一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，其中，发动机头盖上设有氧化剂入口，发动机头盖固定连接催化床外壳体的上端，催化床外壳体的下端固定连接发动机前燃室；催化床外壳体内设有腔体，腔体内设有催化剂，催化剂的上端和下端分别设有催化剂上挡网和催化剂下挡网，催化剂上挡网与发动机头盖之间设置液体喷注面板，气体喷注面板固定在催化床外壳体下端，气体喷注面板与催化剂下挡网之间设有调节环；发动机燃烧室壳体固定连接发动机前燃室。本发明考虑了催化剂不同装载量下的固定形式，催化剂颗粒催化过程中可能的受热膨胀，同时能避免催化剂堵住喷注孔或经喷注孔喷出。
【专利说明】一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，属于固液火箭发动机领域。
【背景技术】
[0002]高浓度过氧化氢(一般指质量分数>85%的过氧化氢)由于其密度高、毒性低、对环境友好，是固液混合火箭发动机中常用的氧化剂。通常，过氧化氢可通过发动机内部的催化床分解为高温水蒸汽和氧气，在燃烧室中点燃燃料药柱，高温反应产物经喷管喷出提供推力。其中，过氧化氢的分解反应可表示为
[0003]2H202 (I) — 2H20 (g)+O2 (g)+Heat
[0004]常用的过氧化氢催化床可由颗粒状催化剂或多层网状催化结构封装固定而成，也可烧结成整体式蜂窝状结构，如文献S.Bonifacio, G.Festa, and A.R.Sorge, "NovelStructured Catalysts for Hydrogen Peroxide Decomposition in Monopropellant andHybrid Rockets, "Journal of Propulsion and Power, pp.1-8，2013 中所述。不同种类、不同制作工艺的催化剂对过氧化氢分解反应的催化效率是不同的。该催化效率可以由催化活性来衡量，即单位时间内单位体积的催化剂能催化的反应物质量(g/cm3s)。对固液混合火箭发动机不同的设计工作状态，所需的过氧化氢质量流量(g/s)是不同的。因此，在固液混合火箭发动机的地面试验中，常需要调节催化剂的装载量，以确定将特定流量的过氧化氢完全分解所对应的催化剂的量。
[0005]现有的一些过氧化氢固液混合火箭方案，如专利US006991772B1所述，没有涉及催化床的结构；一些文献，如专利US20110167793A1，提出了固液火箭发动机的设计，但没有考虑催化床的详细结构和安装形式，且催化剂的量无法调节。同时，专利US20110167793A1中的结构没有考虑催化剂颗粒与催化床前液体喷注孔、催化床后气体喷注孔的尺寸配合问题。当催化剂颗粒直径小于设计的喷注孔直径时，需要采取措施防止催化剂颗粒经喷注孔喷出。此外，即使催化剂颗粒直径大于设计的喷注孔直径，也需防止催化剂堵住喷注孔，影响发动机氧化剂的整体喷注形式。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种用于地面试验固液混合火箭发动机、催化剂装填量可调的高浓度过氧化氢催化床结构。
[0007]—种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，包括发动机头盖、液体喷注面板、催化床外壳体、催化剂、调节环、气体喷注面板、发动机前燃室、发动机燃烧室壳体、发动机燃料药柱、催化剂上挡网、催化剂下挡网；
[0008]发动机头盖上设有氧化剂入口，氧化剂入口与液体喷注面板之间形成头腔，发动机头盖固定连接催化床外壳体的上端，催化床外壳体的下端固定连接发动机前燃室；催化床外壳体内设有腔体，腔体内设有催化剂，催化剂的上端和下端分别设有催化剂上挡网和催化剂下挡网，催化剂上挡网与发动机头盖之间设置液体喷注面板，气体喷注面板固定在催化床外壳体下端，气体喷注面板与催化剂下挡网之间设有调节环；发动机前燃室上设有前燃室测压孔；发动机燃烧室壳体固定连接发动机前燃室。
[0009]本发明的优点在于:
[0010](I)可用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化，催化床结构考虑了催化剂颗粒催化过程中可能的受热膨胀，同时能避免催化剂堵住喷注孔或经喷注孔喷出。
[0011](2)可根据过氧化氢流量和所采用催化剂的活性灵活调节催化剂的装填量。
