一种挤压式氧化剂供给固液混合发动机

1.本发明属于航天推进技术领域，具体涉及一种挤压式氧化剂供给固液混合发动机。


背景技术：

2.固液混合发动机是一种采用液体氧化剂和固体燃料作为能源和工质源的航天动力装置，具有安全性好、推力可调、绿色环保、成本低廉等优点，预期在航天领域，特别是亚轨道飞行器、中小型探空火箭、导弹武器、载人飞船等领域内具有广阔的发展空间和应用前景。
3.氧化剂供给系统在发动机工作期间向推力室内以特定的压力和流量稳定地输送氧化剂，保证发动机稳定工作。挤压式氧化剂供给系统由高压气瓶、减压阀、氧化剂贮箱和流量调节阀组成，流量调节阀控制管路的通断，挤压气瓶内储存着高压气体，经减压器降压后，挤压贮箱内的氧化剂，保证氧化剂的供给流量恒定。挤压式氧化剂供给系统结构简单、工作可靠，一般用于固液火箭发动机中。
4.固液混合发动机工作时，由氧化剂输送系统排出的氧化剂经喷注器流入燃烧室，与固体燃料掺混燃烧。来自燃烧室的高温燃气经尾喷管加速，将热能和势能转换为动能，产生发动机推力。
5.北京航空航天大学俞南嘉等人发表的名为《发动机头部结构、固液混合火箭发动机以及火箭》的专利，该发明的申请号为201811172365.7，提出了一种发动机头盖，将旋流喷注器连接在发动机头盖的底端，发动机头盖与燃烧室外壳法兰盘连接，使燃烧室与旋流喷注器的内腔连通，氧化剂旋流喷注进入燃烧室，有效解决了固液混合发动机燃烧效率偏低的问题，发动机头盖与发动机燃烧室外壳法兰盘连接以保证灵活可拆装，但是法兰盘增加了发动机消极质量。
6.西北工业大学王印等人发表的名为《一种地面试车实验用固液混合发动机》的专利，该发明的申请号为201811375237.2，将喷注器装入前端盖的中心孔内，在后端盖的内孔中装有喷管，将前端盖与预燃室壳体、后端盖与补燃室壳体用螺纹连接，通过替换不同长度的预燃室壳体、补燃室壳体而改变发动机尺寸，无需加工整台发动机，降低了成本，但是螺纹连接要求预燃室壳体、补燃室壳体有一定的厚度，需增加燃烧室壳体厚度，增加了发动机消极质量。
7.西北工业大学王印等人发表的名为《一种地面试车实验用固液混合发动机》的专利，该发明的申请号为201811375237.2，提出了一种固液混合发动机点火器，将点火头埋入前端盖中，在前端盖与氧化剂输送系统连接处通过铝片密封，当发动机点火启动时，通过点火元件引燃点火药包，瞬间产生高温高压燃气将铝片冲破并在氧化剂携带作用下进入发动机燃烧室引燃药柱，从而实现发动机点火启动，该点火器降低了发动机点火系统复杂程度，但是点火药包产生的高温高压燃气量比较少，同时高温高压燃气会自发的向喷管方向流动，流向铝片的燃气量少，会出现无法将铝片冲破的现象。


技术实现要素：

8.要解决的技术问题：
9.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种挤压式氧化剂供给固液混合发动机，通过螺钉将喷注器和喷管固定在燃烧室舱壁上，减少了发动机的消极质量且方便拆装；发动机采用多种氧化剂充装方式，氧化剂既可以在发动机装配前充装，也可以在发动机装配好后通过设置在多支路铝管的快速充装连接接头充装，有效防止在储存和装配过程中氧化剂的泄露，保证发动机装配与氧化剂充装的安全性。
10.本发明的技术方案是：一种挤压式氧化剂供给固液混合发动机，其特征在于：包括挤压气瓶1、氧化剂贮箱、氧化剂输送管道和燃烧室；挤压气瓶1的出口通过减压阀2、流量调节阀3与氧化剂贮箱的入口连通，氧化剂贮箱的出口通过氧化剂输送管道和燃烧室入口连通；
11.所述氧化剂输送管道包括减压阀2、流量调节阀3、多支路铝管7、电磁阀8和气动阀9；多支路铝管7入口与氧化剂贮箱的出口连通，其第一出口依次通过流量调节阀3、气动阀9与燃烧室入口连通，第二出口依次通过减压阀2、电磁阀8与气动阀9连通，通过电磁阀8控制气动阀9的通断，远程控制实现氧化剂输送系统管路的通断；
12.所述燃烧室的入口端和出口端分别通过螺钉安装有喷注器和喷管17；所述喷注器包括喷注器壳体10和喷注板11，喷注器壳体10为喇叭状结构，小径端与气动阀9密封连接，大径端同轴安装有喷注板11、并与燃烧室的壳体连接；点火装置设置于喷注器壳体10的小径端，用于控制氧化剂的流通、及燃烧室内燃料药柱15的点燃，实现发动机的启动。
