一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器的制作方法

本发明涉及一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，属于航天。

背景技术：

1、双组元液体火箭发动机的喷注器一般由多个喷嘴通过同心圆排列，如图1所示。喷嘴型式包括同轴直流、同轴离心等不同类型。喷注器一般为三底、两腔结构。图2为同轴离心喷嘴结构示意图，图中1为氢喷嘴，2为氧喷嘴，3为第一底，4为第二底。如图3所示为三底两腔喷注器结构示意图，图中，1为燃料入口，2为氧化剂入口，3为第一底，4为第二底，5为第三底，6为火药点火器，7为喷嘴，8为中心孔。

2、除采用自燃推进剂和化学点火剂外，采用非自燃推进剂的液体火箭发动机均需通过外能源点火，目前普遍采用的是火药点火和火炬点火(也称火炬式电点火)，将火药或火炬燃气通过喷注器中心孔引入推力室内，实现点火。火药点火结构简单、点火可靠，但存在次数限制，一般不大于2次；火炬点火原理图如图4所示，图中，1为推力室、2为点火室、3为氢入口、4为氧入口、5为氢主阀、6为氧主阀、7为氢点火阀、8为氧点火阀、9为氢主路吹除管路、10为氧主路吹除管路、11为氢点火路吹除管路、12为氧点火路吹除管路、13为氢点火路节流元件、14为氧点火路节流元件、15为中心孔。火炬点火可实现多次点火，但需设置点火阀门、点火管路、节流元件和吹除防护单向阀等零组件，结构复杂、可靠性偏低。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：针对现有火药点火方案点火次数受限、火炬点火方案点火系统复杂、火炬点火与火药点火两种方案不能兼顾等不足，提供了一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，既能简化电点火系统、实现多次点火，又可兼顾火药点火，实现冗余备份，可大幅提高点火可靠性。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，包括多个点火喷嘴，每个点火喷嘴均包括：燃料喷嘴、氧化剂喷嘴、中心电极、绝缘套管、半导体、插孔、锁紧螺帽和屏蔽电缆；

4、中心电极的下部套有半导体，上部套有绝缘套管，中心电极、半导体和绝缘套管共同形成中心电嘴，绝缘套管用于将中心电极与金属结构隔开绝缘；锁紧螺母中心设置有插孔，中心电极上部插入该插孔中，锁紧螺母用于固定中心电嘴；中心电嘴外侧从里到外分别为氧化剂喷嘴和燃料喷嘴；第一底和第二底分别安装在燃料喷嘴的底部和上部；中心电极通过屏蔽电缆和绝缘插座穿过第三底引出，连接点火电缆。

5、进一步的，中心电极由高温合金或铜合金制成，半导体采用碳化硅材料，为中空的圆筒形结构。

6、进一步的，中心电极端头与半导体齐平或者突出半导体。

7、进一步的，氧化剂喷嘴内壁设置氧化剂直流槽或螺旋槽，用于满足直流喷注或螺旋喷注；无槽的部位加工台阶，用于支撑半导体，同时缩小点火间隙；氧化剂喷嘴上部设有径向的氧化剂入口小孔，控制氧化剂流量。

8、进一步的，燃料喷嘴设有径向或切向小孔，由小孔控制流量，燃料喷嘴内壁与氧化剂喷嘴外壁之间形成燃料喷注流路。

9、进一步的，氧化剂喷嘴有缩进，提高喷注混合效果。

10、进一步的，燃料喷嘴有翻边，用于固定燃料喷嘴与第一底结构。

11、进一步的，屏蔽电缆芯线与中心电极相连，形成中心电极为正极、氧化剂喷嘴为负极、半导体高压击穿的发火通路，实现点火喷嘴的高频发火。

12、进一步的，还包括微晶玻璃，绝缘插座与第三底之间采用微晶玻璃进行密封，中心电极选用4j29玻封合金，使用微晶玻璃在氮气保护条件下进行烧结；

13、屏蔽电缆与电嘴连接部分采用螺纹连接，将锁紧螺母拧紧在氧化剂喷嘴外壁上，插孔与中心电极相连。

14、进一步的，第三底中心位置还安装有1～2发火药点火器，从而实现电点火和火药点火的冗余。

15、进一步的，在喷注器圆周方向布置多个点火喷嘴，推力室点火时，先打开氧主阀，液氧充填推力室氧头腔并从点火喷嘴和其余喷嘴的氧化剂喷嘴喷出；然后多个点火喷嘴同时通电，在氧化剂喷嘴出口形成高频电火花；最后打开氢主阀，气氢充填氢头腔，并从点火喷嘴和其余喷嘴的燃料喷嘴喷出，喷出的气氢在氧化剂喷嘴出口部位形成涡流。

