基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器

本发明涉及针栓变推力发动机设计领域，特别是基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器。

背景技术：

1、变推力火箭发动机可以实现最佳的推力控制，在载人航天、空间交会对接与轨道机动和行星软着陆探测等航天任务中拥有独特优势。为了保证在流量大范围变化时发动机可以保持高性能的工作，变推力发动机一般采用特殊的喷注器、燃烧室和喷管构型与设计，其中喷注器设计技术是变推力发动机的核心技术之一。推进剂流量大范围变化时，针栓喷注器可通过调节喷注面积保持推进剂喷注压降在合理范围内，从而使发动机在推力大范围调节时保持较高的燃烧效率。

2、对于液体推进剂，其液体流量与面积和压降的平方根呈正比。故而，当需要在大范围调节流量，且使压降保持合理范围内，只需要对面积进行调节即可。

3、对于气体推进剂，其气体流量与面积和上下游的压力比有关。

4、故而，现有的针栓喷注器，主要针对两种液体推进剂，还不能适用于含有气体推进剂的火箭发动机。然而，目前部分双组元液体火箭发动机，为提高燃料供给效率，会采用膨胀循环或部分补燃循环，此时，两种推进剂则需要分别以气态和液态的形态进入燃烧室。

5、为此，我们需要研发一种能针对气液双组元推进剂的针栓喷注器。

6、另外，现有液液双组元推进剂的针栓喷注器，在使用过程中，还存在着如下不足，有待进行改进：

7、1、通过位于燃烧室内的针栓头部轴向移动，调节液体喷射面积，进而调节液体流量。这种调节方式，由于针栓头部位于燃烧室内的，当其轴向移动时，其对燃烧室的流场产生扰动，将改变针栓头部的受热情况，不利于对针栓头部进行热防护。

8、2.在使用外部针栓套筒调节针栓面积时，因需要克服燃烧室压力，液体推进剂在通过外部针栓套筒时容易贴附在针栓套筒边壁上，影响液体推进剂的喷出速度和喷出液柱的完整性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，该基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器能用于气液双组元推进剂的变推力调节，且能避免对燃烧室流场影响，并保证喷注液柱的速度和完整性。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，包括喷注器主体、针栓和针栓杆。

4、喷注器主体安装在变推力发动机的燃烧室的喷注端面上；喷注器主体具有中心腔和喷注孔；其中，喷注孔连通中心腔和燃烧室；喷注器主体侧壁设有连通中心腔的气体推进剂入口通道。

5、针栓同轴插设在喷注器主体的中心，包括一体设置的针栓本体和针栓尾端。

6、针栓尾端与喷注器主体的中心腔尾部密封连接；针栓尾端中心设置有集液腔，针栓尾端侧壁设置有连通集液腔的液体推进剂入口通道。

7、针栓本体同轴插设在中心腔和喷注孔内，且针栓本体头部伸入燃烧室内；针栓本体与中心腔内壁面之间形成为环形的集气腔；针栓本体与喷注孔内壁面之间形成为环缝式的气体喷嘴。

8、针栓本体中心设置有与集液腔相连通的液体推进剂流道。

9、位于燃烧室内的针栓本体侧壁沿周向均匀布设有若干个液体喷嘴。

10、针栓杆同轴插设在集液腔和液体推进剂流道内；针栓杆尾端与位于液体推进剂入口通道上游的集液腔内壁面密封滑动连接；针栓杆头部外周同轴设置有密封堵头；密封堵头沿周向均匀布设有若干个液体连通孔；密封堵头外壁面与液体喷嘴所在的液体推进剂流道内壁面密封滑动连接。

