CN111892465A - 固体火箭冲压发动机调节装置及发动机推进剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体火箭冲压发动机调节装置及其发动机推进剂，该发动机推进剂包括如下组分：氧化剂25‑40质量份；粘合剂15‑30质量份；金属粉末燃料20‑40质量份；燃速催化剂2‑10质量份；添加剂2‑8份；所述氧化剂包括：高氯酸盐,如高氯酸铵、高氯酸镁、高氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸钡和高氯酸钙。本发明能够提升流量调节范围、减少工作误差、保证工作稳定性与可靠性。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体来说涉及一种固体火箭冲压发动机调节装置，以及应用于该调节装置中的发动机推进剂。
背景技术
固体火箭冲压发动机比冲高、可提供较远动力射程且保持高速飞行、燃烧可靠、结构紧凑、方便储存维护，被认为是最适合于中等超音速、中远程、小尺寸战术导弹使用的理想高速巡航装置。现代导弹对飞行空域和机动性的要求很高，为了适应外弹道的变化而导致进气量的变化，必须对燃气流量进行有效的控制，尽可能保证固体火箭冲压发动机在设计空燃比附近工作，以实现发动机的最优性能。当前主要的燃气发生器流量调节方案有非壅塞式、变喉面法和涡旋阀法。非壅塞式发动机补燃室压力可传递至燃气发生器，可根据飞行状态自行调节燃气流量，但是其调节范围较小、调节能力较差，难以维持稳定的空燃比。变喉面法通过流量调节阀改变燃气发生器的喷管喉部面积进行燃气流量的调节，可实现较大的流量调节范围，但是贫氧固体推进剂燃烧产物中大量的凝相粒子容易发生沉积，使得燃气发生器喷管阻塞，后果严重。涡旋阀法在燃气发生器的亚声速主流进入壅塞喷管的收敛段之前，向其径向射入二次燃气流(控制流)来产生控制涡流，从而实现燃气流量调节，但是这种方法结构复杂，技术不成熟。因此，如何设计出一种新型的固体火箭冲压发动机调节装置，以及应用于该调节装置中的发动机推进剂。以克服上述问题，是本领域技术人员需要研究的方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种发动机推进剂，能够提升流量调节范围、减少工作误差、保证工作稳定性与可靠性。
其采用的技术方案如下：
一种发动机推进剂，其特征在于，包括如下组分：氧化剂25-40质量份；粘合剂15-30质量份；金属粉末燃料20-40质量份；燃速催化剂2-10质量份；添加剂2-8份；所述氧化剂包括：高氯酸盐,如高氯酸铵、高氯酸镁、高氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸钡和高氯酸钙。
优选的是，上述发动机推进剂中：所述金属粉末燃料采用铝粉、镁粉、钛粉中的任一种。
优选的是，上述发动机推进剂中：所述粘合剂采用聚乙烯醇、甲基纤维素、聚醋酸乙烯酯中的任一种。
优选的是，上述发动机推进剂中：所述燃速催化剂包括炭黑、二茂铁、巴特辛、卡托辛、叔丁基二茂铁、木炭中的任一种。
优选的是，上述发动机推进剂中：所述添加剂包括甘油、羟基硅油、磷酸三丁酯、二甲基硅油中的任一种。
通过采用上述技术方案：基于增加了金属燃料的含量，减少了氧化剂的含量，并且添加了一些添加剂，具有较高的热值，满足作为燃气发生器的贫氧推进剂的要求，且其组分仍然具有特殊的电化学特性，当电控固体推进剂接通电源，通入一定的电流时即开始燃烧，并且通入的电功率越大，燃速越快。
本发明还公开了一种固体火箭冲压发动机调节装置，其包括：依序连接的燃气发生器、控制器和电源；所述燃气发生器包括：发动机推进剂、壳体、绝热绝缘层、环绕电极和中心电极；所述壳体为中空结构、其内壁覆盖有绝热绝缘层；所述发动机推进剂采用如权利要求-任一项所述发动机推进剂、填充于壳体内；所述中心电极固定于壳体内的中轴线上，其贯穿发动机推进剂，且一端伸出壳体、通过控制器连接电源的一极；所述环绕电极共四根，与中心电极平行设置，且均匀环绕分布于中心电极周围；所述环绕电极分别贯穿发动机推进剂，且一端伸出壳体、通过控制器以并联方式连接电源的另一极；通过控制器连接电源的另一极；所述壳体上还设有喷管和压力传感器；所述控制器包括电压控制器和流量反馈器。
