分级非催化点火无毒单组元发动机及航天器的制作方法

1.本发明涉及航天器推进系统用的发动机技术领域，具体地，涉及一种分级非催化点火无毒单组元发动机及航天器。


背景技术：

2.目前航天器单组元推进系统使用的肼类推进剂具有很大的吸入致癌毒性，且易燃易爆。随着全社会对环境保护和人员健康的要求更为严格，发展无毒推进技术替代有毒肼类推进技术势在必行。
3.目前，无毒的单组元发动机主要采用催化点火的方式。由于无毒单组元推进剂的理论燃烧温度高，使用催化分解点火方式，催化床容易受到破坏，使得该发动机和催化剂的寿命较短。
4.如：专利文献cn201610022559.3公开了一种环形固液催化点火发动机，包括喷注器、固体药柱、绝热层、催化网与点火发动机外壳。其中，喷注器周向上设计有喷注缝隙，喷注缝隙入口出铺设催化网；由此，氧化剂从点火发动机外壳上的氧化剂通道通入，进入点火发动机外壳内环形流道，随后通过催化网进行催化分解产生高温富氧气体，经由喷注缝隙气体喷射进入点火发动机燃烧室，与固体药柱反应，形成高温燃气，经由绝热层上设计的开孔进入主发动机燃烧室，点燃主发动机。虽然该方案设置有绝热层、并且能一定程度上实现发动机多次点火。但依然是采用催化点火的方式，并没有从原理上避免催化床易受到破坏，发动机和催化剂的寿命较短的问题。
5.非催化点火的han发动机可以避开催化剂高温失活、冷启动等问题，且具有性能高、环境适应性好、可靠性高等优势。因此，各国研究机构对han基推进剂的非催化点火开展了大量的研究工作。
6.当前国内外研究机构和学者的研究发现，无毒单组元推进剂点火需要的能量高且点火延迟时间较长，使得无毒单组元发动机非催化点火较困难，并且由于非催化点火延迟时间长、点火较困难，导致此类发动机能够产生的推力不足。目前一般只能产生0.1～10n级别的推力。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种分级非催化点火无毒单组元发动机及航天器。
8.根据本发明提供的一种分级非催化点火无毒单组元发动机，包括支路点火模块、主路喷注器、主燃烧室以及发动机喷管；
9.所述主路喷注器、发动机喷管分别安装在所述主燃烧室的两端；
10.所述支路点火模块与所述主燃烧室同轴布置，且支路点火模块的端部位于所述主燃烧室内，所述支路点火模块的中下部设置有多个通孔，所述支路点火模块的中下部与主燃烧室通过所述通孔相连通。
11.优选的，所述支路点火模块包括支路喷注器、点火器以及支路腔体，所述支路喷注器安装在支路腔体的一端，点火器安装在所述支路腔体内，定义支路腔体的另一端为支路燃烧腔室；
12.所述支路燃烧腔室设置有多个通孔；
13.所述支路喷注器包括支路喷注芯体，支路喷注芯体用于将支路喷注器中的无毒推进剂雾化成液滴；
14.所述支路喷注器中的无毒推进剂被支路喷注芯体雾化成液滴后，经过点火器点燃后，成为高温燃气，经过所述通孔流入所述主燃烧室内。
15.优选的，所述主路喷注器包括主路喷注壳体、主路喷注芯体和测压管嘴；
16.所述主路喷注芯体与测压管嘴均安装在所述喷注壳体上；所述主路喷注芯体用于将主路喷注器中的无毒推进剂雾化成液滴；
17.主路喷注器中的无毒推进剂从主路喷注壳体进入，在主路喷注芯体作用下雾化成液滴，喷入主燃烧室内。
18.优选的，从支路喷注器上通过的无毒推进剂流量为所述分级非催化点火无毒单组元发动机中无毒推进剂总流量的1～30％；
19.优选的，所述点火器为电热点火、电极点火、激光点火、火炬点火、化学自燃点火中的一种。
20.优选的，多个所述通孔沿所述支路燃烧腔室的周向与径向阵列布置。
21.优选的，所述支路喷注器和主路喷注器的材料为钛合金、铁基变形高温合金、镍基变形高温合金、钴基变形高温合金、不锈钢中的一种。
22.优选的，所述支路腔体和主燃烧室的材料为铌合金、钼合金、铂铑合金、铂铱合金、铱铑合金、铼铱合金、钨铼合金或钽钨合金中的一种。
