专利名称：一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的制作方法
技术领域：
本发明属于液体火箭发动机推进技术领域，具体涉及一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器。
背景技术：
大部分目前应用在航天飞行器上的小推力姿控发动机都采用有毒推进剂，如胼、 偏二甲胼、四氧化二氮等，随着航天技术的发展，无毒推进剂在小推力发动机上的应用成为航天推进的一个主要发展方向。在液体火箭发动机中，喷注器的设计对推进剂的混合以及燃烧性能、稳定性起着决定性的作用。采用三底两腔结构的双组元喷注器一般包括氧化剂腔、燃料腔、氧化剂喷嘴、燃料喷嘴、点火器等，其主要特点是燃料与氧化剂分别具有各自的集液腔，在喷注面板上交替分布着燃料喷嘴与氧化剂喷嘴分别与各自的集液腔相连，集液腔容积使小推力发动机响应特性变差，脉冲工况比冲下降。20世纪60年代开始应用的光刻层板式喷注器具有优良的雾化及混合性能，而且响应快，相容性好，有自冷却性能，在国外已应用于航天飞机轨控发动机、小推力姿控发动机和燃气发生器。由于光刻层板式喷注器层板厚度通常小于0. 1mm，采用光刻工艺加工层板是光刻层板式喷注器制造的关键工艺技术。光刻是一种将图形复印和腐蚀相结合的综合性精密加工技术。层板式喷注器光刻工艺需经过以下流程化学清洗、烘干、涂胶、烘干、 曝光、显性、定形、漂洗、坚膜、腐蚀、去胶、成品修饰，如此多的工序大大提高了工艺复杂度； 而且由于光刻层板式喷注器光刻加工的材料一般为航天用耐强酸腐蚀的材料，所以针对不同材料需要研究特定的腐蚀液和配套的光刻胶，提高了光刻层板式喷注器的加工难度和成本。采用层板叠加扩散焊接技术将各层板焊接在一起，对每个部件(层板)的表面质量要求很高，并且扩散焊工艺采用高温高压，而在高温条件下采用很大的压力容易造成层板各个板面之间的孔及流通通道发生塑性变形，影响制造质量和性能，因此要获得性能和质量优异的层板式喷注器，对工艺参数提出了更高的要求，间接增加了生产成本。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明在研制以气氧作为氧化剂，甲烷作为燃料的小推力无毒推进剂发动机过程中提出了一种新型喷注器方案。本发明提出的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，具有集液腔容积小，响应特性好，工艺简单，成本低等优点。本发明提出了一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，包括火花塞、燃料接管嘴、氧气接管嘴、燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A、分流板B、边区冷却剂流量调节固定装置、边区冷却剂流量调节垫片、燃料喷嘴和壳体。其中燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B组成层板结构；边区冷却剂流量调节固定装置和边区冷却剂流量调节垫片称为边区冷却剂流量调节装置。所述的壳体为圆形结构，中心具有通孔a，通孔a内部顺次焊接有分流板A、分流板B、燃料板和氧化剂板，顶层板与分流板A的上表面焊接相连，壳体的边缘均勻分布有多个螺栓孔，通过螺栓孔可以将该层板式喷注器与其他部件进行固定。所述的顶层板中心具有通孔A，通孔A两侧对称分布有通孔C和通孔B，通孔B和通孔C分别与燃料接管嘴和氧气接管嘴相连接，且所述的通孔B与燃料接管嘴之间还连接有燃料接管嘴密封垫片，通孔C与氧气接管嘴之间还连接有氧气接管嘴密封垫片。