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CN105715409A - 一种环形固液催化点火发动机 - Google Patents

一种环形固液催化点火发动机 Download PDF

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CN105715409A
CN105715409A CN201610022559.3A CN201610022559A CN105715409A CN 105715409 A CN105715409 A CN 105715409A CN 201610022559 A CN201610022559 A CN 201610022559A CN 105715409 A CN105715409 A CN 105715409A
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CN
China
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solid
engine
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catalytic
annular
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Application number
CN201610022559.3A
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English (en)
Inventor
俞南嘉
张源俊
赵胜
赵博
孙兴亮
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Beihang University
Original Assignee
Beihang University
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/72—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid and solid propellants, i.e. hybrid rocket-engine plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/95—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof characterised by starting or ignition means or arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
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    • F05D2260/99—Ignition, e.g. ignition by warming up of fuel or oxidizer in a resonant acoustic cavity

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

本发明公开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。本发明安装容易，体积小，加工方便，可以直接替代固体药盒用于固液火箭发动机的点火启动；易于集成到发动机前燃室，使用方便，安全性好。

Description

一种环形固液催化点火发动机
技术领域
本发明属于火箭发动机启动领域，涉及一种环形固液催化点火发动机，用于火箭发动机的点火启动，尤其适用于固液火箭发动机的多次点火启动。
背景技术
固液火箭发动机采用液体氧化剂和固体燃料，在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、推力调节容易、环保性好、药柱稳定性好、温度敏感性低和经济性好等优点，可用于探空火箭、靶弹、战术导弹等。
固液火箭发动机早起采用硝酸类氧化剂的自燃推进剂组合，但由于能量不高，现今大部分的固液火箭发动机，燃料和氧化剂的物理接触都是惰性的，发动机启动需要点火。
过氧化氢用作火箭发动机氧化剂，具有无毒、无污染、高密度、易贮存、高比热、分解产生大的体积膨胀和热量的优点，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。
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，喷入自燃推进剂点火，点火发动机点火。
催化点火具有点火延迟时间长，总冲损失大，成功点火后，催化床仍处于工作状态，试验中影响催化床的工作寿命。催化点火压降损失大，对于挤压式供应系统增大贮箱压力，加大了系统质量。目前的催化点火技术，用于催化床材料的限制，不适用于高浓度过氧化氢。
固体药盒点火，安全性差，无法实现多次启动，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。
吸入自燃推进剂点火系统复杂，需要额外的推进剂供应系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种环形固液催化点火发动机作为点火发动机，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，喷注器周向上均匀设计有扇形喷注缝隙A；每个喷注缝隙A的入口端铺设有催化网。喷注器内部同轴设置有环形结构的固体药柱；固体药柱周向设计有与喷注器上喷注缝隙A数量相等的扇形喷注缝隙B，且各个喷注缝隙B分别与喷注缝隙A连通。固体药柱内部设置有环形结构的绝热层；绝热层外壁周向上均匀设计有开孔。点火发动机外壳设置在喷注器外侧，内壁与喷注器外壁贴合；点火发动机外壳上开有氧化剂通道与环形流道，氧化剂通道与环形流道，同时各个扇形喷注缝隙A与环形流道连通。
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燃气体，经由各个扇形喷注缝隙A对气体加速，喷射进入点火发动机燃烧室，点燃固体药柱，形成高温燃气，经由绝热层周向分布开孔进入主发动机燃烧室，点燃主发动机。
本发明的优点在于：
1、本发明环形固液催化点火发动机，点火发动机采用催化点火，易于实现多次点火，可以多次启动主发动机；
2、本发明环形固液催化点火发动机安装容易，体积小，可以直接替代固体药盒用于固液火箭发动机的点火启动；
3、本发明环形固液催化点火发动机，采用过氧化氢作为氧化剂，点火发动机直接使用主发动机氧化剂，无需额外搭建点火发动机输送系统；
4、本发明环形固液催化点火发动机中，催化网、喷注器、药柱，均采用环形结构，结构紧凑，加工方便，易于集成到发动机前燃室，使用方便；
5、本发明环形固液催化点火发动机，结构简单、成本低、安全性好。
附图说明
图1为本发明环形固液催化点火发动机结构示意图；
图2为附图1中A部分中催化网和喷注喷注缝隙局部放大图。
图中：
1-喷注器2-固体药柱3-绝热层4-催化网
5-点火发动机外壳101-喷注缝隙A201-喷注缝隙B301-开孔
501-氧化剂通道502-环形流道
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明环形固液催化点火发动机，作为点火发动机，包括喷注器1、固体药柱2、绝热层3、催化网4与点火发动机外壳5。
其中，喷注器1采用不锈钢制成，设计为环型缝隙式喷注器，具体结构为：喷注器1周向上均匀设计有4个弧度80度或6个弧度为50度的扇形喷注缝隙A101，喷注缝隙A101沿喷注器1中截面设计，贯通喷注器1内外侧壁。上述喷注缝隙A101的宽度为0.1mm，且喷注缝隙A101的入口端设计为120度收缩口，出口为15度扩张口，有利于推进剂的加速和均布。每个喷注缝隙A101的入口端铺设有催化网4，通过催化网4将喷注缝隙A101入口端遮挡。催化网4可固定安装在喷注器1外壁上开设的凹槽内。
喷注器1内部同轴设置有环形结构的固体药柱2，固体药柱2外壁与喷注器1内壁周向贴合。固体药柱2周向设计有与喷注器1上喷注缝隙A101数量相等的扇形喷注缝隙B201，且各个喷注缝隙B分别与喷注缝隙A连通，宽度大于喷注缝隙A的宽度。上述固体药柱2采用高密度聚乙烯，聚乙烯成本低，机械加工性能好，易于加工成各种形状。
固体药柱2内部设置有环形结构的绝热层3，用于点火发动机隔热和燃气进入主发动机燃烧室。绝热层3外壁周向上设计有凹槽，同时周向上均匀设计有15个直径为1.5mm的开孔301，开孔301两端贯通凹槽底面与绝热层3内壁。上述绝热层3采用隔热耐烧蚀材料，如：高硅氧材料，由此可避免点火发动机药柱聚乙烯温度过高，保障点火发动机可靠工作，实现点火发动机多次启动。
所述点火发动机外壳5采用不锈钢制成，设置在喷注器1外侧，内壁与喷注器1外壁贴合。点火发动机外壳5上开有氧化剂通道501与环形流道502，氧化剂通道501与环形流道502，同时使催化网4位于环形流道502内，使各个扇形喷注缝隙A101与环形流道502连通。
本发明环形固液催化点火发动机采用90％过氧化氢作为氧化剂，高密度聚乙烯(HDPE)作为燃料。氧化剂从点火发动机外壳5上的氧化剂通道501通入，进入点火发动机外壳内环形流道，随后通过催化网4进行催化分解产生高温富氧气体，经由各个扇形喷注缝隙A101对气体加速，喷射进入点火发动机燃烧室，点燃固体药柱2，形成高温燃气，经由绝热层3周向分布开孔进入主发动机燃烧室，点燃主发动机。
本发明专利环形固液催化点火发动机易于实现多次点火，点火路发动机点火5s后，开启主发动机供给，在点火发动机燃气的作用下点燃固体药柱2，固体药柱2点燃后点火发动机停止工作。由于点火发动机单次点火催化网工作时间短，点火流量小，故易于实现主发动机多次点火，相比于主发动机氧化剂直接进行催化点火，有巨大的优势。

