CN110242439B - 基于层板扩散焊的发动机喷注器、制造方法以及发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于层板扩散焊的发动机喷注器、制造方法以及发动机，其中喷注器包括层板(11)；Nm个所述层板(11)分别设置有设定的层板流道结构单元；Nm个所述层板(11)依次通过扩散焊相互连接；Nm个所述层板流道结构单元按照设定的方式相互连接形成喷注器流道；其中Nm为大于1的整数。本发明的层板扩散焊喷注器，可以解决现有技术中存在的低温轨/姿控发动机喷注器零件数量多、低温推进剂在发动机头部容易发生相变的问题，同时具有结构紧凑、工作可靠性高和实现推进剂均匀、精细雾化的优点，能够满足低温轨/姿控发动机的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及液体火箭发动机技术领域，具体地，涉及一种基于层板扩散焊的发动机喷注器、制造方法以及发动机，尤其涉及一种基于层板扩散焊的液氧与甲烷发动机喷注器。
背景技术
高性能、无毒的低温化学推进技术已经成为液体火箭发动机的主流发展方向，基于液氧与甲烷推进剂组合的火箭发动机及其推进系统，因具有最高的综合性能(比冲性能、可重复使用性能、操作维护性和空间长期贮存等)，在运载火箭、空间飞行器、星表基地建设等领域存在广泛的应用前景。
如专利文献CN109281774A公开的一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，包括高压气瓶、液氧贮箱、甲烷贮箱、电动泵系统、氧热交换喷射棒、甲烷热交换喷射棒及轨控发动机；其中高压气瓶通过第一管道与液氧贮箱及甲烷贮箱连接；液氧贮箱及甲烷贮箱分别通过第二管道及第三管道与电动泵系统连接；氧热交换喷射棒设置在液氧贮箱内；甲烷热交换喷射棒设置在甲烷贮箱内；电动泵系统通过第四管道与氧热交换喷射棒及轨控发动机连接；电动泵系统通过第五管道与甲烷热交换喷射棒及轨控发动机连接。
但对于液氧与甲烷轨/姿控发动机而言，推进剂流量相对较小，容易受热发生相变，进而会严重影响发动机的工作可靠性。因此，如何保障推进剂的入口条件以及防止低温推进剂在发动机头部发生相变，是低温轨姿控动力系统及发动机设计的重要内容。
另外，相对采用四氧化二氮/肼类燃料组合的常规发动机，液氧与甲烷等低温双组元非自燃推进剂组合的发动机需要专门的点火系统才能实现发动机的点火工作，发动机结构相对比较复杂。
因此，如何优化发动机结构设计以及选用创新的加工工艺，减少零件数量，提高工作可靠性，是液氧与甲烷轨/姿控发动机顺利工程应用的重要课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于层板扩散焊的发动机喷注器、制造方法以及发动机。
根据本发明提供的一种基于层板扩散焊的发动机喷注器，包括层板；
Nm个所述层板分别设置有设定的层板流道结构单元；Nm个所述层板依次通过扩散焊相互连接；Nm个所述层板流道结构单元按照设定的方式相互连接形成喷注器流道；
其中Nm为大于1的整数。
优选地，所述喷注器流道包括氧化剂流道、燃料流道以及喷注单元；
所述氧化剂流道和燃料流道相互独立；所述氧化剂流道、燃料流道分别与一个或多个喷注单元相连，并且所述氧化剂流道、燃料流道均通过喷注单元与外界连通，其中外界是指所述基于层板扩散焊的发动机喷注器的外部。
优选地，所述喷注器流道还包括氧化剂火炬歧道、燃料火炬歧道以及火炬室；
所述氧化剂火炬歧道与氧化剂流道连通；所述燃料火炬歧道与燃料流道连通；所述氧化剂火炬歧道、燃料火炬歧道分别连通至火炬室；
所述火炬室与外界连通。
优选地，所述喷注器流道还包括喷注面板；所述喷注单元与喷注面板相连，并且通过喷注面板与外界连通；所述喷注面板直接与外界连通。
优选地，所述喷注面板包括直流互击式结构和/或直流自击式结构。
