载人登月登火星火箭用超大型液氧推力室的制作方法

本发明涉及载人登月登火星火箭用超大型液氧推力室，属于液体火箭发动机技术领域。

背景技术：

载人登火星和再次载人登月，是当前和今后几十年的国际航天界任务。美国利用发射航天飞机的技术，已经开始进行载人登火星火箭用超大型发动机的研制。其中有800吨总推力高压补燃液氧液氢发动机。俄罗斯研制的rd-180发动机是400吨推力的高压补燃液氧煤油发动机，可用于载人登月火箭。

现有高压补燃液氧液氢和液氧煤油发动机很先进，但结构复杂和技术难度大。推力室有四底三腔或三底二腔结构及数以千计的喷嘴，加工麻烦、头部强度不高和较多地增加推力不易。

本人近五年一直在进行火箭推力室的创新研究，已经获得zl201320842845.6、zl201410071973.4、zl201410246890.4，zl201510012558.6等中国专利授权。在此基础上，近日完成″新型火箭和飞船用系列过氧化氢推力室″的发明。其中包括与美俄完全不同的有隔板超大型过氧化氢推力室。又用同样的思路并结合液氧煤油和液氧液氢的特点进行研究，得到本发明。这两项发明现在同时申请专利。

技术实现要素：

針对现有高压补燃液氧煤油和液氧液氢发动机结构复杂和技术难度大，为了研制出结构较简单和工作可靠的超大型高压补燃液氧煤油和液氧液氢发动机，本发明给出载人登月登火星火箭用超大型液氧推力室。

一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，由头部、传统再生冷却身部和再生冷却隔板焊接成一体。头部和这三部分的连接件包括承力座、多孔锥壳、外锥壳、富氧气进入管、承力连接件、第二承力连接件、连接集合环、喷注器盘、燃料喷注环、燃料喷注弧段组、径向条状盖板组、膜液集合器内壁、膜液集合器外壁、有孔搭板、隔板冷却剂集合器、隔板冷却剂进入管、点火燃料集合器和点火燃料进入管。喷注器盘分为中心圆形区、八个扇形区和十六个外扇形区。在各区内按同心圆开有富氧气轴向孔、隔板两边轴向孔和外圈轴向孔，用来喷注从富氧气进入管进入的涡轮后富氧气。这种富氧气是气体发生器内液氧煤油富氧燃烧的产物，温度不超过800k。燃料喷注环和燃料喷注弧段组双排开有燃料斜孔、外圈斜孔和燃料自击对，用来喷注传统再生冷却身部再生冷却后的煤油。隔板两边轴向孔与富氧气轴向孔的孔径可相等可不相等，外圈轴向孔比富氧气轴向孔的孔径小，外圈斜孔比燃料斜孔的孔径小。连接集合环上开有点火燃料斜孔，用来在点火时喷注点火燃料。燃料斜孔与隔板两边轴向孔和中心一个富氧气轴向孔及外圈斜孔与外圈轴向孔构成二对一或一对一液气互击喷注器。燃料自击对与富氧气轴向孔组成液气自击互击喷注器。从隔板冷却剂进入管进入的是液氢或50％至70％过氧化氢或水。再生冷却隔板用来抑制高频不稳定燃烧和减小一阶切向、一阶径向、二阶切向等声学振动。燃料斜孔与隔板两边轴向孔有小互击角形成液相分区，有助于增强用隔板的减振效果和减小一阶纵向声学振动。由此构成一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧煤油推力室。