11、针栓杆能在外部驱动装置的作用下，沿轴向滑移，从而能将每个液体喷嘴部分或全部密封封堵，从而调节液体推进剂的流量。

12、每个液体喷嘴均为矩形喷口，矩形喷口的长和宽分别为l和b；每个液体喷嘴的喷注面积为b*l*；其中，l*为每个液体喷嘴未被密封封堵的长度，且0≤l*<l。

13、设液体喷嘴的总数量为n，针栓杆头部外径为dz，则n与b的选择需满足如下公式：

14、

15、式中，a为阻塞比最小值，b为阻塞比最大值，且0＜a＜b＜1。

16、a＝0.3，b＝0.7。

17、针栓本体包括一体设置的中空圆柱杆部和半球形头部。

18、液体喷嘴沿周向均匀布设在中空圆柱杆部的头部外周，且每个液体喷嘴距离中空圆柱杆部的头部平面之间的间距为lm，则lm的取值范围为：0.4mm<lm<1mm。

19、半球形头部中心设置有液体推进剂缓冲腔。

20、液体推进剂缓冲腔的纵截面呈倒三角形。

21、在气体喷嘴的环缝面积保持不变的情况下，通过调整燃烧室与集气腔的压力比，实现气体推进剂的流量变化。

22、针栓尾端包括一体设置的尾端大圆柱部和尾端小圆柱部。

23、尾端小圆柱部与喷注器主体的中心腔尾部密封连接；尾端大圆柱部安装在喷注器主体的外端面上，液体推进剂入口通道设置在尾端大圆柱部侧壁。

24、密封堵头上的每个液体连通孔均为扇形孔，相邻两个扇形孔之间的连接筋厚度最小不小于3mm，设所有扇形孔的流通面积面积之和为a，则a＞b*l。

25、本发明具有如下有益效果：

26、本发明调节针栓面积的针栓杆位于喷注器主体内部，喷注器主体在燃烧室内部没有活动部件，因而，在变推力调节面积的时候，能减少对燃烧室内部的扰动影响。同时，在移动针栓杆时，不需要克服燃烧室的压力，因而能减少针栓对喷出液柱的喷出速度和完整性的影响。

技术特征：

1.基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：包括喷注器主体、针栓和针栓杆；

2.根据权利要求1所述的基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：每个液体喷嘴均为矩形喷口，矩形喷口的长和宽分别为l和b；每个液体喷嘴的喷注面积为b*l*；其中，l*为每个液体喷嘴未被密封封堵的长度，且0≤l*<l。

3.根据权利要求2所述的基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：设液体喷嘴的总数量为n，针栓杆头部外径为dz，则n与b的选择需满足如下公式：

4.根据权利要求3所述的基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：a＝0.3，b＝0.7。

5.根据权利要求1所述的基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：半球形头部中心设置有液体推进剂缓冲腔。

7.根据权利要求6所述的基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：液体推进剂缓冲腔的纵截面呈倒三角形。

8.根据权利要求1所述的基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：在气体喷嘴的环缝面积保持不变的情况下，通过调整燃烧室与集气腔的压力比，实现气体推进剂的流量变化。

9.根据权利要求1所述的基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：

10.根据权利要求2所述的基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，其特征在于：密封堵头上的每个液体连通孔均为扇形孔，相邻两个扇形孔之间的连接筋厚度最小不小于3mm，设所有扇形孔的流通面积面积之和为a，则a＞b*l。

技术总结
本发明公开了基于气液双组元推进剂变推力发动机的针栓喷注器，包括喷注器主体、针栓和针栓杆；喷注器主体安装在变推力发动机的燃烧室的喷注端面上；喷注器主体具有中心腔和喷注孔；针栓包括一体设置的针栓本体和针栓尾端；针栓本体与中心腔内壁面间形成为环形的集气腔；针栓本体与喷注孔内壁面之间形成环缝式的气体喷嘴；位于燃烧室内的针栓本体侧壁沿周向均匀布设有若干个液体喷嘴；针栓杆头部外周同轴设有密封堵头；密封堵头沿周向均匀布设有若干个液体连通孔；密封堵头外壁面与液体喷嘴所在的液体推进剂流道内壁面密封滑动连接。本发明能用于气液双组元推进剂的变推力调节，且能避免对燃烧室流场影响，并保证喷注液柱的速度和完整性。

技术研发人员：李庚,钟战,陈朋,刘国栋,黄卫东,聂万胜
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15