优选地，Nm个所述层板流道结构单元按照设定的方式相互连接，除形成喷注器流道外，还形成了真空夹套；所述真空夹套设置在喷注器流道周围，且不与喷注器流道连通。
优选地，Nm为不小于10的整数。
根据本发明提供的一种发动机，其特征在于，包括喷注器和火花塞；
所述喷注器包括上述的基于层板扩散焊的发动机喷注器；
所述火花塞包括火花塞电极；
所述火花塞与火炬室相连；所述火花塞电极设置在火炬室内部。
优选地，所述发动机还包括阀门组和推力室；
所述阀门组包括燃料阀门和氧化剂阀门；所述燃料阀门、氧化剂阀门分别与燃料流道、氧化剂流道相连；
所述推力室与喷注器相连，且设置在喷注器的喷注面板一侧。
根据本发明提供的一种基于层板扩散焊的发动机喷注器的制造方法，能够制造上述的基于层板扩散焊的发动机喷注器，包括：
层板刻蚀步骤：通过光学刻蚀的方法在层板上设置设定的层板流道结构单元；
层板堆叠步骤：将多个层板按照设定的顺序和对齐方式堆叠；
扩散焊接步骤：将按照设定的顺序和对齐方式堆叠好的层板进行扩散焊接，形成所述基于层板扩散焊的发动机喷注器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器，具有结构简单、泛用性强、喷注效果好的优点；
2、本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器，通过层板扩散焊形成一个单独的零件，并与点火器一体化集成，结构紧凑，大幅减少了液氧与甲烷发动机的零件数量，只用一对氧/燃阀门就可以控制发动机的点火工作，操作简单，进而提高了发动机的工作可靠性；
3、本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器，采用真空夹套的结构设计，有效减少了喷注器内金属基体向低温推进剂的漏热量，防止液氧与甲烷发动机工作时低温推进剂在喷注器流道内发生相变，消除环境温度对低温轨/姿控发动机脉冲工作一致性的影响；
4、本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器，层板扩散焊工艺便于实现复杂而精密的推进剂流道结构，允许喷注器采用多种高效的喷注单元结构、提高喷注单元数量以及采用灵活的喷注单元布置方案，进而确保液氧/甲烷推进剂均匀、精细雾化和发动机可靠冷却。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器优选例的结构示意图；
图2为本发明提供的发动机优选例的结构示意图；
图3为本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器的制造方法优选例的流程示意图；
图4为本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器优选例中典型层板的结构示意图；
图5为本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器优选例中典型竖直喷注器流道真空夹套的结构示意图；
图6为本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器优选例中典型水平喷注器流道真空夹套的结构示意图；
图7为本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器优选例中典型推进剂流道及真空夹套的三维结构示意图；
图8为本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器优选例中典型喷注单元的结构示意图；
图9为本发明提供的基于层板扩散焊的发动机喷注器优选例中典型喷注面板的结构示意图。
图中示出：
氧化剂流道1
燃料流道2
氧化剂火炬歧道3
燃料火炬歧道4
火炬室5
喷注单元6
喷注面板7