所述的分流板A的中心具有阶梯通孔D，阶梯通孔D上部的孔径与通孔A的孔径相同，且阶梯通孔D与通孔A同轴；阶梯通孔D的两侧对称分布有盲孔I和通孔E (冷却剂分流孔与氧化剂分流孔属于通孔E)。盲孔I的开孔方向为朝向顶层板方向，组装层板式喷注器的层板结构时，盲孔I与通孔B相对，且盲孔I与通孔B同轴，在盲孔I的内侧相邻位置设置有通孔F，盲孔I与通孔F通过在分流板A平面方向的凹槽通道相连通。所述的通孔E 与顶层板上的通孔C位置相对，通孔E为双层孔结构，顶层为连通孔，底层为冷却剂分流孔和氧化剂分流孔通过顶层的连通孔可将气流经底层的冷却剂分流孔和氧化剂分流孔进行分流，组装层板式喷注器的层板结构时，通孔E的连通孔与顶层板相对，冷却剂分流孔和氧化剂分流孔与分流板B相对。所述的分流板B的中心具有通孔G，通孔G与通孔A和阶梯通孔D同轴，通孔G的周围具有环形腔A，组装层板式喷注器的层板结构时，使环形腔A朝向分流板A，环形腔A的外侧设置有盲孔X，盲孔X通过分流板B平面方向上的凹槽通道与环形腔A相连通，且盲孔 X与通孔F同轴；分流板B在环形腔A的底部沿周向均勻分布有多个通孔J ；分流板B与通孔E的冷却剂分流孔和氧化剂分流孔相对的位置上，分别设置有通孔K1和通孔K2，通孔K1 与冷却剂分流孔同轴，通孔K2与氧化剂分流孔同轴，使经冷却剂分流孔流出的气体通过通孔K1流出，使经氧化剂分流孔流出的气体经过通孔K2流出。冷却剂分流孔中通过螺纹连接有边区冷却剂流量调节固定装置，所述的通孔K1与冷却剂分流孔之间设置有边区冷却剂流量调节垫片，边区冷却剂流量调节垫片中心具有中心孔，该中心孔的尺寸可变，通过调节边区冷却剂流量调节垫片可以调节流入通孔K1中的气体流量。所述的燃料板中心具有通孔M，通孔M与通孔G、通孔A和阶梯通孔D同轴；通孔M 的外围设置有环形腔B，组装层板式喷注器的层板结构时，使环形腔B朝向分流板B，环形腔 A与环形腔B的半径相等，环形腔B的外围沿圆周方向均勻设置有多个与环形腔B相通的阶梯通孔R，每个阶梯通孔R均通过凹槽通道与环形腔B相连通。燃料板在阶梯通孔R外侧设置有环形腔C，环形腔C与分流板B上的通孔K1位置相对(即通孔Kl的轴线位于环形腔C 的腔上)，环形腔C的底部均勻的设置有多个通孔N，通孔N的个数优选为16个以上。燃料板上还设置有通孔L，使通孔L与通孔K2同轴。所述的氧化剂板中心具有阶梯通孔P，阶梯通孔P与通孔M同轴，阶梯通孔P外围沿圆周方向均勻分布有多个阶梯通孔Q，阶梯通孔Q与阶梯通孔R同轴，且阶梯通孔Q与阶梯通孔R个数相等，使对应的每一个阶梯通孔Q和每一个阶梯通孔R能够组合在一起，形成一个组合孔，进而使燃料喷嘴固定于阶梯通孔Q和阶梯通孔R形成的组合孔中，且燃料喷嘴使用温差法装配固定于该组合孔中。氧化剂板在阶梯通孔P的一侧具有盲孔Y，组装层板式喷注器的层板结构时，盲孔Y与燃料板相对，且盲孔Y与通孔L同轴，在阶梯通孔P的外围具有环形腔D，通过环形腔D使盲孔Y与每一个阶梯通孔Q连通。氧化剂板的侧壁成阶梯状与壳体内壁形成环形腔E，环形腔E与燃料板上的通孔N位置相对，通孔N与环形腔E距离中心的长度相等。在环形腔E的底部沿周向均勻分布有多个通孔T，用于流通冷却剂，使从通孔T流出的冷却剂沿壳体的内壁边缘流出，用于冷却。火花塞依次穿过通孔A、阶梯通孔 D、通孔G、通孔M和阶梯通孔P，且火花塞与分流板的阶梯通孔D之间连接有火花塞密封垫片。