该推力室的再生冷却隔板是由内周向隔板、四块进液径向长隔板、四块出液径向长隔板、外周向隔板、八块进液径向短隔板、八个三面外壁、八个外圈三面外壁、八个外圈两面外壁、四个进液集合器、八个第二进液集合器和四个出液集合器组成并焊接成一体。内周向隔板和外周向隔板的外表面及进液径向短隔板的一面开有浅平行槽。进液径向长隔板的两面都铣有一段浅平行槽和另一段平行槽。出液径向长隔板的两面都铣有一段浅平行槽和另一段深平行槽。外周向隔板开有八个长缺口用来在组装时放置四块进液径向长隔板和四块出液径向长隔板。进液径向长隔板和出液径向长隔板在端头设有小榫头组用来在组装时嵌入内周向隔板的各个浅平行槽。在中间靠端部设置管嘴的进液集合器、设置第二管嘴的第二进液集合器和设置出液管嘴的出液集合器都由两半个零件对合而成。浅平行槽、平行槽和深平行槽的流通面积为1∶2∶3及各条槽各自相通成为从进液到出液的流动多通道。隔板高度宜用80-100mm。由此构成再生冷却二十五区隔板。

该推力室的膜液集合器内壁端部开有一圈沿圆周均布和向外倾斜8-12度的膜液孔，用来喷注作为推力室内冷却膜液的液氢或50％至70％过氧化氢或水。与此相对应的是传统再生冷却身部的三道冷却环带可以取消。当使用低浓度过氧化氢作为内冷却膜液时，外圈轴向孔予以取消。

该推力室的传统再生冷却身部，是从铣直槽、铣螺旋槽、直管束式、螺旋管束式、波纹板钎焊等传统结构中选择而成。由于煤油的再生冷却性能有限且易产生结焦，相应的再生冷却身部结构比较讲究。需合理确定煤油进口位置、流路和冷却通道尺寸，设有三道冷却环带，有人为粗糙强化冷却，采用整体式喉部结构及采用高导热率材料和镍铬镀层。由于本发明采用非煤油的高效内冷却膜液，这些设计和经验可以借鉴但不必照搬。

该推力室的多孔锥壳和外锥壳除传递推力外还与富氧气进入管组成富氧气输入装置。其中的多孔锥壳与外锥壳之间是富氧气集合器。多孔锥壳沿圆周均匀开有弧段孔和弧段孔a并布满垂直于外表面的输气整流孔。与内周向隔板直径相同并焊接在喷注器盘上的承力连接件端部设置榫头与弧段孔配装和焊接。与外周向隔板直径相同并焊接在喷注器盘上的第二承力连接件端部设置榫头a与弧段孔a配装和焊接。承力连接件沿圆周均匀开有压力平衡孔和第二承力连接件沿圆周均匀开有压力平衡孔a。

该推力室的头部主要包括多孔锥壳、外锥壳、承力连接件、第二承力连接件、喷注器盘、承力座、沿圆周开有一圈燃料轴向孔的连接集合环等焊为一体的零件，构成有双锥壳、双承力连接件和厚喷注器盘的高强度头部。

该推力室的喷注器盘开有向燃料斜孔、外圈斜孔和燃料自击对输送燃料的环形槽、弧段槽组和径向槽组，槽的上面分别放置燃料喷注环、燃料喷注弧段组和径向条状盖板组，用翻边压紧后焊接固定。

该推力室的膜液集合器内壁分为前后两段，前段和后段都开有与管嘴、第二管嘴和出液管嘴位置和孔径分别相同的半圆孔、半圆孔a和半圆孔b，组装后把前段、后段、各管嘴、连接集合环和传统再生冷却身部焊接在一起。

该推力室的膜液集合器外壁和有孔搭板都分为前后两段和上下两半，前段和后段都开有与管嘴和第二管嘴位置和孔径分别相同的半圆孔和半圆孔a，组装后把前段、后段、各管嘴、连接集合环、膜液集合器内壁和传统再生冷却身部焊接在一起。

一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，做缩小的结构变动：再生冷却二十五区隔板取消外周向隔板、八块进液径向短隔板、八个第二进液集合器、八个外圈三面外壁、八个外圈两面外壁等零件，去掉进液径向长隔板中有平行槽的一段成为进液径向隔板，去掉出液径向长隔板中有深平行槽的一段成为出液径向隔板，由此成为一种再生冷却九区隔板。喷注器盘取消十六个外扇形区并相应取消有孔第二承力连接件。八个扇形区外圈不在隔板边的隔板两边轴向孔改为外圈轴向孔及用配对的外圈斜孔。由此构成一种隔板冷却剂用作膜液的的大型液氧煤油推力室。