真空夹套10
层板11
火花塞200
火花塞电极201
燃料阀门102
氧化剂阀门101
喷注器300
推力室400
燃料F
氧化剂O
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种基于层板扩散焊的发动机喷注器，包括层板11；
Nm个所述层板11分别设置有设定的层板流道结构单元；Nm个所述层板11依次通过扩散焊相互连接；Nm个所述层板流道结构单元按照设定的方式相互连接形成喷注器流道；其中Nm为大于1的整数。
具体地，所述喷注器流道包括氧化剂流道1、燃料流道2以及喷注单元6；
所述氧化剂流道1和燃料流道2相互独立；所述氧化剂流道1、燃料流道2分别与一个或多个喷注单元6相连，并且所述氧化剂流道1、燃料流道2均通过喷注单元6与外界连通，其中外界是指所述基于层板扩散焊的发动机喷注器的外部。所述喷注器流道还包括氧化剂火炬歧道3、燃料火炬歧道4以及火炬室5；所述氧化剂火炬歧道3与氧化剂流道1连通；所述燃料火炬歧道4与燃料流道2连通；所述氧化剂火炬歧道3、燃料火炬歧道4分别连通至火炬室5；所述火炬室5与外界连通。所述喷注器流道还包括喷注面板7；所述喷注单元6与喷注面板7相连，并且通过喷注面板7与外界连通；所述喷注面板7直接与外界连通。所述喷注面板7包括直流互击式结构和/或直流自击式结构。Nm个所述层板流道结构单元按照设定的方式相互连接，除形成喷注器流道外，还形成了真空夹套10；所述真空夹套10设置在喷注器流道周围，且不与喷注器流道连通。Nm为不小于10的整数。
根据本发明提供的一种发动机，其特征在于，包括喷注器300和火花塞200；
所述喷注器300包括上述的基于层板扩散焊的发动机喷注器；
所述火花塞200包括火花塞电极201；
所述火花塞200与火炬室5相连；所述火花塞电极201设置在火炬室5内部。
所述发动机还包括阀门组和推力室400；
所述阀门组包括燃料阀门102和氧化剂阀门101；所述燃料阀门102、氧化剂阀门101分别与燃料流道2、氧化剂流道1相连；
所述推力室400与喷注器300相连，且设置在喷注器300的喷注面板7一侧。
根据本发明提供的一种基于层板扩散焊的发动机喷注器的制造方法，能够制造上述的基于层板扩散焊的发动机喷注器，包括：
层板刻蚀步骤：通过光学刻蚀的方法在层板11上设置设定的层板流道结构单元；
层板堆叠步骤：将多个层板11按照设定的顺序和对齐方式堆叠；
扩散焊接步骤：将按照设定的顺序和对齐方式堆叠好的层板11进行扩散焊接，形成所述基于层板扩散焊的发动机喷注器。
进一步地，本发明优选例提供了一种基于层板扩散焊的液氧与甲烷发动机喷注器，即采用液氧作为氧化剂O，采用甲烷作为燃料F，由Nm片特制的层板11(Nm一般为≥10的正整数)经扩散焊形成一个单独的零件，所述的层板11结构及厚度根据不同喷注器具体的流道设计进行定制；包括氧化剂流道1、燃料流道2、氧化剂火炬歧道3、燃料火炬歧道4、火炬室5、喷注单元6和喷注面板7，氧化剂流道1和燃料流道2相互独立，液氧和液甲烷推进剂在流道末端汇聚到喷注单元6，并经喷注面板7进入发动机推力室400，氧化剂火炬歧道3开设在氧化剂流道1上并在火花塞电极201的上游进入火炬室5，燃料火炬歧道4开设在燃料流道2上并在火花塞电极201的下游进入火炬室5。本发明优选例的层板扩散焊喷注器，可以解决现有技术中存在的低温轨/姿控发动机喷注器零件数量多、低温推进剂在发动机头部容易发生相变的问题，同时具有结构紧凑、工作可靠性高和实现推进剂均匀、精细雾化的优点，能够满足低温轨/姿控发动机的使用要求。
