一种流量控制装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种流量控制装置，包括流体阻尼、电磁阀、喷注器、辐射散热片和催化床，流体阻尼内部设置有对推进剂进行节流的流体通道，流体阻尼与电磁阀一端入口连接，电磁阀内部设有推进剂流道，推进剂流道与流体通道相通，电磁阀内部推进剂流道内径大于流体阻尼内部流体通道内径，电磁阀与催化床通过喷注器连接。本发明喷注器变截面毛细管通过拓宽毛细管根部的通流面积，提高毛细管的抗污染能力，提高推力器整机寿命，本发明相对于目前50小时以内的使用寿命，可以将使用寿命提升至500～1000小时。
【专利说明】
一种流量控制装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种流量控制装置及方法，属于推力器领域。
【背景技术】
[0002]单组元推力器以无水肼作为液体推进剂，推力器工作时通过无水肼在催化床内的催化分解反应，将化学能转化为内能，形成高温高压的燃气，通过喷管做功，产生推力。目前，典型的小流量(10mg/s?200mg/s质量流量)单组元推力器的工作寿命在几十小时左右。其中一个制约寿命的重要因素是常规的单组元推力器一般采用喷注器内的毛细管、或喷注器喷注面板上的小孔实现推进剂的流量控制。为实现小的推进剂流量，毛细管内径或喷注面板上的小孔直径往往很小(约0.05mm?0.3mm)。而喷注器与催化床相连，在推力器工作时长期经历高温过程，液体推进剂在高温下挥发产生的残留可溶性杂质、以及催化剂颗粒在化学反应过程中失效产生的碎裂残渣极易堵塞毛细管或喷注面板小孔，导致推力器整体失效。
[0003]贵州航天红光机械制造有限公司公开号为CN104265507A的专利公开了一种肼类小推力单组元发动机的催化床喷注器，该喷注器采用径向喷注方式，其结构包括喷注管、催化床、喷注盘。该喷注盘与催化床前端配合连接，两者之间设有环形喷注腔，喷注腔的筒壁上均匀设置喷注微孔，实现推进剂的流量控制和喷注，推进剂进入催化床后发生催化反应并做功。该方法主要存在以下缺陷:
[0004](I)通过均匀设置的数个喷注微孔，要实现较小的推进剂质量流量(几十毫克/秒液体推进剂)，每个喷注微孔的直径会很小，加工困难，零件一致性较差。
[0005](2)小直径微孔在长期高温点火过程中易发生由于液体推进剂在高温下挥发产生的残留可溶性杂质、以及催化剂颗粒在化学反应过程中失效产生的碎裂残渣导致的堵塞，导致推力器失效，无法实现长寿命的使用要求。
[0006]为此需要对常规单组元推力器结构组成上的改进，以提高推力器整体对于工作过程中杂质、残渣等的纳污能力，提高小流量单组元推力器的工作寿命。
【发明内容】
[0007]本发明的技术解决问题:为了克服现有技术的不足，提供一种流量控制装置及方法，以提高推力器整体对于工作过程中杂质、残渣等的纳污能力，提高小流量单组元推力器的工作寿命。
[0008]本发明的技术解决方案是:
[0009]—种流量控制装置，包括流体阻尼、电磁阀、喷注器、辐射散热片和催化床，流体阻尼内部设置有对推进剂进行节流的流体通道，流体阻尼与电磁阀一端入口连接，电磁阀内部设有推进剂流道，推进剂流道与流体通道相通，电磁阀内部推进剂流道内径大于流体阻尼内部流体通道内径，电磁阀与催化床通过喷注器连接；
[0010]喷注器内部设有喷注器毛细管和喷注器变截面毛细管，喷注器毛细管的内径小于喷注器变截面毛细管的内径，电磁阀内部的推进剂流道与喷注器毛细管的一端连接，喷注器毛细管的另一端与喷注器变截面毛细管的一端连接，喷注器变截面毛细管的另一端置于催化床中，喷注器毛细管对经过流体阻尼节流后的推进剂进行辅助节流；
[0011]辐射散热片与变截面毛细管连接，对高温的变截面毛细管辐射散热。
