CN106194502B - 一种固液姿控火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固液姿控火箭发动机，包括：氧化剂输送***、直动式电磁阀、蜂窝式催化床、燃烧室与喷管。输送***采用氮气挤压式供给过氧化氢，由直动式电磁阀控制过氧化氢的供给量，使得固液姿控发动机能够快速响应；采用蜂窝式催化床催化，氧化剂分解产生高温氧气，通过喷注面板进入燃烧室；端燃药柱中间开有6个通道，高温氧气经过这些通道到达药柱断面，与HTPB分解的产物1‑3丁二烯发生燃烧反应，发动机开始工作。本发明采用双模式工作，兼具了单组元姿控发动机结构简单、可靠性高和双组元姿控发动机比冲高、开关迅速的优点；且结构简单、成本低、安全性好、环保性好。

Description

一种固液姿控火箭发动机

技术领域

本发明属于火箭发动机设计领域，涉及一种火箭发动机，具体来说是一种固液姿控火箭发动机，作为一种辅助动力***进行航天器的姿态控制。

背景技术

固液火箭发动机采用液体氧化剂和固体燃料，结构上兼备了液体火箭发动机和固体火箭发动机的共同特点，具有安全性好、容易进行推力调节、药柱稳定性好、环保性好、易关机和重新启动、经济性好等优点，可用于探空火箭、姿轨控发动机、变推力发动机等领域。

同时，固液火箭发动机也存在装填密度低、燃烧效率低、氧燃比会发生变化的缺点。

过氧化氢用作固液火箭发动机的氧化剂，具有无毒、无污染、高密度、易贮存、分解产生大的体积膨胀和热量等优点，是一种理想的绿色推进剂。固液火箭发动机与过氧化氢氧化剂配合使用的常用端羟基聚丁二烯(HTPB)、高密度聚乙烯(HDPE)、有机玻璃(PMMA)等。

目前的单组元姿控发动机主要采用肼类燃料催化分解，但是比推力低，催化剂来源受限，并需要对头部进行预热；双组元姿控发动机的推进剂限于肼类和N2O4，且结构复杂。

过氧化氢固液火箭发动机常用的点火方案有：催化点火，固体药盒点火，喷入自燃氧化剂点火，点火发动机点火。其中，固体药盒点火安全性差，药盒在前燃室内需要做热防护，药盒金属部分容易脱落对喷管造成潜在的危险；吸入自燃氧化剂点火***复杂，需要额外的氧化剂供应***；点火发动机点火容易产生点火超压，且点火时温度过高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明专利提出一种结构简单、成本低、安全性好、环保性好的端燃装药固液姿控火箭发动机，包括一种固液姿控火箭发动机，其特征在于：包括电磁阀、催化床、燃烧室和喷管，由前至后同轴相接构成；由输送***供给氧化剂。

所述电磁阀包括电磁阀阀体、衔铁、文氏管、底座、电磁线圈与弹簧。其中，电磁阀阀体后端端部安装有底座；且电磁阀阀体外壁周向上开槽缠绕电磁线圈。电磁阀阀体的后部设计有衔铁容腔，内部设置衔铁。电磁阀阀体前部设计有与衔铁容腔连通的氧化剂通道A，氧化剂通道A内部安装有文氏管。衔铁前端面与电磁阀阀体间设置有弹簧。底座前部开有药柱腔，药柱腔内部安装有环形药柱。底座后部开有氧化剂通道B。衔铁内还设计有周向均布的氧化剂通道C。上述氧化剂通道A、氧化剂通道B与氧化剂通道C连通构成氧化剂通路。衔铁后端设计有密封头；电磁线圈通电时，使密封头顶在底座上，将氧化剂通道B前端部，截断氧化剂供给通路。

所述催化床为蜂窝式结构，包括催化床壳体、液体均流板、气体喷注面板与催化网。催化床壳体内部前端与后端分别安装液体均流板与气体喷注面板，液体均流板与气体喷注面板间安装催化网。

