一種固液姿控火箭發動機的製作方法

2023-09-24 05:45:20 1

本發明屬於火箭發動機設計領域，涉及一種火箭發動機，具體來說是一種固液姿控火箭發動機，作為一種輔助動力系統進行太空飛行器的姿態控制。

背景技術：

固液火箭發動機採用液體氧化劑和固體燃料，結構上兼備了液體火箭發動機和固體火箭發動機的共同特點，具有安全性好、容易進行推力調節、藥柱穩定性好、環保性好、易關機和重新啟動、經濟性好等優點，可用於探空火箭、姿軌控發動機、變推力發動機等領域。

同時，固液火箭發動機也存在裝填密度低、燃燒效率低、氧燃比會發生變化的缺點。

過氧化氫用作固液火箭發動機的氧化劑，具有無毒、無汙染、高密度、易貯存、分解產生大的體積膨脹和熱量等優點，是一種理想的綠色推進劑。固液火箭發動機與過氧化氫氧化劑配合使用的常用端羥基聚丁二烯(HTPB)、高密度聚乙烯(HDPE)、有機玻璃(PMMA)等。

目前的單組元姿控發動機主要採用肼類燃料催化分解，但是比推力低，催化劑來源受限，並需要對頭部進行預熱；雙組元姿控發動機的推進劑限於肼類和N2O4，且結構複雜。

過氧化氫固液火箭發動機常用的點火方案有：催化點火，固體藥盒點火，噴入自燃氧化劑點火，點火發動機點火。其中，固體藥盒點火安全性差，藥盒在前燃室內需要做熱防護，藥盒金屬部分容易脫落對噴管造成潛在的危險；吸入自燃氧化劑點火系統複雜，需要額外的氧化劑供應系統；點火發動機點火容易產生點火超壓，且點火時溫度過高。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明專利提出一種結構簡單、成本低、安全性好、環保性好的端燃裝藥固液姿控火箭發動機，包括一種固液姿控火箭發動機，其特徵在於：包括電磁閥、催化床、燃燒室和噴管，由前至後同軸相接構成；由輸送系統供給氧化劑。

所述電磁閥包括電磁閥閥體、銜鐵、文氏管、底座、電磁線圈與彈簧。其中，電磁閥閥體後端端部安裝有底座；且電磁閥閥體外壁周向上開槽纏繞電磁線圈。電磁閥閥體的後部設計有銜鐵容腔，內部設置銜鐵。電磁閥閥體前部設計有與銜鐵容腔連通的氧化劑通道A，氧化劑通道A內部安裝有文氏管。銜鐵前端面與電磁閥閥體間設置有彈簧。底座前部開有藥柱腔，藥柱腔內部安裝有環形藥柱。底座後部開有氧化劑通道B。銜鐵內還設計有周向均布的氧化劑通道C。上述氧化劑通道A、氧化劑通道B與氧化劑通道C連通構成氧化劑通路。銜鐵後端設計有密封頭；電磁線圈通電時，使密封頭頂在底座上，將氧化劑通道B前端部，截斷氧化劑供給通路。

所述催化床為蜂窩式結構，包括催化床殼體、液體均流板、氣體噴注面板與催化網。催化床殼體內部前端與後端分別安裝液體均流板與氣體噴注面板，液體均流板與氣體噴注面板間安裝催化網。

所述燃燒室內藥柱的中部周向上均勻開設有貫通藥柱前後端面的高矽氧通道，高矽氧通道內壁及藥柱前端面上均由高矽氧包覆。

本發明的優點在於：

1、本發明固液姿控火箭發動機，採用雙模式工作，兼具了單組元姿控發動機結構簡單、可靠性高和雙組元姿控發動機比衝高、開關迅速的優點；

2、本發明固液姿控火箭發動機，在裝藥設計上，採用端面燃燒裝藥藥形，可以提高藥柱的裝填分數、減小發動機的長細比、維持燃燒過程中氧燃比的穩定，並且可以減少發動機的餘藥質量；