本发明具有的优点和积极效果在于(1)本发明提出的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，通过五块层板对燃料与氧化剂进行分流控制，布局紧凑，结构简单，燃料与氧化剂流通通道的容积小，有利于提高发动机响应特性；(2)本发明提出的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，具有边区冷却剂流量调节装置，根据试验要求，可以方便调节冷却剂氧气流量；(3)本发明提出的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，采用传统机加工工艺，成本低，符合小推力发动机试验研究的特点。
图1本发明提出的气氧图2本发明提出的气氧图3本发明提出的气氧图4本发明提出的气氧图5本发明提出的气氧图6本发明提出的气氧图7本发明提出的气氧图中1-螺栓孔 2-火花塞3-燃料接管嘴 4-氧气接管嘴5-顶层板 6-燃料接管嘴密封7-火花塞密封垫片8-氧气接管嘴密封垫片垫片9-边区冷却剂流量调10-边区冷却剂流量11-分流板A12-分流板B节固定装置调节垫片
13--燃料板14-壳体15-燃料喷嘴16-氧化剂板
η17--通孔A18- 通孔C19-通孔B20-阶梯通孔υ
21--冷却剂分流孔22-氧化剂分流孔23-通孔F24-盲孔I
25--通孔G26--通孔J27--环形腔A28-通孔K1
29--通孔K230-盲孔X31--通孔M32-环形腔B
33--阶梯通孔R34--环形腔C35-通孔N36-通孔L
37--阶梯通孔P38--环形腔D39-阶梯通孔Q40-盲孔Y
41--通孔T
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步说明
/甲烷小推力发动机层板式喷注器的主视图； /甲烷小推力发动机层板式喷注器的剖面图； /甲烷小推力发动机层板式喷注器的顶层板主视图； /甲烷小推力发动机层板式喷注器的分流板A主视图； /甲烷小推力发动机层板式喷注器的分流板B主视图； /甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板主视图； /甲烷小推力发动机层板式喷注器的氧化剂板主视图。
本发明提出了一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，如图1和图2所示，主要包括火花塞2、燃料接管嘴3、氧气接管嘴4、燃料板13、氧化剂板16、顶层板5、分流板 All、分流板B12、边区冷却剂流量调节固定装置9、边区冷却剂流量调节垫片10、燃料喷嘴 15和壳体14。其中燃料板13、氧化剂板16、顶层板5、分流板All和分流板B12组成层板结构。所述的壳体14为圆形结构，中心具有通孔a，通孔a内部顺次焊接有分流板All、 分流板B12、燃料板13和氧化剂板16，顶层板5与分流板All的上表面焊接相连，壳体14的边缘均勻分布有多个螺栓孔1，通过螺栓孔1可以将该层板式喷注器与其他部件进行固定。所述的顶层板5中心具有通孔A17，如图3所示，通孔A17两侧对称分布有通孔C18 和通孔B19，通孔B19和通孔C18分别与燃料接管嘴3和氧气接管嘴4相连接，且所述的通孔B19与燃料接管嘴3之间还连接有燃料接管嘴密封垫片6，通孔C18与氧气接管嘴4之间还连接有氧气接管嘴密封垫片8。所述的分流板All的中心具有阶梯通孔D20，如图4所示，阶梯通孔D20部(即朝向顶层板方向的部分)的孔径与通孔A17的孔径相同，且阶梯通孔D20与通孔A17同轴；阶梯通孔D20的两侧对称分布有盲孔IM和通孔E (冷却剂分流孔与氧化剂分流孔统属于通孔E)。