与现有技术相比，本发明采用利用贫氧电控固体推进剂的热值高的特点，二次燃烧后的比冲高，温度敏感系数较低，适合作为燃气发生器的推进剂。且该类型推进剂具有电控效应：通电即能燃烧，通过调节通入的电功率能改变其燃速。同时，由于控制器能够实时控制通入贫氧电控固体推进剂的电压或电流大小，结合压力传感器的压力反馈，精确地改变推进剂的燃速，从而实时控制燃气流量大小，使发动机一直工作在最佳空燃比附近。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为实施例1的结构示意图；
图2为燃气发生器结构示意图。
各附图标记与部件名称对应关系如下：
10、燃气发生器；20、控制器；30、电源；101、发动机推进剂；102、壳体；103、喷管；104、压力传感器；105、绝热绝缘层；106、电极；107、电极。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合各个实施例作进一步描述。
如图1-2所示为实施例1：
一种固体火箭冲压发动机调节装置，其特征在于：包括依序连接的燃气发生器10、控制器20和电源30；
所述燃气发生器10包括：发动机推进剂101、壳体102、绝热绝缘层105、环绕电极106和中心电极107；所述壳体102为中空结构、其内壁覆盖有绝热绝缘层105；所述发动机推进剂101填充于壳体102内；所述中心电极107固定于壳体102内的中轴线上，其贯穿发动机推进剂101，且一端伸出壳体102、通过控制器20连接电源30的一极；所述环绕电极106共四根，与中心电极107平行设置，且均匀环绕分布于中心电极107周围；所述环绕电极106分别贯穿发动机推进剂101，且一端伸出壳体102、通过控制器20以并联方式连接电源30的另一极；通过控制器20连接电源30的另一极；所述壳体102上还设有喷管103和压力传感器104；所述控制器20包括电压控制器201和流量反馈器202。
其中，所述发动机推进剂101，所采用的配方与质量分数为：高氯酸铵：35%，铝：30%，聚乙烯醇：20%，炭黑：8%，甘油：7%。
实践中，其工作过程如下：
采用聚乙烯醇作为粘结剂将液态的高氯酸铵与金属铝粉末粘结在一起，各组分搅拌混合均匀之后，在40℃的烘箱中经过24小时固化成型，测得其比冲为632s。成型之后的贫氧电控固体推进剂101表现出较为优良的机械性能。将其在室温下存储于燃气发生器内经过一个月，甚至更长时间的存放，其总冲、机械性能、通电点火响应时间等性能并未发生明显改变。
先将电极106与电极107嵌入燃气发生器10中，配制好的贫氧电控固体推进剂101在呈凝胶的状态下浇注于燃气发生器10中，使电极107与四根电极106平行嵌入于贫氧电控固体推进剂101。当电极通入电流时，贫氧电控固体推进剂101通电开始燃烧，燃烧方式为端面燃烧。
发动机在大气压的条件下工作时，该组分贫氧电控固体推进剂与所需空气流量的质量比约为1：5。通过电极107与四根电极106向电控固体推进剂101中通入一定的电流，电控固体推进剂101经过约15 的延迟之后，开始燃烧，燃烧方式为端面燃烧。如果突然断电，即使燃气发生器10内维持约1MPa的压强，也不能自持燃烧，且在贫氧电控固体推进剂101的通电燃烧过程中，所通入的电流或电压越大，其燃速越快。在本例中，初始点火燃烧所需通入的电压约为250V，点火燃烧之后，维持燃烧所需的电压较小，电压为160V时，在大气压强下的燃速约为13.4mm/s。大气压强下，推进剂的燃速随通入电压的变化关系。