3、本發明固液姿控火箭發動機，輸送系統採用兩套氣瓶貯箱作為冗餘設計，可以提高系統的可靠性；

4、本發明固液姿控火箭發動機，採用高濃度過氧化氫和HTPB作為推進劑，HTPB與三元乙丙橡膠直接澆築在燃燒室內，結構可靠、環保性好；

5、本發明固液姿控火箭發動機，在發動機工作過程中，保持端面燃燒的狀態，由於燃燒區域遠離催化床和閥門，熱防護容易實現；

6、本發明固液姿控火箭發動機，固液火箭發動機端面燃料在氧化劑流量固定時，燃料流量不發生變化，避免了氧燃比變化引起的比衝損失；

7、本發明固液姿控火箭發動機，固液火箭發動機燃料的流量隨著氧化劑的變化而變化，易於通過調節氧化劑流量實現發動機推力的調節。

附圖說明

圖1為本發明固液姿控火箭發動機整體結構示意圖；

圖2為本發明固液姿控火箭發動機中電磁閥結構示意圖；

圖3為本發明固液姿控火箭發動機中催化床結構示意圖；

圖4為本發明固液姿控火箭發動機中燃燒室結構示意圖。

圖5為本發明固液姿控火箭發動機過氧化氫輸送系統結構示意圖。

圖中：

1-電磁閥 2-催化床 3-燃燒室

4-噴管 5-輸送系統 101-電磁閥閥體

102-銜鐵 103-文氏管 104-底座

105-電磁線圈 106-罩殼 107-彈簧

108-氧化劑通道A 109-氧化劑通道B 110-氧化劑通道C

111-密封頭 201-催化床殼體 202-液體均流板

203-氣體噴注面板 204-催化網 301-燃燒室殼體

302-絕熱層 303-藥柱 501-氦氣充氣洩出手閥

502-氦氣瓶 503-節流電磁閥 504-過氧化氫貯箱

505-安全閥 506-隔離電磁閥

具體實施方案

下面結合附圖對本發明專利做進一步的說明。

本發明專利提出一種固液姿控火箭發動機，為電磁閥1、催化床2、燃燒室3和噴管4由前至後同軸相接構成，並採用輸送系統5供給氧化劑，如圖1所示。

所述電磁閥1為直動式電磁閥，包括電磁閥閥體101、銜鐵102、文氏管103、底座104、電磁線圈105、罩殼106與彈簧107，如圖2所示。其中，電磁閥閥體101為柱狀結構，後端端部安裝有底座104；且電磁閥閥體101外壁周向上開槽，槽內纏繞有電磁線圈105，電磁線圈105通過電磁閥閥體101外壁上套裝的罩殼106密封。電磁閥閥體101的後部同軸設計有銜鐵容腔，銜鐵容腔內同軸設置有柱狀軟磁合金1J50材料的銜鐵102，且銜鐵102與電磁閥閥體101之間採用氟橡膠O型圈密封，保證電磁閥1與多種介質的相容性。電磁閥閥體101前部同軸設計有與銜鐵容腔連通的氧化劑通道A108，氧化劑通道A108內部前端同軸安裝有文氏管103，流體(氧化劑)由氧化劑通道A108前端進入，由文氏管103對流體流量進行控制。氧化劑通道A108後端設計為大直徑段空腔，與銜鐵102前端端面上同軸設計的開孔共同構成彈簧腔，內部設置有彈簧107，彈簧107的前端伸入大直徑段內通過臺肩定位；彈簧107的後端伸入開孔內定位。底座104前部開有藥柱腔，藥柱腔與銜鐵容腔連通，藥柱腔內部安裝有環形藥柱110；底座104後部開有與藥柱腔連通氧化劑通道B109。上述銜鐵102內還設計有周向均布的n條氧化劑通道C110，n≥2，且n條氧化劑通道C110的前端匯集連通後與彈簧腔連通，n條氧化劑通道C110後端與藥柱腔連通；由此通過氧化劑通道A108、氧化劑通道B109與氧化劑通道C110共同構成氧化劑通路，流體依次經氧化劑通道A108、彈簧腔、氧化劑通道B109、藥柱腔、氧化劑通道C110後，進入催化床2。銜鐵102後端端部同軸設計有密封頭111；未通電時，銜鐵102在彈簧力的作用下，使密封頭頂在底座104上，並將氧化劑通道B109前端部，由此截斷氧化劑供給通路；此時電磁閥1處於關閉狀態。通電後，在電磁線圈105磁場力的作用下，銜鐵102受到電磁閥閥體101的吸引，克服彈簧力，銜鐵102向前移動，此時，密封頭111與底座104分離，導通氧化劑供給通路，使流體進入氧化劑通道C110，並由電磁閥1的出口流出。斷電後，磁力消失，通過彈簧力使得銜鐵102回到初始位置，截斷氧化劑供給通路，電磁閥1處於關閉狀態。上述電磁閥1由於流體壓力作用在密封頭111的側面，故密封彈簧力、開啟電磁力受流體壓力的影響較小。本發明中電磁閥閥體101採用不鏽鋼1Cr18NI9Ti與軟磁合金1J50焊接後精加工而成，增大通電情況下與銜鐵102的磁力，