13.本发明的进一步技术方案是：所述点火装置包括铝片18、固体推进剂19和内六方螺母20；铝片18同轴设置于喷注器壳体10的小径端，其朝向气动阀9一端面通过喷注器壳体10内壁沿周向设置的凸台限位，另一端与内六方螺母20配合将固体推进剂19夹紧固定；铝片18将氧化剂与燃烧室内的燃料药柱15隔离，点火后固体推进剂19产生高温燃气将铝片18熔化，实现氧化剂的流通，燃烧室内的燃料药柱15在高温燃气和氧化剂气流的作用下点燃。
14.本发明的进一步技术方案是：所述喷注器和喷管17分别采用径向安装的螺钉与燃烧室的壳体固定连接，喷注器和喷管17的安装周面上设置有环形凹槽，用于放置o形圈，形成径向压力密封。
15.本发明的进一步技术方案是：所述喷注器壳体10的材质为7075-t6铝，其内设置有玻璃/棉/酚醛绝热层；喷注板11的材质为cda110铜，厚度为11mm。
16.本发明的进一步技术方案是：所述喷管17采用en19t钢合金制成，沿轴向依次分为收敛段、喷管喉部、扩张段；收敛段材质为碳/酚醛，扩张段材质为高硅氧/酚醛，喷管喉部材质为石墨；喷管壳体套装于喷管17的扩张段和喷管收敛段外围。
17.本发明的进一步技术方案是：所述喷管17的收敛段为内腔呈喇叭状的圆筒状结构，收敛段的外周面沿轴向依次设有第一台阶、第二台阶、第三台阶、第四台阶；喷管壳体前端内周面设有第一台阶槽、第二台阶槽，分别与喷管17收敛段的第一台阶、第二台阶相适配；喷管17扩张段为内腔呈喇叭状的圆筒状结构，其前端内周面设有第一台阶槽、第二台阶槽，分别与喷管17收敛段的第三台阶、第四台阶相适配；喷管壳体后端内周面与喷管17扩张段通过螺钉固定。
18.本发明的进一步技术方案是：所述喷管17内各台阶与台阶槽之间、喉部与扩张段
之间、喉部与收敛段之间均采用用密封剂密封，防止燃气泄漏。
19.本发明的进一步技术方案是：所述燃烧室包括燃烧室壳体12、前燃烧室绝热层13、燃烧室绝热层14、燃料药柱15、后燃烧室绝热层16，燃烧室壳体12内壁设置有燃烧室绝热层14；燃料药柱15同轴安装于燃烧室壳体12内，其两端分别设置有前燃烧室绝热层13和后燃烧室绝热层16。
20.本发明的进一步技术方案是：所述氧化剂贮箱包括氧化剂贮箱前封头4、氧化剂贮箱圆柱段5和氧化剂贮箱后封头6，氧化剂贮箱圆柱段5两端分别于氧化剂贮箱前封头4 和氧化剂贮箱后封头6密封连接；氧化剂贮箱前封头4与流量调节阀3连接，氧化剂贮箱后封头6与氧化剂输送管道连接。
21.本发明的进一步技术方案是：所述多支路铝管7上装有压力传感器、温度传感器和氧化剂快速充装连接接头，能够实现氧化剂在发动机装配前充装，或在发动机装配后充装。
22.有益效果
23.本发明的有益效果在于：
24.(1)本发明选径向螺钉连接为固定方式将喷注器和喷管固定在燃烧室舱壁上，提高固液混合发动机燃烧效率，减少了法兰盘所带来的消极质量，同时，由于螺钉连接不需要增加燃烧室壁厚，解决了使用螺纹连接造成发动机消极质量增加的问题，减少了发动机的消极质量,方便拆装；并配合o形圈，形成径向压力密封。
25.(2)本发明固液混合发动机具有多种氧化剂充装方式，氧化剂既可以在发动机装配前充装，也可以在发动机装配后充装；通过设置在多支路铝管7的快速充装连接接头充装，有效防止在储存和装配过程中氧化剂的泄露，保证发动机装配与氧化剂充装的安全性。
26.(3)本发明所设计的氧化剂输送管路控制方式，相比于传统的单支路控制方式，在发动机开始工作后，由于电磁阀在高压环境下不能彻底关闭，不能用电磁阀控制氧化剂输送系统通断，采用电磁阀和气动阀相结合的方式控制管路的通断。氧化剂贮箱中气体经减压阀2降压，流经电磁阀8，当电磁阀8打开时，流经电磁阀8的气体使气动阀9关闭，管路断开；当电磁阀8关闭时，气动阀开启，管路连通。电磁阀8控制气动阀9的通断，远程控制实现氧化剂输送系统管路的通断。
27.(4)本发明所设计的点火装置，等同于膜片阀机构，实现氧化剂与固体燃料的隔离。铝片受到氧化剂储箱方面的压力以及固体推进剂燃烧产生的高温，可使铝片熔化，实现氧化剂的贯通，同时固体推进剂作为发动机点火能量的来源，相较于传统点火药包，更有利于促进发动机稳定点火。
28.(5)本发明喷注板11采用cda110铜制成，由于铜导热系数高，制成喷注板有助于减少局部热点的形成。
附图说明
29.图1为本发明所述固液混合发动机总装配图；
30.图2为本发明所述点火装置示意图；
31.图3为本发明推力室示意图；
32.图4为本发明的氧化剂输送管道示意图。
33.附图标记说明：1.挤压气瓶、2.减压阀、3.流量调节阀、4.氧化剂贮箱前封头、 5.