[0012]辐射散热片采用具有发射率高于0.8的金属材料。
[0013]辐射散热片的周向包络小于电磁阀的周向包络。
[0014]流体阻尼节流的温度低于100°C。
[0015]喷注器变截面毛细管与喷注器毛细管长度之比为1:2。
[0016]催化床为前床和后床双层结构，前床采用催化能力强的小颗粒催化剂，且在前床和喷注器之间交错设置耐高温隔离网；后床采用耐高温性能的大颗粒催化剂，抑制催化剂的失效、碎裂。
[0017]一种流量控制方法，具体步骤为:
[0018](I)将推进剂注入流体阻尼的节流通道中，节流通道温度低于100°C，对推进剂进行初步节流，节流后推进剂流量为6011^/8?10011^/s ；
[0019](2)初步节流的推进剂通过电磁阀，注入喷注器的喷注器毛细管，进行二次节流，节流后推进剂流量为45mg/s?55mg/s ；
[0020](3)经过二次节流后的推进剂注入较喷注器毛细管内径大的喷注器变截面毛细管，并对喷注器变截面毛细管外表面进行强化辐射散热；
[0021](4)将经过喷注器变截面毛细管的推进剂注入催化床，发生催化分解反应，产生高温高压燃气。
[0022]推进剂注入压力为1.5MPa?2.0MPa0
[0023]对喷注器变截面毛细管外表面进行强化辐射散热，致喷注器变截面毛细管温度降低 100。。?150。。。
[0024]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0025](I)本发明推进剂在催化床中发生催化分解反应，产生热量，热量向喷注器变截面毛细管传递，造成喷注器变截面毛细管高温，最高温度为6000C?8000C ;液体推进剂在高温环境中容易蒸发，推进剂中的可溶性不可挥发物质，易于堆积在喷注器变截面毛细管出口处，造成毛细管堵塞;喷注器变截面毛细管通过拓宽毛细管根部的通流面积，提高毛细管的抗污染能力，提高推力器整机寿命，本发明相对于目前50小时以内的使用寿命，可以将使用寿命提升至500?1000小时；
[0026](2)本发明通过毛细管根部添加辐射散热装置的方法，对毛细管的高温段进行冷却，抑制推进剂在毛细管根部的受热蒸发，稳定推进剂流量，抑制推进剂蒸发带来的可溶性杂质沉积；
[0027](3)本发明流体阻尼安装在电磁阀上游，推进剂温度较低，属于推力器的冷端，流体阻尼通过内部的流体通道实现推进剂流动过程中的节流效果，有效通流面积大。同时，喷注器毛细管的内径小于喷注器变截面毛细管的内径，喷注器毛细管对经过流体阻尼节流后的推进剂进行辅助节流，此种方案下，推进剂的流动温度低于推进剂沸点，有利于抑制推进剂中不可挥发性杂质的析出。
【附图说明】
[0028]图1为本发明流量控制装置结构示意图；
[0029]图2为本发明流量控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。
[0031]—种流量控制装置，如图1所示，包括流体阻尼1、电磁阀2、喷注器3、辐射散热片4和催化床5，流体阻尼I内部设置有对推进剂进行节流的流体通道，流体阻尼I节流的温度低于100°C，流体阻尼I与电磁阀2—端入口连接，电磁阀2内部设有推进剂流道，推进剂流道与流体通道相通，电磁阀2内部推进剂流道内径大于流体阻尼2内部流体通道内径，电磁阀2与催化床5通过喷注器3连接；
[0032]喷注器3内部设有喷注器毛细管和喷注器变截面毛细管，喷注器毛细管的内径小于喷注器变截面毛细管的内径，电磁阀2内部的推进剂流道与喷注器毛细管的一端连接，喷注器毛细管的另一端与喷注器变截面毛细管的一端连接，喷注器变截面毛细管的另一端置于催化床5中，喷注器毛细管对经过流体阻尼I节流后的推进剂进行辅助节流；