所述燃烧室内药柱的中部周向上均匀开设有贯通药柱前后端面的高硅氧通道，高硅氧通道内壁及药柱前端面上均由高硅氧包覆。

本发明的优点在于：

1、本发明固液姿控火箭发动机，采用双模式工作，兼具了单组元姿控发动机结构简单、可靠性高和双组元姿控发动机比冲高、开关迅速的优点；

2、本发明固液姿控火箭发动机，在装药设计上，采用端面燃烧装药药形，可以提高药柱的装填分数、减小发动机的长细比、维持燃烧过程中氧燃比的稳定，并且可以减少发动机的余药质量；

3、本发明固液姿控火箭发动机，输送***采用两套气瓶贮箱作为冗余设计，可以提高***的可靠性；

4、本发明固液姿控火箭发动机，采用高浓度过氧化氢和HTPB作为推进剂，HTPB与三元乙丙橡胶直接浇筑在燃烧室内，结构可靠、环保性好；

5、本发明固液姿控火箭发动机，在发动机工作过程中，保持端面燃烧的状态，由于燃烧区域远离催化床和阀门，热防护容易实现；

6、本发明固液姿控火箭发动机，固液火箭发动机端面燃料在氧化剂流量固定时，燃料流量不发生变化，避免了氧燃比变化引起的比冲损失；

7、本发明固液姿控火箭发动机，固液火箭发动机燃料的流量随着氧化剂的变化而变化，易于通过调节氧化剂流量实现发动机推力的调节。

附图说明

图1为本发明固液姿控火箭发动机整体结构示意图；

图2为本发明固液姿控火箭发动机中电磁阀结构示意图；

图3为本发明固液姿控火箭发动机中催化床结构示意图；

图4为本发明固液姿控火箭发动机中燃烧室结构示意图。

图5为本发明固液姿控火箭发动机过氧化氢输送***结构示意图。

图中：

1-电磁阀 2-催化床 3-燃烧室

4-喷管 5-输送*** 101-电磁阀阀体

102-衔铁 103-文氏管 104-底座

105-电磁线圈 106-罩壳 107-弹簧

108-氧化剂通道A 109-氧化剂通道B 110-氧化剂通道C

111-密封头 201-催化床壳体 202-液体均流板

203-气体喷注面板 204-催化网 301-燃烧室壳体

302-绝热层 303-药柱 501-氦气充气泄出手阀

502-氦气瓶 503-节流电磁阀 504-过氧化氢贮箱

505-安全阀 506-隔离电磁阀

具体实施方案

下面结合附图对本发明专利做进一步的说明。

本发明专利提出一种固液姿控火箭发动机，为电磁阀1、催化床2、燃烧室3和喷管4由前至后同轴相接构成，并采用输送***5供给氧化剂，如图1所示。

所述电磁阀1为直动式电磁阀，包括电磁阀阀体101、衔铁102、文氏管103、底座104、电磁线圈105、罩壳106与弹簧107，如图2所示。其中，电磁阀阀体101为柱状结构，后端端部安装有底座104；且电磁阀阀体101外壁周向上开槽，槽内缠绕有电磁线圈105，电磁线圈105通过电磁阀阀体101外壁上套装的罩壳106密封。电磁阀阀体101的后部同轴设计有衔铁容腔，衔铁容腔内同轴设置有柱状软磁合金1J50材料的衔铁102，且衔铁102与电磁阀阀体101之间采用氟橡胶O型圈密封，保证电磁阀1与多种介质的相容性。电磁阀阀体101前部同轴设计有与衔铁容腔连通的氧化剂通道A108，氧化剂通道A108内部前端同轴安装有文氏管103，流体(氧化剂)由氧化剂通道A108前端进入，由文氏管103对流体流量进行控制。氧化剂通道A108后端设计为大直径段空腔，与衔铁102前端端面上同轴设计的开孔共同构成弹簧腔，内部设置有弹簧107，弹簧107的前端伸入大直径段内通过台肩定位；弹簧107的后端伸入开孔内定位。底座104前部开有药柱腔，药柱腔与衔铁容腔连通，药柱腔内部安装有环形药柱110；底座104后部开有与药柱腔连通氧化剂通道B109。上述衔铁102内还设计有周向均布的n条氧化剂通道C110，n≥2，且n条氧化剂通道C110的前端汇集连通后与弹簧腔连通，n条氧化剂通道C110后端与药柱腔连通；由此通过氧化剂通道A108、氧化剂通道B109与氧化剂通道C110共同构成氧化剂通路，流体依次经氧化剂通道A108、弹簧腔、氧化剂通道B109、药柱腔、氧化剂通道C110后，进入催化床2。衔铁102后端端部同轴设计有密封头111；未通电时，衔铁102在弹簧力的作用下，使密封头顶在底座104上，并将氧化剂通道B109前端部，由此截断氧化剂供给通路；此时电磁阀1处于关闭状态。通电后，在电磁线圈105磁场力的作用下，衔铁102受到电磁阀阀体101的吸引，克服弹簧力，衔铁102向前移动，此时，密封头111与底座104分离，导通氧化剂供给通路，使流体进入氧化剂通道C110，并由电磁阀1的出口流出。断电后，磁力消失，通过弹簧力使得衔铁102回到初始位置，截断氧化剂供给通路，电磁阀1处于关闭状态。上述电磁阀1由于流体压力作用在密封头111的侧面，故密封弹簧力、开启电磁力受流体压力的影响较小。本发明中电磁阀阀体101采用不锈钢1Cr18NI9Ti与软磁合金1J50焊接后精加工而成，增大通电情况下与衔铁102的磁力，