盲孔124的开孔方向为朝向顶层板5方向，组装层板式喷注器的层板结构时，盲孔 124与通孔B19相对，且盲孔124与通孔B19同轴，在盲孔124的内侧相邻位置设置有通孔 F23，盲孔IM与通孔F23通过在分流板All平面方向的凹槽通道相连通。所述的通孔E与顶层板5上的通孔C18位置相对，通孔E为双层孔结构，顶层为连通孔，底层为冷却剂分流孔21和氧化剂分流孔22。通过顶层的连通孔可将气流经底层的冷却剂分流孔21和氧化剂分流孔22进行分流，组装层板式喷注器的层板结构时，通孔E的连通孔与顶层板5相对，冷却剂分流孔21和氧化剂分流孔22与分流板B12相对。所述的分流板B12的中心具有通孔G25，如图5所示，通孔G25与通孔A17和阶梯通孔D20同轴，通孔G25的周围具有环形腔A27，组装层板式喷注器的层板结构时，使环形腔A27朝向分流板Al 1，环形腔A27的外侧设置有盲孔X30，盲孔X30通过分流板B12平面方向上的凹槽通道与环形腔A27相连通，且盲孔X30与通孔F23同轴；分流板B12在环形腔 A27的底部沿周向均勻分布有多个通孔J26，通孔J26的个数优选为12个以上；分流板B12 与通孔E的冷却剂分流孔21和氧化剂分流孔22相对的位置上，分别设置有通孔KfS和通孔KJ9，通孔KfS与冷却剂分流孔21同轴，通孔K2与氧化剂分流孔22同轴，使经冷却剂分流孔21流出的气体通过通孔KfS流出，使经氧化剂分流孔22流出的气体经过通孔KJ9流出。冷却剂分流孔21中通过螺纹连接有边区冷却剂流量调节固定装置9，所述的通孔KfS 与冷却剂分流孔21之间设置有边区冷却剂流量调节垫片10，边区冷却剂流量调节垫片10 中心具有中心孔，该中心孔的尺寸可变，通过调节边区冷却剂流量调节垫片10可以调节流入通孔KfS中的气体流量。所述的燃料板13中心具有通孔Μ31，如图6所示，通孔Μ31与通孔G25、通孔Α17和阶梯通孔D20同轴；通孔Μ31的外围设置有环形腔Β32，组装层板式喷注器的层板结构时， 使环形腔Β32朝向分流板Β12，环形腔Α27与环形腔Β32的半径相等，环形腔Β32的外围沿圆周方向均勻设置有多个与环形腔Β32相通的阶梯通孔R33，每个阶梯通孔R33均通过凹槽通道与环形腔Β32相连通，阶梯通孔R33的个数优选为6个以上。燃料板13在阶梯通孔R33外侧设置有环形腔C34，环形腔C34与分流板B上的通孔KfS位置相对(即通孔Kl的轴线位于环形腔C的腔上)，环形腔C34的底部均勻的设置有多个通孔N35，通孔N35的个数优选为16个以上。燃料板13上还设置有通孔L36，使通孔L36与通孔KJ9同轴。所述的氧化剂板16中心具有阶梯通孔P37，如图7所示，阶梯通孔P37与通孔M31 同轴，阶梯通孔P37外围沿圆周方向均勻分布有多个阶梯通孔Q39，阶梯通孔Q39与阶梯通孔R33同轴，且阶梯通孔Q39与阶梯通孔R33个数相等，使对应的每一个阶梯通孔Q39和每一个阶梯通孔R33能够组合在一起，形成一个组合孔，进而使燃料喷嘴固定于阶梯通孔Q39 和阶梯通孔R33形成的组合孔中，且燃料喷嘴15使用温差法装配固定于该组合孔中。氧化剂板16在阶梯通孔P37的一侧具有盲孔W0，组装层板式喷注器的层板结构时，盲孔Y40与燃料板13相对，且盲孔Y40与通孔L36同轴，在阶梯通孔P37的外围具有环形腔D38，通过环形腔D38使盲孔Y40与每一个阶梯通孔Q39连通。氧化剂板16的侧壁成阶梯状与壳体 14内壁形成环形腔E，环形腔E与燃料板13上的通孔N35位置相对，通孔N35与环形腔E 距离氧化剂板16的中心的长度相等。在环形腔E的底部沿周向均勻分布有多个通孔T41， 通孔T41的个数优选为20个以上，用于流通冷却剂，使从通孔T41流出的冷却剂沿壳体14 的内壁边缘流出，用于冷却。