23.优选的，所述无毒推进剂为硝酸羟胺(han)基推进剂、二硝酰胺铵(adn)基推进剂、硝仿肼(hnf)基推进剂中的一种或几种组成的混合物。
24.本发明还提供了一种航天器，采用所述的分级非催化点火无毒单组元发动机。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.1、本发明通过支路燃烧腔室与主燃烧室的设计，采用分级非催化点火方案，可以克服大流量无毒单组元推进剂难以点火的问题，通过解决难以点火的问题，还提高了发动机整体的输出推力。
27.2、发动机采用非催化点火方案，无需使用贵金属催化剂，可以节省昂贵催化剂的费用，且可以规避催化剂耐温能力限制、贵金属原材料难以自主可控等问题。
附图说明
28.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
29.图1为本发明的工作原理图；
30.图2为本发明采用电热点火方案的发动机剖面图；
31.图3为本发明的支路点火模块剖面图；
32.图4为主路喷注器剖面图。
33.图中示出：
34.具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
36.实施例1：实施例1为基础实施例：
37.本发明提供了一种分级非催化点火无毒单组元发动机，如图1-4所示，包括支路点火模块1、主路喷注器2、主燃烧室3以及发动机喷管4；所述主路喷注器2、发动机喷管4分别安装在所述主燃烧室3的两端；具体的，发动机喷管4焊接在所述主燃烧室3端部，所述发动机喷管4为拉瓦尔喷管。所述主燃烧室3长度为40～150mm；主燃烧室3室压为0.5～5mpa；
38.所述支路点火模块1与所述主燃烧室3同轴布置，且支路点火模块1的端部位于所述主燃烧室3内。所述支路点火模块1的中下部设置有多个通孔14，所述支路点火模块1的中下部与主燃烧室3通过所述通孔14相连通。
39.如图2、3所示，所述支路点火模块1包括支路喷注器11、点火器12以及支路腔体13，所述支路喷注器11安装在所述支路腔体13的一端，点火器12安装在所述支路腔体13内，在一个优选例中，支路腔体13与主路喷注器2采用焊接的方式连接；定义支路腔体13的另一端为支路燃烧腔室131；所述点火器12为电热点火、电极点火、激光点火、火炬点火、化学自燃点火中的一种。所述支路燃烧腔室131设置有多个通孔14；具体的，多个所述通孔14沿所述支路燃烧腔室131的周向与径向阵列布置，支路燃烧腔室131插入主燃烧室3内，所述支路燃烧腔室131的长度为主燃烧室3长度的20～60％，所述支路燃烧腔室131底部为封闭结构，并且距离底部2～6mm高度范围内均不打孔，形成一个反应空间，使得支路未完全燃烧的无毒单组元推进剂在该空间停留，从而有时间充分发生燃烧反应。
40.所述支路喷注器11包括支路喷注芯体，支路喷注芯体用于将支路喷注器11中的无毒推进剂雾化成液滴；所述支路喷注器11中的无毒推进剂被支路喷注芯体雾化成液滴后，经过点火器12点燃后，成为高温燃气，经过所述通孔14流入所述主燃烧室3内。所述支路喷注器11中的无毒推进剂为小流量推进剂。
41.如图2、4所示，所述主路喷注器2包括主路喷注壳体21、主路喷注芯体22和测压管嘴23；所述主路喷注芯体22与测压管嘴23均安装在所述喷注壳体21上；所述主路喷注芯体22用于将主路喷注器2中的无毒推进剂雾化成液滴；主路喷注器2中的无毒推进剂从主路喷注壳体21进入，在主路喷注芯体22作用下雾化成小液滴，喷入主燃烧室3内。发动机工作压力从测压管嘴23测量。所述主路喷注器2中的无毒推进剂为大流量推进剂。具体的，采用撞击雾化的方法将大流量推进剂在喷注芯体22作用下雾化成小液滴，撞击夹角范围为60～120
°
，撞击合成角范围为-10～10