作为液氧与甲烷发动机的核心部件，本发明优选例提供的基于层板扩散焊的喷注器，由Nm片特制的层板11(Nm一般为≥10的正整数)经扩散焊形成一个单独的零件，所述的层板扩散焊主要包括层板精密光学刻蚀、层板排序及堆叠和扩散焊三个工艺过程，所述的层板11结构及厚度根据不同喷注器具体的流道设计进行定制，典型的层板11厚度包括但不限于0.05mm、0.1mm和0.2mm等。所述的氧化剂流道1和燃料流道2周围通过真空夹10套减少喷注器内金属基体向低温推进剂的漏热量。所述的火炬室5位于喷注器300中心，火花塞电极201直接插到火炬室5内部，结合氧化剂火炬歧道3和燃料火炬歧道4共同构成集成火炬点火器。所述的喷注单元6根据发动机燃烧及冷却组织的需求可以采用不同的直流互击式或直流自击式结构，同时根据喷注单元6结构及布置形式的不同可以形成多种喷注面板7结构，以确保实现推进剂均匀、精细雾化。
更进一步地，图1～图9分别为本发明优选例提供的基于层板扩散焊的液氧与甲烷发动机喷注器及其主要特征的结构示意图。如图1～图9所示，作为液氧与甲烷发动机的核心部件，本发明提供的基于层板扩散焊的喷注器，由Nm片特制层板11(Nm一般为≥10的正整数)经扩散焊形成一个单独的零件，所述的层板扩散焊主要包括层板精密光学刻蚀、层板排序及堆叠和扩散焊三个工艺过程(图3)，所述的层板11的结构及厚度根据不同喷注器具体的流道设计进行定制，图4示例了典型的层板11的结构，典型的层板厚度包括但不限于0.05mm、0.1mm和0.2mm等。
根据本发明优选例提供的基于层板扩散焊的液氧与甲烷发动机喷注器，包括氧化剂流道1、燃料流道2、氧化剂火炬歧道3、燃料火炬歧道4、火炬室5、喷注单元6和喷注面板7。所述的氧化剂流道1和燃料流道2相互独立，液氧和液甲烷推进剂在流道末端汇聚到所述的喷注单元6，并经所述的喷注面板7进入发动机推力室。所述的氧化剂火炬歧道3开设在氧化剂流道1上，并在火花塞电极的上游进入所述的火炬室5。所述的燃料火炬歧道4开设在燃料流道2上，并在火花塞电极的下游进入所述的火炬室5。
优选地，所述的氧化剂流道1和燃料流道2周围通过真空夹套10减少喷注器内金属基体向低温推进剂的漏热量，图5和图6示例了推进剂纵向流道和横向流道典型的真空夹套10的结构，图7示例了喷注器典型的氧化剂流道1、燃料流道2及真空夹套10的三维结构。
优选地，所述的火炬室5位于喷注器中心，火花塞电极直接插到火炬室5内部，结合氧化剂火炬歧道3和甲烷火炬歧道4共同构成集成火炬点火器。
优选地，所述的喷注单元6根据发动机燃烧及冷却组织的需求可以采用不同的直流互击式或直流自击式结构(图8示例了典型的喷注单元6的结构)，同时根据喷注单元6的结构及布置形式不同可以形成多种喷注面板7的结构(图9示例了典型的喷注面板7的结构)，以确保实现推进剂均匀、精细雾化。
本发明提供的基于层板扩散焊的液氧与甲烷发动机喷注器的工作原理如下：
分别打开液氧阀门和甲烷阀门，液氧经所述的氧化剂流道1绝大部分充填至所述的喷注单元6，小部分经所述的氧化剂火炬歧道3在火花塞电极上游喷注进入所述的火炬室5；液甲烷经所述的燃料流道2绝大部分充填至所述的喷注单元6，小部分经所述的液甲烷火炬歧管4在火花塞电极下游喷注进入所述的火炬室5；火花塞电极侧面环形间隙中流动的氧被高压电流电离，产生初始火焰核并向下游传播，在火花塞电极下游点燃经掺混的氧和甲烷形成核心火焰，核心火焰在所述的火炬室5中不断地扩散形成点火火炬，点火火炬进入推力室中点燃经所述的喷注单元6和喷注面板7雾化、混合的液氧和甲烷，发动机点火工作。
本发明优选例提供的基于层板扩散焊的液氧与甲烷发动机喷注器，具有如下优点：
1、喷注器通过层板扩散焊形成一个单独的零件，并与点火器一体化集成，结构紧凑，大幅减少了液氧与甲烷发动机的零件数量，只用一对氧/燃阀门就可以控制发动机的点火工作，操作简单，进而提高了发动机的工作可靠性。
2、采用真空夹套的结构设计，有效减少了喷注器内金属基体向低温推进剂的漏热量，防止液氧与甲烷发动机工作时低温推进剂在喷注器流道内发生相变，消除环境温度对低温轨/姿控发动机脉冲工作一致性的影响。