一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，燃料斜孔、外圈斜孔和燃料自击对喷注的燃料由煤油换成液氢。从富氧气轴向孔、隔板两边轴向孔和外圈轴向孔喷出的富氧气由液氧煤油富氧燃烧产物换成液氧液氢富氧燃烧产物。燃料斜孔与隔板两边轴向孔及外圈斜孔与外圈轴向孔的互击角取的小。燃料自击对的自击角也缩小。根据分析，低温液氢与接近800k温度富氧气的质量流量比接近1∶10，且在点火起动时可设法使小股液氢先进入推力室，应能自燃点火。这就可以取消点火燃料集合器、点火燃料进入管和点火燃料斜孔。其上燃料孔径允许放大的燃料喷注环和燃料喷注弧段组可选用多孔发汗金属材料制作。由此构成一种隔板冷却剂用作膜液的超大型或大型液氧液氢推力室。

本发明载人登月登火星火箭用超大型液氧推力室的有益效果和优点是：

1.给出400-1000吨推力超大型推力室用的再生冷却二十五区隔板结构，按此缩小的再生冷却九区隔板则用在200吨推力左右大型推力室，能有效抑制高频不稳定燃烧。

2.给出多孔锥壳结构，对导入的富氧气进行整流。有双锥壳、双或单承力连接件和厚喷注器盘的高强度头部，提高工作可靠性。

3.采用液气互击和自击互击喷注器，形成液相分区及喷注器排列密度较大，利于减振。燃烧面离喷注器面较远，可防止烧蚀面板。能保证推进剂组元的雾化混合质量，利于提高燃烧效率。最大优点是把数以千计的喷嘴转换成在一个直径0.8-1.8米的喷注器盘零件上开的相当数量孔，大大简化结构、方便加工和增大强度。

4.超大型或大型液氧煤油推力室的结构较简单。用冷却性能好的液氢或50％至70％过氧化氢或水作为隔板的再生冷却剂和推力室内冷却膜液，可有效弥补煤油冷却性能的不足，并成为结构不复杂化的三组元推力室。使得这种只能一次使用和用特制航天煤油的推力室，有望成为可多次重复使用和不严格限定煤油的推力室。用液氢的比冲提高较多和密度比冲下降有限。用低浓度过氧化氢的比冲不降和密度比冲有所提高。用水的比冲和密度比冲降低很少或不降低。

5.超大型或大型液氧液氢推力室与液氧煤油推力室的结构相同，比美国航天飞机ssme发动机推力室的结构简单得多，便于研制。一般用液氢也可用50％至70％过氧化氢或水作为隔板的再生冷却剂及推力室内冷却膜液，冷却效果好。膜液用低浓度过氧化氢或水的比冲虽有下降但可较多提高密度比冲，成为结构不复杂化的三组元推力室。

6.有针对性地采取措施解决超大型或大型高压补燃液氧煤油和液氧液氢发动机推力室的技术关键，推力室结构较简单和能可靠工作，可以降低技术难度、缩短研制周期和减少研制经费。

本发明的超大型液氧煤油推力室，适用于载人登月登火星火箭的助推和一级发动机。其中用液氢冷却隔板可较多提高比冲，能用于芯一级发动机。大型液氧煤油推力室能用于多次重复使用发动机。本发明的超大型或大型液氧液氢推力室，适用于载人登月登火星火箭的二级发动机及航空航天结合一体飞行器发动机。其中用50％至70％过氧化氢冷却隔板的液氧液氢推力室能较多提高密度比冲，更适合用于芯一级发动机，并可增加重复使用次数。本发明的再生冷却二十五区或九区隔板、高强度头部、高效内冷却膜液及三组元、多孔锥壳、液气互击和自击互击喷注器等属于液体火箭发动机领域的创新技术，可供借鉴使用。