[0033]辐射散热片4与变截面毛细管连接，对高温的变截面毛细管辐射散热，辐射散热片4采用具有发射率高于0.8的金属材料，辐射散热片4的周向包络小于电磁阀2的周向包络。
[0034]喷注器变截面毛细管与喷注器毛细管长度之比为I: 2，喷注器毛细管长度过短，不具备推进剂流量的辅助调节;喷注器毛细管长度过长，处于高温区范围，推进剂易挥发，推进剂中的可溶性不可挥发物质，易于堆积在毛细管出口处，造成毛细管堵塞，使流量控制装置失效。
[0035]催化床为前床和后床双层结构，前床采用催化能力强的小颗粒催化剂，提高推进剂催化分解效率，且在前床和喷注器3之间交错设置耐高温隔离网，防止催化剂失效碎裂后残渣向上游喷注器传递堵塞毛细管；后床采用耐高温性能的大颗粒催化剂，抑制催化剂的失效、碎裂。
[0036]—种流量控制方法，如图2所示，具体步骤为:
[0037](I)将推进剂注入流体阻尼的节流通道中，推进剂注入压力为1.5MPa?2.0MPa，节流通道温度低于100°c，对推进剂进行初步节流，节流后推进剂流量为60mg/s?100mg/s;
[0038](2)初步节流的推进剂通过电磁阀，注入喷注器的喷注器毛细管，进行二次节流，节流后推进剂流量为45mg/s?55mg/s ；
[0039](3)经过二次节流后的推进剂注入较喷注器毛细管内径大的喷注器变截面毛细管，并对喷注器变截面毛细管外表面进行强化辐射散热，致喷注器变截面毛细管温度降低100。。?150。。；
[0040](4)将经过喷注器变截面毛细管的推进剂注入催化床，发生催化分解反应，产生高温高压燃气。
[0041]现有技术中推进剂的节流作用通过内径无变化的细孔径喷注器毛细管一次性实现节流，由于喷注器毛细管位于催化床与电磁阀之间，装置工作过程中催化床的导热作用，使得喷注器毛细管温度为600°C?800°C，远高于无水肼的沸点，液体推进剂在高温环境中容易蒸发，推进剂中的可溶性不可挥发物质，易于堆积在毛细管出口处，造成毛细管堵塞，使流量控制装置失效。
[0042]本发明的重点在于通过实施冷端节流、实现推进剂流量控制的目的，从而适当增大高温端毛细管的内径；同时通过毛细管外壁面的辐射散热结构，降低高温端毛细管温度，抑制推进剂的受热蒸发过程，降低推进剂中可溶性杂质的析出，提高产品的抗污染能力，实现小流量长寿命单组元推力器的实施目标。
[0043]本发明中使用的推进剂为无水肼，温度高于105°C时发生沸腾蒸发，本发明流量控制装置为小流量流量控制装置，流量为lOmg/s?200mg/s。
[0044]实施例
[0045]本发明的实施步骤如下:
[0046]推力器量化参数:推进剂额度喷注压力:1.7MPa
[0047]推进剂额定流量:50mg/s
[0048]催化床设计燃压:0.5MPa
[0049]推力器额定推力:10mN
[0050]推力器稳态点火寿命:500小时[0051 ] 实施步骤如下:
[0052]1、流量控制阻尼部件上游推进剂喷注压力为1.7MPa，选取有效通流面积较大的组合型流体控制阻尼部件，尽量避免使用单孔型流体阻尼部件，提高推力器整体抗污染能力。
[0053]2、选取通流能力较强的电磁阀，电磁阀在流量控制过程中只控制推进剂流动过程的通断，不参与流量压力的调节过程。
[0054]3、推进剂通过电磁阀，流入喷注器的流体通道:毛细管。
[0055](I)毛细管采用变截面设计，上游内径0.6mm;下游内径1.0mm。
[0056](2)下游毛细管外壁面上布置高辐射率的铜质辐射散热装置，强化毛细管下游高温端的散热过程，降低毛细管局部温度，抑制推进剂中杂质的析出。
[0057]毛细管的上下游孔径可以适当调节，使得推力器的总流量在上游喷注压力1.7MPa，燃烧室工作压力0.5MPa的情况下，推进剂质量流量为50mg/s。