3、层板扩散焊工艺便于实现复杂而精密的推进剂流道结构，允许喷注器采用多种高效的喷注单元结构、提高喷注单元数量以及采用灵活的喷注单元布置方案，进而确保液氧/甲烷推进剂均匀、精细雾化和发动机可靠冷却。
本发明适用于液氧与甲烷火箭发动机，尤其适用于小推力的轨/姿控发动机，同样也适用于液氧/液氢、液氧/煤油或液氧/酒精等低温双组元非自燃推进剂组合的火箭发动机。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种基于层板扩散焊的发动机喷注器，其特征在于，包括层板(11)；
Nm个所述层板(11)分别设置有设定的层板流道结构单元；Nm个所述层板(11)依次通过扩散焊相互连接；Nm个所述层板流道结构单元按照设定的方式相互连接形成喷注器流道；
其中Nm为大于1的整数；
Nm个所述层板流道结构单元按照设定的方式相互连接，除形成喷注器流道外，还形成了真空夹套(10)；所述真空夹套(10)设置在喷注器流道周围，且不与喷注器流道连通。
2.根据权利要求1所述的基于层板扩散焊的发动机喷注器，其特征在于，所述喷注器流道包括氧化剂流道(1)、燃料流道(2)以及喷注单元(6)；
所述氧化剂流道(1)和燃料流道(2)相互独立；所述氧化剂流道(1)、燃料流道(2)分别与一个或多个喷注单元(6)相连，并且所述氧化剂流道(1)、燃料流道(2)均通过喷注单元(6)与外界连通，其中外界是指所述基于层板扩散焊的发动机喷注器的外部。
3.根据权利要求2所述的基于层板扩散焊的发动机喷注器，其特征在于，所述喷注器流道还包括氧化剂火炬歧道(3)、燃料火炬歧道(4)以及火炬室(5)；
所述氧化剂火炬歧道(3)与氧化剂流道(1)连通；所述燃料火炬歧道(4)与燃料流道(2)连通；所述氧化剂火炬歧道(3)、燃料火炬歧道(4)分别连通至火炬室(5)；
所述火炬室(5)与外界连通。
4.根据权利要求2所述的基于层板扩散焊的发动机喷注器，其特征在于，所述喷注器流道还包括喷注面板(7)；所述喷注单元(6)与喷注面板(7)相连，并且通过喷注面板(7)与外界连通；所述喷注面板(7)直接与外界连通。
5.根据权利要求4所述的基于层板扩散焊的发动机喷注器，其特征在于，所述喷注面板(7)包括直流互击式结构和/或直流自击式结构。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于层板扩散焊的发动机喷注器，其特征在于，Nm为不小于10的整数。
7.一种发动机，其特征在于，包括喷注器(300)和火花塞(200)；
所述喷注器(300)包括权利要求1至6中任一项所述的基于层板扩散焊的发动机喷注器；
所述火花塞(200)包括火花塞电极(201)；
所述火花塞(200)与火炬室(5)相连；所述火花塞电极(201)设置在火炬室(5)内部。
8.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述发动机还包括阀门组和推力室(400)；
所述阀门组包括燃料阀门(102)和氧化剂阀门(101)；所述燃料阀门(102)、氧化剂阀门(101)分别与燃料流道(2)、氧化剂流道(1)相连；
所述推力室(400)与喷注器(300)相连，且设置在喷注器(300)的喷注面板(7)一侧。
9.一种基于层板扩散焊的发动机喷注器的制造方法，其特征在于，能够制造权利要求1至6中任一项所述的基于层板扩散焊的发动机喷注器，包括：
层板刻蚀步骤：通过光学刻蚀的方法在层板(11)上设置设定的层板流道结构单元；
层板堆叠步骤：将多个层板(11)按照设定的顺序和对齐方式堆叠；
扩散焊接步骤：将按照设定的顺序和对齐方式堆叠好的层板(11)进行扩散焊接，形成所述基于层板扩散焊的发动机喷注器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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