附图说明

图1一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室简图

图2头部侧视图

图2-1四分之一剖面图(图3的a-a剖面)

图2-2隔板出液处局部剖面图

图3喷注器盘和再生冷却隔板组合图的四分之一

图4再生冷却二十五区隔板横剖面图的四分之一

图5多孔锥壳俯视图的四分之一

图6喷注器盘仰视图的四分之一

图6-1喷注器盘仰视图

图6-2槽的a-a剖面(比例放大)

图6-3翻边压紧焊接后(比例放大)

图7一种隔板冷却剂用作膜液的大型液氧煤油推力室头部简图的四分之一

具体实施方式

图1至图7是本发明载人登月登火星火箭用超大型液氧推力室的优选实施例。

如图1、图2和图3所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，由头部1、传统再生冷却身部2和再生冷却隔板3焊接成一体，头部1和这三部分的连接件包括承力座4、多孔锥壳5、外锥壳6、富氧气进入管7、承力连接件8、第二承力连接件8a、连接集合环9、喷注器盘10、燃料喷注环11、燃料喷注弧段组12、径向条状盖板组13、膜液集合器内壁14、膜液集合器外壁15、有孔搭板16、隔板冷却剂集合器17、隔板冷却剂进入管18、点火燃料集合器19和点火燃料进入管20。喷注器盘10分为中心圆形区21、八个扇形区22和十六个外扇形区23并在各区内按同心圆开有孔径6-10mm的富氧气轴向孔24和隔板两边轴向孔24a及孔径4-7mm的外圈轴向孔24b用来喷注从富氧气进入管7进入的涡轮后液氧煤油富氧燃烧产物，燃料喷注环11和燃料喷注弧段组12双排开有孔径不大于2mm的燃料斜孔25、外圈斜孔25a和燃料自击对26用来喷注传统再生冷却身部2再生冷却后的煤油，连接集合环9上开有沿圆周均布的点火燃料斜孔27用来在点火时喷注点火燃料，燃料斜孔25与隔板两边轴向孔24a和中心一个富氧气轴向孔24及外圈斜孔25a与外圈轴向孔24b构成互击角5-30度的二对一或一对一液气互击喷注器，自击角30-90度的燃料自击对26与富氧气轴向孔24组成液气自击互击喷注器，从隔板冷却剂进入管18进入的是液氢或50％至70％过氧化氢或水，由此构成一种隔板冷却剂用作膜液的的超大型液氧煤油推力室。

如图2、图3和图4所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，再生冷却隔板3是由内周向隔板28、四块进液径向长隔板29、四块出液径向长隔板30、外周向隔板31、八块进液径向短隔板32、八个三面外壁33、八个外圈三面外壁34、八个外圈两面外壁35、四个进液集合器36、八个第二进液集合器37和四个出液集合器38组成并焊接成一体，内周向隔板28和外周向隔板31的外表面及进液径向短隔板32的一面开有浅平行槽39，进液径向长隔板29的两面都铣有一段浅平行槽39和另一段平行槽39a，出液径向长隔板30的两面都铣有一段浅平行槽39和另一段深平行槽39b，外周向隔板31开有八个长缺口40用来在组装时放置四块进液径向长隔板29和四块出液径向长隔板30，进液径向长隔板29和出液径向长隔板30在端头设有小榫头组41用来在组装时嵌入内周向隔板28的各个浅平行槽39，在中间靠端部设置管嘴42的进液集合器36、设置第二管嘴43的第二进液集合器37和设置出液管嘴44的出液集合器38都由两半个零件对合而成，浅平行槽39、平行槽39a和深平行槽39b的流通面积为1∶2∶3及各条槽各自相通成为从进液到出液的流动多通道，隔板高度宜用80-100mm，由此构成再生冷却二十五区隔板3a。