火花塞2依次穿过通孔Al7、阶梯通孔D20、通孔G25、通孔M31 和阶梯通孔P37，且火花塞2与分流板All的阶梯通孔D20之间连接有火花塞密封垫片7。如图2所示，燃料从燃料接管嘴4进入层板式喷注器中依次通过顶层板的通孔 B19、分流板All上的盲孔124、分流板All上的通孔F23、分流板B12上的盲孔X30、分流板 B12上的环形腔A27、分流板B12上的通孔J26、燃料板13上的环形腔B32、燃料板13上的阶梯通孔R33，从燃料板13的阶梯通孔R33中最终进入燃料喷嘴15，形成燃料流通通道。氧气从氧气接管嘴4进入顶层板的通孔C18，再通过分流板Al 1上的通孔E中的冷却剂分流孔 21和氧化剂分流孔22形成两股气流，一股用作冷却剂，另一股用作氧化剂。作为冷却剂的氧气由冷却剂分流孔22顺次进入分流板B12上的通孔Kf8、燃料板13上的环形腔C34、燃料板13上的通孔Ν35、环形腔Ε、氧化剂板16上的通孔Τ41，最后从燃烧室前端沿壁面切向进入燃烧室起冷却作用，形成冷却剂流通通道；作为氧化剂的氧气由分流板All上的氧化剂分流孔21顺次进入分流板B12上的通孔KJ9、燃料板13上的通孔L36、氧化剂板16上的环形腔D38、氧化剂板16上的阶梯通孔Q39与燃料喷嘴15之间的间隙，最后在阶梯通孔 Q39末端与燃料混合，形成氧化剂流通通道。本发明提出的气氧/甲烷层板式喷注器最大的特点是采用五层板结构对燃料与氧化剂进行分流控制，将燃料与氧化剂由各自的接管嘴直接输送到燃料与氧化剂同轴的喷嘴中，使燃料与氧化剂更加快速、充分的混合和雾化，有利于提高燃烧效率，改善发动机的响应特性；而且可以通过改变五块层板上的燃料与氧化剂流通通道，调整燃料板上阶梯通孔R33与氧化剂板上的阶梯通孔Q39的孔径及排列方式，增加喷嘴个数，提高雾化性能。由于本发明提出的气氧/甲烷层板式喷注器的层板结构的孔径和燃料喷嘴都较小，层板式喷注器的层板结构即顶层板5、分流板All、分流板B12、燃料板13和氧化剂板 16，可以通过沿垂直于层板结构的方向安装定位销钉定位，将五层层板结构进行定位，以保证位置精度。
权利要求
1.一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，其特征在于包括火花塞、燃料接管嘴、氧气接管嘴、燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A、分流板B、边区冷却剂流量调节固定装置、边区冷却剂流量调节垫片、燃料喷嘴和壳体；所述的壳体中心具有通孔a，通孔a内顺次焊接有分流板Α、分流板B、燃料板和氧化剂板，顶层板与分流板A的上表面焊接相连；顶层板中心具有通孔A，通孔A两侧对称分布有通孔B和通孔C，通孔B与燃料接管嘴相连接，通孔C与氧气接管嘴相连接；所述的分流板A中心具有阶梯通孔D，阶梯通孔D的两侧对称分布有盲孔I和通孔E ； 盲孔I与通孔B同轴，在盲孔I的一侧设置有通孔F，盲孔I与通孔F通过凹槽通道相通；通孔E与顶层板上的通孔C位置相对，通孔E为双层孔结构，顶层为连通孔，底层为冷却剂分流孔和氧化剂分流孔；所述的分流板B中心具有通孔G，通孔G的周围具有环形腔A，环形腔 A的外侧设置有盲孔X，盲孔X与环形腔A相通，且盲孔X与通孔F同轴，分流板B在环形腔 A的底部均勻分布有多个通孔J，分流板B上设置有通孔K1和通孔K2，通孔K1与冷却剂分流孔同轴，通孔K2与氧化剂分流孔同轴；冷却剂分流孔中通过螺纹连接有边区冷却剂流量调节固定装置，通孔K1与冷却剂分流孔之间设置有边区冷却剂流量调节垫片；所述的燃料板中心具有通孔M,通孔M周围设置有环形腔B，环形腔B的周围均勻设置有多个与环形腔B相通的阶梯通孔R ；且在环形腔B外侧还设置有环形腔C，环形腔C与通孔K1位置相对，环形腔C的底部均勻的设置有多个通孔N ；燃料板上还设置有通孔L ；所述的氧化剂板中心设置有阶梯通孔P，在通孔M的外围均勻的分布有与阶梯通孔R个数相等的阶梯通孔Q，阶梯通孔Q与阶梯通孔R同轴，燃料喷嘴固定于阶梯通孔Q和阶梯通孔R形成的组合孔中，在其中一个阶梯通孔P的外侧具有盲孔Y，盲孔Y与通孔L同轴，阶梯通孔P外围具有环形腔D，通过环形腔D使盲孔Y与阶梯通孔Q连通；氧化剂板的侧壁成阶梯状与壳体内壁形成环形腔E，环形腔E与燃料板上的通孔N位置相对，在环形腔E的底部沿周向均勻分布有多个通孔T ；通孔A、阶梯通孔D、通孔G、通孔M和阶梯通孔P均两两同轴，火花塞依次穿过通孔A、阶梯通孔D、通孔G、通孔M和阶梯通孔P。
2.根据权利要求1所述的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，其特征在于 所述的边区冷却剂流量调节垫片中心具有中心孔，通过调节边区冷却剂流量调节垫片的中心孔孔径调节流入通孔K1中的气体流量。
3.根据权利要求1所述的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，其特征在于 所述的环形腔A与环形腔B的半径相等。
4.根据权利要求1所述的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，其特征在于 所述的通孔B与燃料接管嘴之间连接有燃料接管嘴密封垫片，所述的通孔C与氧气接管嘴之间连接有氧气接管嘴密封垫片。
5.根据权利要求1所述的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，其特征在于 所述的火花塞与分流板A的阶梯通孔D连接有火花塞密封垫片。
6.根据权利要求1所述的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，其特征在于 所述的通孔L与通孔K2同轴。
7.根据权利要求1所述的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，其特征在于 所述的盲孔X与通孔F同轴。
8.根据权利要求1所述的一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，其特征在于所属的顶层板、分流板Α、分流板B、燃料板和氧化剂板通过沿垂直于各层层板结构的方向安装定位销钉定位进行定位。
全文摘要
本发明提出了一种气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器，主要包括火花塞、燃料接管嘴、氧气接管嘴、燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A、分流板B、边区冷却剂流量调节固定装置、边区冷却剂流量调节垫片、燃料喷嘴和壳体，该层板式喷注器具有边区冷却剂流量调节固定装置，根据试验要求，可以调节冷却剂氧气流量。本发明提出的层板式喷注器布局紧凑，结构简单，燃料喷嘴密度高，有利于提高燃烧效率，燃料和氧化剂流通通道容积小，有利于提高发动机响应特性。
文档编号F02K9/52GK102400815SQ20111006635
公开日2012年4月4日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者俞南嘉, 李家文, 蔡国飙 申请人:北京航空航天大学