所述催化床2為蜂窩式結構，包括催化床殼體201、液體均流板202、氣體噴注面板203與催化網204，如圖3所示，均採用不鏽鋼材質。其中，催化床殼體201為筒狀結構，前端具有接頭，與電磁閥1的出口連通。催化床殼體201內部前端與後端分別同軸安裝有液體均流板202與氣體噴注面板203，液體均流板202與氣體噴注面板203間安裝有催化網204。本發明中催化網204選用蜂窩型整體催化劑床，催化劑的載體是堇青石蜂窩陶瓷，優化後的催化床2啟動延遲時間能到100ms。本發明中液體均流板202採用蓮蓬式噴注方案，使過氧化氫均勻進入催化床，充分利用催化床2性能，同時避免局部過熱引起過氧化氫爆炸。由此，經電磁閥1流出的過氧化氫，進入催化床殼體201內，經液體均流板202均勻噴注到催化網204上，在催化劑的作用下分解為水和氣氧，並釋放出大量的熱，產生高溫水蒸汽和氧氣的混合物，並通過氣體噴注面板204使催化後高溫氣體均勻進入燃燒室3。

所述燃燒室3包括燃燒室殼體301、絕熱層302與藥柱303，如圖4所示。其中，燃燒室殼體301採用不鏽鋼材質，前端與催化床殼體1後端連通。燃燒室殼體301內部設置有藥柱303，藥柱303採用端羥基聚丁二烯(HTPB)。燃燒室殼體301內壁上安裝有絕熱層302，絕熱層302採用三元乙丙橡膠；且絕熱層採取不等厚設計，厚度由燃燒室殼前端至後端逐漸減小，由此可節約材料的成本，並且減輕發動機的質量。燃燒室殼體301後端與鈮鎢合金材料的噴管4前端間周向臺肩配合定位並固定，且相接處安裝有高矽氧絕熱板305，起到隔熱的作用。上述藥柱303中部周向上均勻開設有6個貫通藥柱303前後端面的高矽氧通道304，高矽氧通道304內壁及藥柱303前端面上均由高矽氧包覆，可以防止在高矽氧通道304內產生側燃，同時高矽氧盤還可防止熱量回流進入催化床2中。由此，進入燃燒室3內高溫氧氣通過藥柱303前端面進入高矽氧通道304中，流入藥柱303後端與燃燒室3後端間形成的後燃室，藥柱303在高溫的作用下分解，產生1-3丁二烯(C4H8)，在藥柱303後端面與氧氣發生燃燒反應，並保持端燃的狀態，最終高溫燃氣通過噴管4噴出產生推力。

所述輸送裝置5採用氦氣擠壓式輸送裝置，具有兩套氣瓶貯箱輸送系統5，兩套氣瓶貯箱輸輸送系統互為冗餘，均可實現固液姿控火箭發動機的氧化劑輸送，提高輸送裝置的可靠性，如圖5所示。所述氣瓶貯箱輸送系統包括氦氣充氣洩出手閥501、氦氣瓶502、節流電磁閥503、過氧化氫貯箱504、安全閥505與隔離電磁閥506。其中，氦氣瓶502頂部通過充氣管路連接氦氣充氣洩出手閥501，氦氣由充氣管路衝入氦氣瓶502中，通過氦氣充氣洩出手閥501控制向氦氣瓶502的充入和洩出氦氣。氦氣瓶502和過氧化氫貯箱504間通過安裝有含節流孔板的節流電磁閥503的管路相連；過氧化氫貯箱504上安裝有壓力表P1，用來採集氧化氫貯箱504內壓力，根據氧化氫貯箱504內壓力，控制節流電磁閥開關，進而維持過氧化氫貯箱504內的壓力平穩。氧化氫貯箱504上還通過管路連接有安全閥505，當氧化氫貯箱504超壓時，通過開啟安全閥505進行洩壓。過氧化氫貯箱504底部與輸送管路相連，輸送管路上安裝有隔離電磁閥506，用來控制輸送管路的通斷。上述兩套氣瓶貯箱輸送系統中輸送管路通過總管路與電磁閥閥體101中氧化劑通道A108的前端連通。由此當隔離電磁閥506打開時，過氧化氫貯箱504內的過氧化氫可進入電磁閥閥體101內。上述氧化氫貯箱504選用囊式貯箱，具有排空效率高、相容性好等優點。