CN118030315A - 一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机，属于液体火箭发动机领域。本发明包括压力气罐、硝酸羟胺推进剂储存罐、燃料储存罐、第一/第二电磁阀、搅拌叶片、片状阴极/阳极电极、燃烧室和尾喷管；硝酸羟胺储存罐和燃料储存罐的控制端分别连通两个独立的压力气罐，硝酸羟胺储存罐和燃料储存罐的出口端分别连通燃烧室的喷注口，第一/第二电磁阀分别用于控制硝酸羟胺推进剂/燃料的加注，搅拌叶片将双组元推进剂进行充分混合，电解点火电极对混合推进剂进行电解点火，产生的高温高压气体经尾喷管高速喷出，产生推力。本发明提出的双组元推进剂可长时间储存，推进装置能够长期、可重复使用，整体结构简单、易于控制和小型化。
Description
技术领域
本发明属于液体火箭发动机领域，涉及基于硝酸羟胺和燃料电解点火的小型双组元液体火箭发动机。
背景技术
硝酸羟胺(hydroxylammonium nitrate，HAN)是新一代环境友好的低冰点、高密度绿色推进剂，使用此类推进剂的液体火箭发动机具有更好的安全性，并适合重复使用。它适合作为毒性很大的传统肼类推进剂的替代物，其比冲与无水肼相当。与其它高能液体推进剂，如硝仿肼(hydrazinium nitroformate，HNF)和二硝酰胺铵(ammonium dinitramide，ADN)相比，硝酸羟胺适合进行高效的电解点火，不需要额外的加热装置，因此其发动机结构更简单，使用寿命更长，热管理系统也更为简单。但是硝酸羟胺作为单组元推进剂其本身电解点火燃烧的温度较低，发动机的性能也较低，工程上的实际应用受到较大的限制，因此需要采用适合电解点火且燃烧温度更高的硝酸羟胺和燃料双组元推进剂，并设计一种性能更好、可重复使用的小型液体火箭发动机。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提出了一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机，利用硝酸羟胺基推进剂的离子液体特性对其进行电解点火启动，不需要额外的加热装置，并通过添加还原性燃料来提高点火燃烧的温度。
本发明的技术方案如下：
一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机，包括压力气罐、硝酸羟胺储存罐、燃料储存罐、第一电磁阀、第二电磁阀、燃烧室、搅拌叶片、片状阴极电极和、片状阳极电极和尾喷管；所述的燃料储存罐内储存有还原性燃料；
所述的硝酸羟胺储存罐和燃料储存罐的控制端分别连通两个独立的压力气罐，硝酸羟胺储存罐和燃料储存罐的出口端分别连通燃烧室的喷注口，所述的第一电磁阀用于控制硝酸羟胺的加注，第二电磁阀用于控制还原性燃料的加注；所述搅拌叶片和电解点火电极安装在燃烧室内，燃烧室出口连接尾喷管；所述硝酸羟胺和还原性燃料经由喷注口进入燃烧室并由搅拌叶片搅拌混合，由片状阴极电极和片状阳极电极完成电解点火，燃烧产生的高温气流经尾喷管喷出，产生推力。
优选地，所述的电解点火电极为轴向片状电极结构，包括片状阴极电极和片状阳极电极，所述的片状阴极电极同轴安装于燃烧室的中心，片状阳极电极贴合燃烧室内壁安装。
优选地，所述的片状阴极电极和片状阳极电极呈同轴环形结构，电极的轴向长度可调。
优选地，所述的搅拌叶片位于片状阴极电极和片状阳极电极之间，三者与燃烧室同轴。
优选地，所述的还原性燃料包括甲醇、乙醇、葡萄糖水溶液、甘氨酸水溶液和尿素水溶液。
上述硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机的电解点火方法，包括：
打开第一电磁阀和第二电磁阀，硝酸羟胺推进剂以及还原性燃料在压力气罐的压力作用下进入燃烧室，经搅拌叶片充分混合并接触电解点火电极的阴极和阳极，对电解点火电极通电，完成电解点火，燃烧室内产生的高温高压气体由尾喷管喷出，产生推力。
本发明具备的有益效果是：本发明利用硝酸羟胺基推进剂的离子液体特性，可灵活设计电极段的电极结构以达到在不同工况下电解点火启动的目标要求；通过分别储存还原性燃料以及硝酸羟胺推进剂，达到长期保存燃料的目标要求；通过片状电极和搅拌叶片，达到充分混合、快速电解的目标要求。该发动机结构简单、易于控制和小型化、可重复使用、热管理方便。
附图说明
图1是本发明实施例示出的发动机结构半剖示意图；
图2是本发明实施例示出的发动机结构燃烧室侧剖示意图；
图3是本发明实施例示出的发动机电极接线示意图；
图4是本发明实施例示出的硝酸羟胺/还原性燃料(以甘氨酸为例)电解点火的电流-温度-时间变化曲线；
图中：1-压力气罐，2-推进剂储存罐，3-燃料储存罐，4-第一电磁阀，5-第二电磁阀，6-燃烧室，7-搅拌叶片，8-片状阴极电极，9-片状阳极电极，10-尾喷管；
11-片状阴极电极引线，12-片状阳极电极引线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对发明的限定。