氧化剂贮箱壁、6.氧化剂贮箱后封头、7.定制铝管、8.电磁阀、9.气动阀、10.喷注器壳体、11.喷注板、12.燃烧室壳体、13.前燃烧室绝热层、14.燃烧室绝热层、15. 燃料药柱、16.后燃烧室绝热层、17.喷管、18.铝片、19.固体推进剂、20.内六方螺母。
具体实施方式
34.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.本发明涉及一种固液混合发动机包括：挤压气瓶1、减压阀2、流量调节阀3、氧化剂贮箱前封头4、氧化剂贮箱壁5、氧化剂贮箱后封头6、定制铝管7、电磁阀8、气动阀9、喷注器壳体10、喷注板11、燃烧室壳体12、前燃烧室绝热层13、燃烧室绝热层14、燃料药柱15、后燃烧室绝热层16、喷管17、铝片18、固体推进剂19、内六方螺母20。其中氧化剂贮箱前后封头使用螺钉与贮箱圆柱段固定，喷注器和喷管通过螺钉固定在燃烧室舱壁上，挤压气瓶1与氧化剂贮箱由减压阀2和流量调节阀3进行连接，氧化剂贮箱与喷注器由氧化剂输送系统进行连接，燃烧室由燃烧室壳体12、前燃烧室绝热层13、燃烧室绝热层14、后燃烧室绝热层16、燃料药柱15、点火器、喷管17组成。
37.本实施例中，以氧化亚氮/含石蜡燃料作为推进剂。
38.参照图1所示，本发明一种挤压式氧化剂供给固液混合发动机包括挤压气瓶1、氧化剂贮箱、氧化剂输送管道和燃烧室；挤压气瓶1的出口通过减压阀2、流量调节阀3 与氧化剂贮箱的入口连通，氧化剂贮箱的出口通过氧化剂输送管道和燃烧室入口连通；
39.所述氧化剂输送管道包括减压阀2、流量调节阀3、多支路铝管7、电磁阀8和气动阀9；多支路铝管7入口与氧化剂贮箱的出口连通，其第一出口依次通过流量调节阀3、气动阀9与燃烧室入口连通，第二出口依次通过减压阀2、电磁阀8与气动阀9连通，通过电磁阀8控制气动阀9的通断，远程控制实现氧化剂输送系统管路的通断；多支路铝管7上装有压力传感器、温度传感器和氧化剂快速充装连接接头，能够实现氧化剂在发动机装配前充装，或在发动机装配后充装。而在发动机开始工作后，由于电磁阀在高压环境下不能彻底关闭，不能直接用电磁阀控制氧化剂输送系统通断，采用电磁阀和气动阀相结合的方式控制管路的通断。氧化剂贮箱中气体经减压阀2降压，流经电磁阀 8，当电磁阀8打开时，流经电磁阀8的气体使气动阀9关闭，管路断开；当电磁阀8关闭时，气动阀开启，管路连通。电磁阀8控制气动阀9的通断，远程控制实现氧化剂输送系统管路的通断。
40.所述燃烧室采用组合式设计，其入口端和出口端分别通过径向螺钉安装有喷注器和喷管17，并在喷注器和喷管17的安装周面上设置有环形凹槽，用于放置o形圈，形成径向压力密封。相比于背景技术中提到的法兰盘连接和螺纹连接，该连接可省去法兰盘并且能有效减小燃烧室仓壁壁厚，达到减少消极质量的目的，同时方便装配。燃烧室由164mm外径和5.5mm厚6061-t6铝管制成，在前后燃烧室分别放置有3mm厚的玻璃 /棉/酚醛绝热层。
41.参照图2所示，所述喷注器包括喷注器壳体10和喷注板11，喷注器壳体10为喇叭状结构，小径端与气动阀9密封连接，大径端同轴安装有喷注板11、并与燃烧室的壳体连接；点火装置设置于喷注器壳体10的小径端，用于控制氧化剂的流通、及燃烧室内燃料药柱15的点燃，实现发动机的启动。喷注器壳体10由7075-t6铝制成，由于铜导热系数高，制成喷注板有助于减少局部热点的形成，由cda110铜制成11mm厚的喷注板11，在喷注器壳体内部放置一层4mm厚的玻璃/棉/酚醛绝热层。