°
；
42.所述无毒推进剂为硝酸羟胺(han)基推进剂、二硝酰胺铵(adn)基推进剂、硝仿肼(hnf)基推进剂中的一种或几种组成的混合物。从支路喷注器11上通过的无毒推进剂流量为所述分级非催化点火无毒单组元发动机中无毒推进剂总流量的1～30％；优选的，从支路点火模块1上通过的推进剂流量为总流量的2～20％。
43.所述支路喷注器11和主路喷注器2的材料为钛合金、铁基变形高温合金、镍基变形高温合金、钴基变形高温合金、不锈钢中的一种。所述支路腔体13和主燃烧室3的材料为铌合金、钼合金、铂铑合金、铂铱合金、铱铑合金、铼铱合金、钨铼合金或钽钨合金中的一种。
44.本发明的工作原理及过程如下：
45.参考图1与图2，发动机工作时，小流量推进剂从支路喷注器11喷入支路腔体13，在点火器12的作用下点燃；推进剂点燃后，点火器12停止工作；支路燃烧腔室131产生的高温燃气通过中下部小孔进入主燃烧室3；然后，大流量推进剂通过主路喷注器2喷入主燃烧室3，在高温燃气作用下引燃，全部推进剂产生的高温燃气经发动机喷管4超音速喷出，从而产生反作用推力。在一个优选例中，支路喷注器11上还设置有加热环形发热体，加热环形发热体与点火器12相互接触，点火器12不直接将支路喷注器11中的无毒推进剂点燃，而是通过加热环形发热体的方式，利用热环形发热体将雾化小液滴点燃。
46.实施例2：实施例2为优选例
47.下面以40n分级非催化点火无毒单组元发动机为例，进一步对本发明进行说明。
48.在本实施例中，采用电热点火方案对支路推进剂进行点火；所述支路喷注器11上装配有支路喷注芯体，小流量推进剂在支路喷注芯体作用下雾化成小液滴；从支路喷注器11上通过的推进剂流量为总流量的12％；电热点火器12通电后将安放在支路燃烧腔室131中的环形发热体加热至500℃以上，雾化的推进剂液滴与高温发热体接触后通过热分解的方式点燃；
49.所述支路喷注器11使用钛合金材料，支路腔体13采用铌合金材料，支路腔体13的长度为50mm，其中插入燃烧室的长度为40mm，从底部开始，在3～37mm高度范围内加工多排小孔；
50.所述主路喷注器2上装配主路喷注芯体22，采用撞击雾化的方法将主路大流量推进剂在主路喷注芯体22作用下雾化成小液滴，主路喷注器采用钛合金材料，喷注芯体上加工6组撞击对，撞击夹角90
°
，撞击合成角0
°
；
51.所述主燃烧室3长度为100mm，燃烧室室压为2.5mpa，采用铌合金材料；主燃烧室3与主路喷注器2采用电子束焊接的方式相连；发动机喷管4为拉瓦尔喷管，采用电子束焊的方式与主燃烧室3相连。
52.本发明还提供了一种航天器，采用所述的分级非催化点火无毒单组元发动机。
53.本发明为了实现更大推力无毒单组元发动机的非催化点火和工作，采用分级点火的无毒单组元发动机。分级点火即首先用一定的能量引燃支路的一小股推进剂，再用支路产生的高温燃气来点燃主路推进剂，从而实现更大推力无毒单组元发动机的可靠点火。本发明通过分级点火，实现了发动机较大推力的输出；本发明不采用常规催化点火方案，可以大幅节省贵金属催化剂的费用，并且可以实现发动机更高的比冲性能。本发明采用分级非催化点火方案，可以克服大流量无毒单组元推进剂难以点火的问题，能实现发动机数十牛、数百牛甚至更大推力的输出；并且发动机采用非催化点火方案，无需使用贵金属催化剂，可以节省昂贵催化剂的费用，且可以规避催化剂耐温能力限制、贵金属原材料难以自主可控等问题。
54.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，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技术的限制。
55.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。