16、本发明与现有技术相比的有益效果是：

17、(1)本发明提出一种集成电点火功能的喷注器，在普通的同轴喷嘴内集成电点火器，变成点火喷嘴，在喷注器不同位置集成多个点火喷嘴，实现多点冗余点火，从而既实现了多次点火，又可省却火炬点火的一套复杂系统，同时实现了点火冗余，具有较大的技术优势。

18、(2)本发明与火药点火方案相比，增加了点火次数，并且理论上可无限次点火，安装的火药点火仅用于冗余备份，不再成为点火次数限制；

19、(3)本发明与现有火炬点火方案相比，省去了点火室、点火管路、点火阀、点火路节流元件、点火路吹除系统，结构简单、重量轻，并且增加了点火点数量，提高了同步性和冗余能力。尤其是对隔板喷注器，可在每一个隔板单元内布置一个点火喷嘴，极大地提高点火同步性和可靠性；

20、(4)目前的火炬点火系统出现故障后无法拆卸更换，需要分解发动机。本发明可容忍1个点火喷嘴故障，提高了点火系统使用维护性能；

21、(5)本发明将中心电极和半导体浸泡在低温液氧环境中，主级工作时能防止烧蚀。

技术特征：

1.一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于包括多个点火喷嘴，每个点火喷嘴均包括：燃料喷嘴(1)、氧化剂喷嘴(2)、中心电极(3)、绝缘套管(4)、半导体(5)、插孔(9)、锁紧螺帽(10)和屏蔽电缆(11)；

2.根据权利要求1所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：中心电极(3)由高温合金或铜合金制成，半导体(5)采用碳化硅材料，为中空的圆筒形结构。

3.根据权利要求2所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：中心电极(3)端头与半导体(5)齐平或者突出半导体(5)。

4.根据权利要求1所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：氧化剂喷嘴(2)内壁设置氧化剂直流槽(15)或螺旋槽，用于满足直流喷注或螺旋喷注；无槽的部位加工台阶，用于支撑半导体(5)，同时缩小点火间隙；氧化剂喷嘴(2)上部设有径向的氧化剂入口小孔，控制氧化剂流量。

5.根据权利要求1所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：燃料喷嘴(1)设有径向或切向小孔，由小孔控制流量，燃料喷嘴(1)内壁与氧化剂喷嘴(2)外壁之间形成燃料喷注流路(16)。

6.根据权利要求4所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：氧化剂喷嘴(2)有缩进，提高喷注混合效果。

7.根据权利要求1所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：燃料喷嘴(1)有翻边，用于固定燃料喷嘴(1)与第一底(6)结构。

8.根据权利要求1所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：屏蔽电缆(11)芯线与中心电极(3)相连，形成中心电极(3)为正极、氧化剂喷嘴(2)为负极、半导体(5)高压击穿的发火通路，实现点火喷嘴的高频发火。

9.根据权利要求1所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：还包括微晶玻璃(13)，绝缘插座(12)与第三底(8)之间采用微晶玻璃(13)进行密封，中心电极选用4j29玻封合金，使用微晶玻璃(13)在氮气保护条件下进行烧结；

10.根据权利要求1所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：第三底(8)中心位置还安装有1～2发火药点火器，从而实现电点火和火药点火的冗余。

11.根据权利要求1所述的一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，其特征在于：在喷注器圆周方向布置多个点火喷嘴，推力室点火时，先打开氧主阀，液氧充填推力室氧头腔并从点火喷嘴和其余喷嘴的氧化剂喷嘴喷出；然后多个点火喷嘴同时通电，在氧化剂喷嘴出口形成高频电火花；最后打开氢主阀，气氢充填氢头腔，并从点火喷嘴和其余喷嘴的燃料喷嘴喷出，喷出的气氢在氧化剂喷嘴出口部位形成涡流。

技术总结
本发明涉及一种集成电点火功能的液体火箭发动机喷注器，包括燃料喷嘴、氧化剂喷嘴、中心电极、绝缘套管、半导体、第一底、第二底、第三底、屏蔽导线(高压电缆)、绝缘插座、微晶玻璃密封、点火电缆等组件。本发明在普通的同轴喷嘴内集成电点火器，变成点火喷嘴，在喷注器不同位置集成多个点火喷嘴，实现多点冗余点火，从而既实现了多次点火，又可省却火炬点火的一套复杂系统，同时实现了点火冗余，具有较大的技术优势。

技术研发人员：李锦江,申帅帅,刘倩,徐世洋,吴瑾清,徐亚敏,刘刚毅,刘登丰,谢恒,马兵兵
受保护的技术使用者：北京航天动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17