[0012](3)液体喷注面板上液体喷注孔的分布和孔径可根据过氧化氢流量进行设计，使过氧化氢以合适的速度均匀地喷入催化床。
[0013](4)气体喷注面板上气体喷注孔的分布和孔径可根据过氧化氢流量和燃料药柱的几何结构灵活设计，使过氧化氢催化后产生的高温分解产物的喷注位置与药柱的几何结构相配合。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明装配结构的剖视图。
[0015]图2是本发明液体喷注面板仰视图
[0016]图3是本发明气体喷注面板的仰视图
[0017]图中:
[0018]1-发动机头盖2-液体喷注面板3-催化床外壳体
[0019]4-催化剂5-调节环6-气体喷注面板
[0020]7-发动机前燃室8-发动机燃烧室壳体9-发动机燃料药柱
[0021]10-头盖密封圈11-催化床密封圈12-燃烧室密封圈
[0022]13-催化剂上挡网14-催化剂下挡网15第一螺栓组件
[0023]16第二螺栓组件17第三螺栓组件18-螺栓
[0024]101-氧化剂入口201-液体喷注孔601-气体喷注孔
[0025]602-沉头孔701-前燃室测压孔
【具体实施方式】
[0026]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0027]本发明的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，如图1所示，包括发动机头盖1、液体喷注面板2、催化床外壳体3、催化剂4、调节环5、气体喷注面板6、发动机前燃室7、发动机燃烧室壳体8、发动机燃料药柱9、头盖密封圈10、催化床密封圈11、燃烧室密封圈12、催化剂上挡网13、催化剂下挡网14、第一螺栓组件15、第二螺栓组件16、第三螺栓组件17、螺栓18。
[0028]发动机头盖I上设有氧化剂入口 101，氧化剂入口 101与液体喷注面板2之间形成头腔，发动机头盖I通过第一螺栓组件15固定连接催化床外壳体3的上端，催化床外壳体3的下端通过第二螺栓组件16连接发动机前燃室7 ；[0029]发动机头盖I与催化床外壳体3之间通过头盖密封圈10进行密封；
[0030]催化床外壳体3与发动机前燃室7之间通过催化床密封圈11进行密封；
[0031]催化床外壳体3内设有腔体，腔体内设有催化剂4，催化剂4的上端和下端分别设有催化剂上挡网13和催化剂下挡网14，催化剂上挡网13与发动机头盖I之间设置液体喷注面板2，气体喷注面板6通过螺栓18固定在催化床外壳体3下端，气体喷注面板6与催化剂下挡网14之间设有调节环5，调节环5的厚度应使催化剂4在腔体内不会晃动；
[0032]发动机前燃室7上设有前燃室测压孔701，前燃室测压孔701用于外接压力传感器测量前燃室7中的压力，前燃室测压孔701也可接温度传感器测量气体喷注面板6后高温分解气体的温度。
[0033]发动机燃烧室壳体8通过第三螺栓组件17连接发动机前燃室7 ；
[0034]发动机燃烧室壳体8与发动机前燃室7之间通过燃烧室密封圈12进行密封；
[0035]发动机头盖I上的氧化剂入口 101，可以根据上游过氧化氢输送系统的管径，焊接相应规格的接管嘴。
[0036]液体喷注面板2如图2所不,其上设有液体喷注孔201,液体喷注孔201的分布设计为均布形式，孔径可根据过氧化氢流量确定；
[0037]气体喷注面板6如图3所示，其上设有气体喷注孔601和沉头孔602，气体喷注面板6通过螺栓18和沉头孔602与催化床外壳体3固定连接，气体喷注面板6上的气体喷注孔601的分布和孔径可根据过氧化氢流量，并结合发动机燃料药柱9的几何结构进行设计，使过氧化氢催化后产生的高温分解产物的喷注位置与药柱的几何结构相配合。
[0038]液体喷注面板2和气体喷注面板6在面对催化剂4的面上加工有一定深度的凹台，可以为催化剂4在催化过氧化氢的过程中可能的受热膨胀提供空间，防止催化床结构被破坏。
[0039]催化剂上挡网13和催化剂下挡网14是由不锈钢或其他与过氧化氢相容的材料制造的金属网，具有一定应变能力，金属网的孔径小于催化剂4颗粒的最小直径。
[0040]调节环5可由不锈钢、铝或其他与过氧化氢相容的材料制造，调节环5为环状结构，其内径所包围的圆柱形通道形成内部通道。
[0041]当需要调节催化剂4的装填量时，直接更换不同厚度的调节环5，配合催化剂4的厚度，可保证不同装填量下催化剂4的固定。同时，调节环5内部通道也为催化剂4在催化过氧化氢的过程中可能的受热膨胀提供空间，防止催化床结构被破坏。