[0058]4、推进剂通过喷注器后，进入催化床，在催化床中发生催化分解反应。在长寿命的总体要求下，推力器总的推进剂流量较高，约为90kg。为提高催化床寿命，催化床可采用两层设计。前床采用催化能力较强的小颗粒催化剂，提高推进剂催化分解效率，且在前床和喷注器之间交错设置耐高温隔离网，防止催化剂失效碎裂后残渣向上游喷注器传递堵塞毛细管;后床采用耐高温性能好的大颗粒催化剂，抑制催化剂的失效、碎裂过程。
[0059]本发明所述的一种小流量长寿命单组元推力器的流量控制方法，其原理样机经过高空模拟热试车的寿命试验考核，可以实现数百小时量级的推力器稳态点火寿命。
[0060]本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
【主权项】
1.一种流量控制装置，其特征在于，包括流体阻尼(I)、电磁阀(2)、喷注器(3)、辐射散热片(4)和催化床(5)，流体阻尼(I)内部设置有对推进剂进行节流的流体通道，流体阻尼(I)与电磁阀(2)—端入口连接，电磁阀(2)内部设有推进剂流道，推进剂流道与流体通道相通，电磁阀(2)内部推进剂流道内径大于流体阻尼(I)内部流体通道内径，电磁阀(2)与催化床(5)通过喷注器(3)连接； 喷注器(3)内部设有喷注器毛细管和喷注器变截面毛细管，喷注器毛细管的内径小于喷注器变截面毛细管的内径，电磁阀(2)内部的推进剂流道与喷注器毛细管的一端连接，喷注器毛细管的另一端与喷注器变截面毛细管的一端连接，喷注器变截面毛细管的另一端置于催化床(5)中，喷注器毛细管对经过流体阻尼(I)节流后的推进剂进行辅助节流； 辐射散热片(4)与变截面毛细管连接，对高温的变截面毛细管辐射散热。2.如权利要求1所述的一种流量控制装置，其特征在于:辐射散热片(4)采用具有发射率高于0.8的金属材料。3.如权利要求1所述的一种流量控制装置，其特征在于:辐射散热片(4)的周向包络小于电磁阀(2)的周向包络。4.如权利要求1所述的一种流量控制装置，其特征在于:流体阻尼(I)节流的温度低于10tCo5.如权利要求1所述的一种流量控制装置，其特征在于:喷注器变截面毛细管与喷注器毛细管长度之比为1:2。6.如权利要求1所述的一种流量控制装置，其特征在于:催化床为前床和后床双层结构，前床采用催化能力强的小颗粒催化剂，且在前床和喷注器(3)之间交错设置耐高温隔离网；后床采用耐高温性能的大颗粒催化剂，抑制催化剂的失效、碎裂。7.一种流量控制方法，其特征在于，具体步骤为: (1)将推进剂注入流体阻尼的节流通道中，节流通道温度低于100°c，对推进剂进行初步节流，节流后推进剂流量为6011^/8?10011^/S ； (2)初步节流的推进剂通过电磁阀，注入喷注器的喷注器毛细管，进行二次节流，节流后推进剂流量为45mg/s?55mg/s ； (3)经过二次节流后的推进剂注入较喷注器毛细管内径大的喷注器变截面毛细管，并对喷注器变截面毛细管外表面进行强化辐射散热； (4)将经过喷注器变截面毛细管的推进剂注入催化床，发生催化分解反应，产生高温高压燃气。8.如权利要求7所述的一种流量控制方法，其特征在于:推进剂注入压力为1.5MPa?2.0MPaο9.如权利要求7所述的一种流量控制方法，其特征在于:对喷注器变截面毛细管外表面进行强化辐射散热，致喷注器变截面毛细管温度降低100°C?150°C。10.如权利要求7所述的一种流量控制方法，其特征在于:喷注器变截面毛细管与喷注器毛细管长度之比为1:2。
【文档编号】F02K9/52GK106014688SQ201610306024
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】姚兆普, 陈君, 张伟, 武胜勇, 杨春雷, 吴耀武, 李胜军
【申请人】北京控制工程研究所