Claims (7)

1.一种环形固液催化点火发动机，其特征在于：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，喷注器周向上均匀设计有扇形喷注缝隙A；每个喷注缝隙A的入口端铺设有催化网；喷注器内部同轴设置有环形结构的固体药柱；固体药柱周向设计有与喷注器上喷注缝隙A数量相等的扇形喷注缝隙B，且各个喷注缝隙B分别与喷注缝隙A连通；固体药柱内部设置有环形结构的绝热层；绝热层外壁周向上均匀设计有开孔；点火发动机外壳设置在喷注器外侧，内壁与喷注器外壁贴合；点火发动机外壳上开有氧化剂通道与环形流道，氧化剂通道与环形流道，同时各个扇形喷注缝隙A与环形流道连通。
2.如权利要求1所述一种环形固液催化点火发动机，其特征在于：喷注缝隙为4个弧度为80度的扇形喷注缝隙A。
3.如权利要求1所述一种环形固液催化点火发动机，其特征在于：喷注缝隙A为6个弧度为50度的扇形喷注缝隙A。
4.如权利要求1所述一种环形固液催化点火发动机，其特征在于：喷注缝隙A的宽度为0.1mm。
5.如权利要求1所述一种环形固液催化点火发动机，其特征在于：喷注缝隙A的入口端设计为120度收缩口，出口为15度扩张口。
6.如权利要求1所述一种环形固液催化点火发动机，其特征在于：固定药柱采用高密度聚乙烯。
7.如权利要求1所述一种环形固液催化点火发动机，其特征在于：绝热层采用高硅氧材料。
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