所述催化床2为蜂窝式结构，包括催化床壳体201、液体均流板202、气体喷注面板203与催化网204，如图3所示，均采用不锈钢材质。其中，催化床壳体201为筒状结构，前端具有接头，与电磁阀1的出口连通。催化床壳体201内部前端与后端分别同轴安装有液体均流板202与气体喷注面板203，液体均流板202与气体喷注面板203间安装有催化网204。本发明中催化网204选用蜂窝型整体催化剂床，催化剂的载体是堇青石蜂窝陶瓷，优化后的催化床2启动延迟时间能到100ms。本发明中液体均流板202采用莲蓬式喷注方案，使过氧化氢均匀进入催化床，充分利用催化床2性能，同时避免局部过热引起过氧化氢***。由此，经电磁阀1流出的过氧化氢，进入催化床壳体201内，经液体均流板202均匀喷注到催化网204上，在催化剂的作用下分解为水和气氧，并释放出大量的热，产生高温水蒸汽和氧气的混合物，并通过气体喷注面板204使催化后高温气体均匀进入燃烧室3。

所述燃烧室3包括燃烧室壳体301、绝热层302与药柱303，如图4所示。其中，燃烧室壳体301采用不锈钢材质，前端与催化床壳体1后端连通。燃烧室壳体301内部设置有药柱303，药柱303采用端羟基聚丁二烯(HTPB)。燃烧室壳体301内壁上安装有绝热层302，绝热层302采用三元乙丙橡胶；且绝热层采取不等厚设计，厚度由燃烧室壳前端至后端逐渐减小，由此可节约材料的成本，并且减轻发动机的质量。燃烧室壳体301后端与铌钨合金材料的喷管4前端间周向台肩配合定位并固定，且相接处安装有高硅氧绝热板305，起到隔热的作用。上述药柱303中部周向上均匀开设有6个贯通药柱303前后端面的高硅氧通道304，高硅氧通道304内壁及药柱303前端面上均由高硅氧包覆，可以防止在高硅氧通道304内产生侧燃，同时高硅氧盘还可防止热量回流进入催化床2中。由此，进入燃烧室3内高温氧气通过药柱303前端面进入高硅氧通道304中，流入药柱303后端与燃烧室3后端间形成的后燃室，药柱303在高温的作用下分解，产生1-3丁二烯(C4H8)，在药柱303后端面与氧气发生燃烧反应，并保持端燃的状态，最终高温燃气通过喷管4喷出产生推力。