[0042]作为本发明的另一种实施方式，催化剂4可以由多层网状催化结构或其它整体式催化结构代替。
[0043]工作过程:
[0044]作为氧化剂的高浓度过氧化氢液体经过头盖I上的氧化剂入口 101进入头盖I和液体喷注面板2之间空间形成的头腔。头腔中的过氧化氢经过液体喷注面板2上的液体喷注孔201和催化剂上挡网13，均匀的喷注到催化剂4上。过氧化氢被催化分解，生成高温分解产物水蒸汽和氧气。分解产物通过催化剂下挡网14、调节环5，达到气体喷注面板6。经过气体喷注面板6上的气体喷注孔601，高温分解产物进入发动机前燃室7。高温氧气在发动机燃烧室壳体8内与发动机燃料药柱9反应。
【权利要求】
1.一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，包括发动机头盖、液体喷注面板、催化床外壳体、催化剂、调节环、气体喷注面板、发动机前燃室、发动机燃烧室壳体、发动机燃料药柱、催化剂上挡网、催化剂下挡网； 发动机头盖上设有氧化剂入口，氧化剂入口与液体喷注面板之间形成头腔，发动机头盖固定连接催化床外壳体的上端，催化床外壳体的下端固定连接发动机前燃室；催化床外壳体内设有腔体，腔体内设有催化剂，催化剂的上端和下端分别设有催化剂上挡网和催化剂下挡网，催化剂上挡网与发动机头盖之间设置液体喷注面板，气体喷注面板固定在腔体下端，气体喷注面板与催化剂下挡网之间设有调节环；发动机前燃室上设有前燃室测压孔；发动机燃烧室壳体固定连接发动机前燃室。
2.根据权利要求1所述的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，所述的液体喷注面板在面对催化剂的一面上加工凹台，所述的气体喷注面板在面对催化剂的一面上加工凹台。
3.根据权利要求1所述的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，所述的调节环采用不锈钢、铝或其他与过氧化氢相容的材料，调节环为环状结构，内径所包围的圆柱形通道形成内部通道，调节环厚度能够根据要求进行更换。
4.根据权利要求1所述的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，所述的液体喷注面板上设有液体喷注孔，液体喷注孔为均布形式，孔径根据过氧化氢流量确定。
5.根据权利要求1所述的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，所述的气体喷注面板上设有气体喷注孔和沉头孔，气体喷注面板通过螺栓和沉头孔与催化床外壳体固定连接，气体喷注面板上的气体喷注孔的分布和孔径根据过氧化氢流量，并结合发动机燃料药柱的几何结构进行设计，使过氧化氢催化后产生的高温分解产物的喷注位置与药柱的几何结构相配合。
6.根据权利要求1所述的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，所述的催化剂上挡网和催化剂下挡网采用不锈钢或其他与过氧化氢相容的材料制造的金属网，金属网的孔径小于催化剂颗粒的最小直径。
7.根据权利要求1所述的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，所述的催化剂为颗粒状或者由多层网状催化结构或者其它整体式催化结构。
8.根据权利要求1所述的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，所述的发动机头盖与催化床外壳体之间通过头盖密封圈进行密封，所述的催化床外壳体与发动机前燃室之间通过催化床密封圈进行密封，所述的发动机燃烧室壳体与发动机前燃室之间通过燃烧室密封圈进行密封。
9.根据权利要求1所述的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，所述的前燃室测压孔用于外接压力传感器测量前燃室中的压力或者外接温度传感器测量气体喷注面板后高温分解气体的温度。
10.根据权利要求1所述的一种用于地面试验固液混合火箭发动机的高浓度过氧化氢催化床结构，所述的发动机头盖上的氧化剂入口焊接接管嘴，接管嘴与上游过氧化氢输送系统管径相对应。
【文档编号】F02K9/96GK103557094SQ201310487700
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】田辉, 赵胜, 蔡国飙 申请人:北京航空航天大学