如图1所示，本发明提出的硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机，由压力气罐1、硝酸羟胺储存罐2、燃料储存罐3、第一电磁阀4、第二电磁阀5、燃烧室6，搅拌叶片7、片状阴极电极8、片状阳极电极9和尾喷管10组成。第一电磁阀用于控制硝酸羟胺的加注，第二电磁阀用于控制还原性燃料的加注，所述的第一电磁阀4和第二电磁阀5连接控制系统，控制系统可以调控硝酸羟胺推进剂及还原性燃料的流量和工作时间。燃烧室6用于进行硝酸羟胺和还原性燃料的混合和电解点火，产生高温高压气体。在燃烧室6中，搅拌叶片负责双组元推进剂的充分混合，片状阳极电极和片状阴极电极通过穿透燃烧室壁的螺栓或者辅助固定网与外界形成电路以实现电解点火功能。燃烧室6连接尾喷管10，喷出高温高压气体，产生推力。
对于本发明所述火箭发动机每次启动时，硝酸羟胺基推进剂与还原性燃料分别在第一、第二电磁阀的控制下，经由喷注口喷入燃烧室6，经搅拌叶片7搅匀，并接触片状阳极电极9和片状阴极电极8，将片状阴极电极引线11和片状阳极电极引线12接通电路回路并完成电解点火(如图3所示)，产生的高温高压气流经尾喷管10喷出，产生推力。
在本发明电解点火电极的设计采用片状电极结构。如图2所示，对于片状阳极电极的设计，以贴片或者电镀的方式贴合在燃烧室内壁，与燃烧室同轴，通过改变轴向长度来改变电极有效面积，进而改变电解的效率。对于片状阴极电极的设计，其轴线与燃烧室轴线重合，直接固定在燃烧室中轴线处，通过改变轴向长度来改变电极有效面积，进而改变电解的效率。因此，通过分别控制两个电极的轴向长度和来实现不同的阳极和阴极有效电极面积，控制燃料电解性能。例如，在0-60V电压范围内，阳极和阴极有效面积比例控制在0.5-2.0之间最佳，可以有效增强电解效果，缩短响应时间。
如图4所示，采用的还原性燃料为甘氨酸溶液，与硝酸羟胺推进剂按照当量比混合后进行电解点火，燃烧室温度会经过以下两阶段变化：首先是温度快速上升至120℃左右，然后上升速率变慢，经过一段时间后，温度再次迅速上升，最高温度可以达到550℃以上。
以上所述，仅为本发明的具体内容和工作方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机，其特征在于，包括压力气罐(1)、硝酸羟胺储存罐(2)、燃料储存罐(3)、第一电磁阀(4)、第二电磁阀(5)、燃烧室(6)、搅拌叶片(7)、片状阴极电极(8)、片状阳极电极(9)和尾喷管(10)；所述的燃料储存罐(3)内储存有还原性燃料；所述的硝酸羟胺储存罐(2)和燃料储存罐(3)的控制端分别连通两个独立的压力气罐(1)，硝酸羟胺储存罐(2)和燃料储存罐(3)的出口端分别连通燃烧室(6)的喷注口，所述的第一电磁阀(4)用于控制硝酸羟胺的加注，第二电磁阀(5)用于控制还原性燃料的加注；所述搅拌叶片(7)和电解点火电极(8-9)安装在燃烧室(6)内，燃烧室(6)出口连接尾喷管(10)；所述硝酸羟胺和还原性燃料经由喷注口进入燃烧室并由搅拌叶片(7)搅拌混合，由片状阴极电极(8)和片状阳极电极(9)完成电解点火，燃烧产生的高温气流经尾喷管喷出，产生推力。
2.根据权利要求1所述的一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机，其特征在于，所述的片状阴极电极(8)同轴安装于燃烧室(6)的中心，片状阳极电极(9)贴合燃烧室(6)内壁安装。
3.根据权利要求2所述的一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机，其特征在于，所述的搅拌叶片(7)位于片状阴极电极(8)和片状阳极电极(9)之间，三者与燃烧室同轴。
4.根据权利要求1所述的一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机，其特征在于，所述的片状阴极电极(8)和片状阳极电极(9)的电极轴向长度可调。
5.根据权利要求1所述的一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机，其特征在于，所述的还原性燃料包括甲醇、乙醇、葡萄糖水溶液、甘氨酸水溶液和尿素水溶液。
6.根据权利要求1所述的一种硝酸羟胺和燃料电解点火的双组元液体火箭发动机的电解点火方法，其特征在于，包括：
打开第一电磁阀(4)和第二电磁阀(5)，硝酸羟胺推进剂以及还原性燃料在压力气罐(1)的压力作用下进入燃烧室(6)，经搅拌叶片(7)充分混合并接触片状阴极电极(8)和片状阳极电极(9)，对片状阴极电极(8)和片状阳极电极(9)通电，完成电解点火，燃烧室(6)内产生的高温高压气体由尾喷管(10)喷出，产生推力。
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