管4共同开设有螺栓孔31，通过所述螺栓孔31和螺栓的配合实现所述外环件3和所述喷管4之间的可拆卸固定。

其中，参见图3、图4，所述外环件3包括第三圆环33、第四圆环34和第一沉孔35；

所述第三圆环33的表面上开设有第一沉孔35，所述第一沉孔35的直径大于所述第三圆环33的内圆周面的直径，所述第一沉孔35与所述内锥件2共同构成所述燃料剂腔6；

所述第三圆环33的下表面与所述第四圆环34固定，所述第四圆环34设置在所述径向密封槽42内。

其中，所述燃料剂入口14开设在所述第一沉孔35的内表面上。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述喷管4包括依次连通的收缩段43、喉部44和扩张段45；

所述收缩段43用于实现所述氧化剂和所述燃料剂的燃烧并产生内能；

所述喉部44用于将氧化剂和所述燃料剂的燃烧产生的内能转换为动能；

所述扩张段45用于扩张所述动能。

其中，在发动机内部，燃烧气体流速未到达音速，因此采用收缩的形式将截面积减小，可以起到加速流动的效果。燃烧气体会在喉部44达到音速，当燃烧气体超音速之后，其截面积越大流速越大，因而之后又采用扩张的形式。因此，喉部44起到一个加速的作用，将内能转换为动能。

作为对本发明的进一步解释，参见图1、图2，所述螺栓孔31沿所述外环件3周向均匀分布多组。

作为对本发明的进一步解释，参见图2，所述氧化剂喷射口21和所述燃料剂喷射口22分别沿所述第一圆盘25和所述第一圆环23均匀设置多组。

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 (9)

1.一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其特征在于，包括中心盖板（1）、内锥件（2）、外环件（3）和喷管（4）；

所述中心盖板（1）与所述内锥件（2）同轴固定，所述内锥件（2）与所述外环件（3）同轴固定，所述外环件（3）与所述喷管（4）同轴设置且可拆卸固定；

所述中心盖板（1）与所述内锥件（2）之间形成氧化剂腔（5），所述氧化剂腔（5）与氧化剂喷射口（21）连通，所述氧化剂喷射口（21）开设在所述内锥件（2）上；

所述内锥件（2）与所述外环件（3）之间形成燃料剂腔（6），所述燃料剂腔（6）与燃料剂喷射口（22）连通，所述燃料剂喷射口（22）开设在所述内锥件上；

所述喷管（4）用于为氧化剂和燃料剂提供燃烧区域并实现连续旋转爆震；

所述内锥件（2）包括第一圆环（23）、第二圆环（24）、第一圆盘（25）、第二圆盘（26）和锥盘（27）；

所述第一圆环（23）的外圆周面与所述外环件（3）密封连接，所述第一圆环（23）的外圆周面和第二圆环（24）同轴固定，所述第二圆环（24）与所述外环件（3）同轴固定，所述第二圆环（24）与所述喷管（4）密封连接；

所述第一圆环（23）的外表面上开设有所述燃料剂喷射口（22），所述第一圆环（23）、第二圆环（24）和所述外环件（3）共同构成所述燃料剂腔（6）；

所述第一圆环（23）的内表面与所述第一圆盘（25）同轴固定，所述第一圆盘（25）的一个端面和所述第二圆盘（26）同轴固定，所述第二圆盘（26）所述中心盖板（1）密封连接，所述第一圆盘（25）的另一个端面与所述锥盘（27）固定；

所述第一圆盘（25）的表面开设有所述氧化剂喷射口（21），所述第一圆盘（25）、所述第二圆盘（26）、所述第一圆环（23）和所述中心盖板（1）共同构成所述氧化剂腔（5）。

2.根据权利要求1所述的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其特征在于，所述喷管（4）上开设有径向密封槽（42），通过所述径向密封槽（42）实现所述外环件（3）和所述喷管（4）之间的密封。

3.根据权利要求2所述的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其特征在于，所述中心盖板（1）上开设有氧化剂入口（12），所述氧化剂入口（12）与所述氧化剂腔（5）连通。

4.根据权利要求3所述的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其特征在于，所述中心盖板（1）上开设有氧化剂腔室测压孔（13），所述氧化剂腔室测压孔（13）与所述氧化剂腔（5）连通，所述氧化剂腔室测压孔（13）用于测量所述氧化剂腔（5）内的压力。

5.根据权利要求4所述的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其特征在于，所述燃料剂腔（6）与燃料剂入口（14）和燃料剂腔测压孔（15）连通，所述燃料剂入口（14）和所述燃料剂腔测压孔（15）均开设在所述外环件（3）的外圆周面上，所述燃料剂腔测压孔（15）用于测量所述燃料剂腔（6）内的压力。

6.根据权利要求5所述的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其特征在于，所述外环件（3）与所述喷管（4）同轴设置且可拆卸固定，其方式为：

所述外环件（3）和所述喷管（4）共同开设有螺栓孔（31），通过所述螺栓孔（31）和螺栓的配合实现所述外环件（3）和所述喷管（4）之间的可拆卸固定。

7.根据权利要求6所述的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其特征在于，所述喷管（4）包括依次连通的收缩段（43）、喉部（44）和扩张段（45）；

所述收缩段（43）用于实现所述氧化剂和所述燃料剂的燃烧并产生内能；

所述喉部（44）用于将氧化剂和所述燃料剂的燃烧产生的内能转换为动能；

所述扩张段（45）用于扩张所述动能。

8.根据权利要求6所述的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其特征在于，所述螺栓孔（31）沿所述外环件（3）周向均匀分布多组。

9.根据权利要求1所述的一种锥形连续旋转爆震空间轨控发动机，其特征在于，所述氧化剂喷射口（21）和所述燃料剂喷射口（22）分别沿所述第一圆盘（25）和所述第一圆环（23）均匀设置多组。