如图2所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，膜液集合器内壁14的端部开有一圈沿圆周均布和向外倾斜8-12度的膜液孔45用来喷注作为推力室内冷却膜液的液氢或50％至70％过氧化氢或水，与此相对应的是传统再生冷却身部2的第一、二、三道冷却环带46、46a和46b可以取消，使用50％至70％过氧化氢作为内冷却膜液的外圈轴向孔24b予以取消。

如图2和图5所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，多孔锥壳5和外锥壳6除传递推力外还与富氧气进入管7组成富氧气输入装置，多孔锥壳5沿圆周均匀开有弧段孔47和弧段孔a47a并布满垂直于外表面的输气整流孔48，与内周向隔板28直径相同并焊接在喷注器盘10上的承力连接件8端部设置榫头49与弧段孔47配装和焊接，与外周向隔板31直径相同并焊接在喷注器盘10上的第二承力连接件8a端部设置榫头a49a与弧段孔a47a配装和焊接，承力连接件8沿圆周均匀开有压力平衡孔50和第二承力连接件8a沿圆周均匀开有压力平衡孔a50a。

如图2所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，头部1主要包括多孔内锥壳5、外锥壳6、承力连接件8、第二承力连接件8a、喷注器盘10、承力座4、沿圆周开有一圈燃料轴向孔51的连接集合环9等焊为一体的零件，构成有双锥壳、双承力连接件和厚喷注器盘的高强度头部。

如图3和图6所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，喷注器盘10开有向燃料斜孔25、外圈斜孔25a和燃料自击对26输送燃料的环形槽52、弧段槽组53和径向槽组54，其上分别放置燃料喷注环11、燃料喷注弧段组12和径向条状盖板组13并用翻边55压紧后焊接固定。

如图2所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，膜液集合器内壁14分为前后两段，前段和后段都开有与管嘴42、第二管嘴43和出液管嘴44位置和孔径分别相同的半圆孔56、半圆孔a56a和半圆孔b56b，组装后把前段、后段、各管嘴、连接集合环9和传统再生冷却身部2焊接在一起。

如图2所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，膜液集合器外壁15和有孔搭板16都分为前后两段和上下两半，前段和后段都开有与管嘴42和第二管嘴43位置和孔径分别相同的半圆孔56和半圆孔a56a，组装后把前段、后段、各管嘴、连接集合环9、膜液集合器内壁14和传统再生冷却身部2焊接在一起。

如图3、图4和图7所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，再生冷却隔板3取消外周向隔板31、八块进液径向短隔板32、八个第二进液集合器37、八个外圈三面外壁34、八个外圈两面外壁35等零件，去掉进液径向长隔板29中有平行槽39a的一段成为与进液集合器a36a相配的进液径向隔板29a，去掉出液径向长隔板30中有深平行槽39b的一段成为与出液集合器a38a相配的出液径向隔板30a，由此成为一种再生冷却九区隔板3b，喷注器盘10取消十六个外扇形区23和相应取消有孔第二承力连接件8a，八个扇形区22外圈不在隔板边的隔板两边轴向孔24a改为外圈轴向孔24b及用配对的外圈斜孔25a，由此构成一种隔板冷却剂用作膜液的大型液氧煤油推力室。

如图1至图7所示，一种隔板冷却剂用作膜液的超大型液氧推力室，燃料斜孔25、外圈斜孔25a和燃料自击对26喷注的燃料由煤油换成液氢，从富氧气进入管7进入和从富氧气轴向孔24、隔板两边轴向孔24a和外圈轴向孔24b喷出的涡轮后富氧气由液氧煤油富氧燃烧产物换成液氧液氢富氧燃烧产物，燃料斜孔25与隔板两边轴向孔24a及外圈斜孔25a与外圈轴向孔24b的互击角由5-30度缩小为5-15度，燃料自击对26的自击角由30-90度缩小为30-40度，可以取消点火燃料集合器19、点火燃料进入管20和点火燃料斜孔27，其上燃料孔径允许放大1mm的燃料喷注环11和燃料喷注弧段组12可选用多孔发汗金属材料制作，由此构成一种隔板冷却剂用作膜液的超大型或大型液氧液氢推力室。