42.参照图2所示，所述点火装置包括铝片18、固体推进剂19和内六方螺母20；铝片18 同轴设置于喷注器壳体10的小径端，其朝向气动阀9一端面通过喷注器壳体10内壁沿周向设置的凸台限位，另一端与内六方螺母20配合将固体推进剂19夹紧固定；铝片18将氧化剂与燃烧室内的燃料药柱15隔离，点火后固体推进剂19产生高温燃气将铝片18熔化，实现氧化剂的流通，燃烧室内的燃料药柱15在高温燃气和氧化剂气流的作用下点燃。固体推进剂要求采用改性双基药柱，因为该药柱具有成气量大大、燃速高的特点，可以支撑铝片、在燃烧后快速消失、提供大量燃气。
43.参照图3所示，所述燃烧室包括燃烧室壳体12、前燃烧室绝热层13、燃烧室绝热层 14、燃料药柱15、后燃烧室绝热层16，燃烧室壳体12内壁设置有燃烧室绝热层14；燃料药柱15同轴安装于燃烧室壳体12内，其两端分别设置有前燃烧室绝热层13和后燃烧室绝热层16。
44.所述喷管17采用en19t钢合金制成，沿轴向依次分为收敛段、喷管喉部、扩张段；收敛段材质为碳/酚醛，扩张段材质为高硅氧/酚醛，喷管喉部材质为石墨；喷管壳体套装于喷管17的扩张段和喷管收敛段外围。喷管17的收敛段为内腔呈喇叭状的圆筒状结构，收敛段的外周面沿轴向依次设有第一台阶、第二台阶、第三台阶、第四台阶；喷管壳体前端内周面设有第一台阶槽、第二台阶槽，分别与喷管17收敛段的第一台阶、第二台阶相适配；喷管17扩张段为内腔呈喇叭状的圆筒状结构，其前端内周面设有第一台阶槽、第二台阶槽，分别与喷管17收敛段的第三台阶、第四台阶相适配；喷管壳体后端内周面与喷管17扩张段通过螺钉固定。喷管17内各台阶与台阶槽之间、喉部与扩张段之间、喉部与收敛段之间均采用用密封剂密封，防止燃气泄漏。
45.参照图4所示，所述氧化剂贮箱包括氧化剂贮箱前封头4、氧化剂贮箱圆柱段5和氧化剂贮箱后封头6，氧化剂贮箱圆柱段5两端分别于氧化剂贮箱前封头4和氧化剂贮箱后封头6密封连接；氧化剂贮箱前封头4与流量调节阀3连接，氧化剂贮箱后封头6与氧化剂输送管道连接。
46.推力室组装过程：将喷管17通过螺钉与燃烧室壳体12进行连接，用氟橡胶o形圈密封，将后燃烧室绝热层16放入燃烧室壳体12中，然后装入带有燃烧室绝热层14 的燃料药柱15(提前将药柱15浇注在燃烧室绝热层14中)，再装入前燃烧室绝热层 13。将点火装置固定在喷注器喷注板11和喷注器壳体10之间，点火线通过喷注器喷注板11孔道和喷管17引出，用螺钉将喷注器与燃烧室壳体12进行连接，用氟橡胶o 形圈保证发动机气密性良好。
47.固液混合发动机总体装配过程：将充装好氧化亚氮的氧化剂贮箱和挤压气瓶1准备好，在阀门、气瓶连接端和喷注器连接端装上o形密封圈，通过将氟橡胶o形圈压紧，最终保证连接可靠，密封性好。
48.当发动机的待机指令下达后打开减压阀2、流量调节阀3，发动机进入待机状态。正
式工作指令下达后，点燃固体推进剂19，产生的高温燃气进入燃烧室加热含石蜡燃料药柱15；同时固体推进剂19燃烧时放出的温度熔融铝片18，实现氧化剂的流通，氧化剂进入燃烧室，与燃料药柱15发生燃烧反应，点火动作完成。
49.发动机点火完成后，氧化剂贮箱内流出的液体氧化亚氮，经喷注器雾化后，进入燃烧室，与含石蜡燃料进行燃烧反应，产生高温燃气，经喷管加速后产生推力。
50.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。