所述输送装置5采用氦气挤压式输送装置，具有两套气瓶贮箱输送***5，两套气瓶贮箱输输送***互为冗余，均可实现固液姿控火箭发动机的氧化剂输送，提高输送装置的可靠性，如图5所示。所述气瓶贮箱输送***包括氦气充气泄出手阀501、氦气瓶502、节流电磁阀503、过氧化氢贮箱504、安全阀505与隔离电磁阀506。其中，氦气瓶502顶部通过充气管路连接氦气充气泄出手阀501，氦气由充气管路冲入氦气瓶502中，通过氦气充气泄出手阀501控制向氦气瓶502的充入和泄出氦气。氦气瓶502和过氧化氢贮箱504间通过安装有含节流孔板的节流电磁阀503的管路相连；过氧化氢贮箱504上安装有压力表P1，用来采集氧化氢贮箱504内压力，根据氧化氢贮箱504内压力，控制节流电磁阀开关，进而维持过氧化氢贮箱504内的压力平稳。氧化氢贮箱504上还通过管路连接有安全阀505，当氧化氢贮箱504超压时，通过开启安全阀505进行泄压。过氧化氢贮箱504底部与输送管路相连，输送管路上安装有隔离电磁阀506，用来控制输送管路的通断。上述两套气瓶贮箱输送***中输送管路通过总管路与电磁阀阀体101中氧化剂通道A108的前端连通。由此当隔离电磁阀506打开时，过氧化氢贮箱504内的过氧化氢可进入电磁阀阀体101内。上述氧化氢贮箱504选用囊式贮箱，具有排空效率高、相容性好等优点。

Claims (8)

1.一种固液姿控火箭发动机，其特征在于：包括电磁阀、催化床、燃烧室和喷管，由前至后同轴相接构成；由输送***供给氧化剂；

所述电磁阀包括电磁阀阀体、衔铁、文氏管、底座、电磁线圈与弹簧；其中，电磁阀阀体后端端部安装有底座；且电磁阀阀体外壁周向上开槽缠绕电磁线圈；电磁阀阀体的后部设计有衔铁容腔，内部设置衔铁；电磁阀阀体前部设计有与衔铁容腔连通的氧化剂通道A，氧化剂通道A内部安装有文氏管；衔铁前端面与电磁阀阀体间设置有弹簧；底座前部开有药柱腔，药柱腔内部安装有环形药柱；底座后部开有氧化剂通道B；上述衔铁内还设计有周向均布的氧化剂通道C；上述氧化剂通道A、氧化剂通道B与氧化剂通道C连通构成氧化剂通路；衔铁后端设计有密封头；电磁线圈通电时，使密封头顶在底座上，将氧化剂通道B前端部，截断氧化剂供给通路；

所述催化床为蜂窝式结构，包括催化床壳体、液体均流板、气体喷注面板与催化网；催化床壳体内部前端与后端分别安装液体均流板与气体喷注面板，液体均流板与气体喷注面板间安装催化网；

所述燃烧室内药柱的中部周向上均匀开设有贯通药柱前后端面的高硅氧通道，高硅氧通道内壁及药柱前端面上均由高硅氧包覆。

2.如权利要求1所述一种固液姿控火箭发动机，其特征在于：燃烧室壳体内壁上安装有由前至后厚度逐渐减小的绝热层。

3.如权利要求1所述一种固液姿控火箭发动机，其特征在于：燃烧室壳体后端与喷管前端相接处安装有高硅氧绝热板。

4.如权利要求1所述一种固液姿控火箭发动机，其特征在于：催化网选用蜂窝型整体催化剂床，催化剂的载体是堇青石蜂窝陶瓷。

5.如权利要求1所述一种固液姿控火箭发动机，其特征在于：电磁阀阀体采用不锈钢1Cr18NI9Ti与软磁合金1J50焊接后精加工而成。

6.如权利要求1所述一种固液姿控火箭发动机，其特征在于：药柱采用端羟基聚丁二烯。

7.如权利要求1所述一种固液姿控火箭发动机，其特征在于：输送装置采用氦气挤压式输送装置，包括氦气充气泄出手阀、氦气瓶、含节流孔板电磁阀、过氧化氢贮箱、安全阀与隔离电磁阀；其中，氦气瓶顶部通过充气管路连接氦气充气泄出手阀，氦气瓶和过氧化氢贮箱间通过安装有含节流孔板电磁阀的管路相连；过氧化氢贮箱上安装有压力表；过氧化氢贮箱上还通过管路连接有安全阀；过氧化氢贮箱底部与输送管路相连，输送管路上安装有隔离电磁阀；输送管路与电磁阀阀体中氧化剂通路入口连通。

8.如权利要求1所述一种固液姿控火箭发动机，其特征在于：输送***采用两套，互为冗余。