燃气发生器10的燃气出口处有与补燃室相连的喷管103，推进剂101燃烧产生的不完全燃烧的中间产物通过喷管103进入补燃室进行完全燃烧。燃气发生器10与弹体空腔相邻的壁面上打有测压孔，安装有压力传感器104，压力传感器104与控制器20电连接，实时监测燃气发生器内的压强，并将数据传给控制器20。控制器20与电源30连接，并通过导线与嵌入贫氧电控固体推进剂101中的电极106与电极107相连，用来根据燃气流量需求，向贫氧电控固体推进剂101中通入一定大小的电流，实现贫氧电控固体推进剂101的点火与燃速调节。控制器20包括电压控制器201与流量反馈器202。电压控制器201与电源30、电极106与电极107、流量反馈器202电连接，用于控制从电源30通过电极106与电极107输入到贫氧电控固体推进剂101中的电压或电流的大小。流量反馈器202与电压控制器201、压力传感器104电连接，通过发动机的飞行高度、马赫数、飞行姿态（攻角与侧滑角）计算出进气道的进气量，根据进气量计算出达到最佳空燃比时，燃气发生器10所应产生的燃气流量，结合压力传感器104的压力反馈，计算达到目标燃气流量所需贫氧电控固体推进剂101的燃速所对应的电压或电流的大小，并将电压或电流实时变化的指令通过电信号传达给电压控制器201。电压控制器201改变输入贫氧电控固体推进剂101中电压或电流的大小，达到调节燃气流量的目的。由电压控制器201和流量反馈器202组成的控制器20能根据发动机飞行时，燃气发生器10所需产生的燃气流量，实时控制向电控固体推进剂101内通入电流或电压的大小，实现贫氧电控固体推进剂101的点火与燃速调节。当燃气发生器10开始工作时，电源30打开，通过电压控制器201向贫氧电控固体推进剂101通入一定的电压或电流，推进剂101开始点火燃烧，产生不完全燃烧的中间产物，通过喷管103进入补燃室进行完全燃烧。在燃气发生器10的工作过程中，需要不断的通入电流才能维持贫氧电控固体推进剂101的燃烧。流量反馈器202计算进气道的进气流量，燃气发生器10内的压力传感器104监测压强变化情况，并将数据实时反馈给流量反馈器202。流量调节器202根据进气流量计算出达到最佳空燃比时，贫氧电控固体推进剂101燃烧应该产生的最佳燃气流量，相应得到贫氧电控固体推进剂101的实时燃速，由于燃速只受到燃气发生器10的压强和贫氧电控固体推进剂101中所通入电压或电流大小的影响较大，结合压力传感器10的压力反馈，通过拟合得到目标燃速下所需通入的电压或电流大小，将电压或电流变化的指令转化为电信号传入电压控制器201，电压控制器201适当增加或减少通往电极106与电极107的电压或电流，以实时增加或降低贫氧电控固体推进剂101的燃速。进气道流量的计算反馈、燃气发生器10内部压强的反馈、控制器20对电压的调节的过程，在燃气发生器10的工作中，是一个持续不间断的过程，贫氧电控固体推进剂101的燃速可以一直不间断的变化，使燃气发生器10产生的燃气流量一直对应最佳空燃比。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种发动机推进剂，其特征在于，包括如下组分：
氧化剂25-40质量份；粘合剂15-30质量份；金属粉末燃料20-40质量份；燃速催化剂2-10质量份；添加剂2-8份；所述氧化剂包括：高氯酸盐,如高氯酸铵、高氯酸镁、高氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸钡和高氯酸钙。
2.如权利要求1所述发动机推进剂，其特征在于：所述金属粉末燃料采用铝粉、镁粉、钛粉中的任一种。
3.如权利要求1所述发动机推进剂，其特征在于：所述粘合剂采用聚乙烯醇、甲基纤维素、聚醋酸乙烯酯中的任一种。
4.如权利要求1所述发动机推进剂，其特征在于：所述燃速催化剂包括炭黑、二茂铁、巴特辛、卡托辛、叔丁基二茂铁、木炭中的任一种。
5.如权利要求1所述发动机推进剂，其特征在于：所述添加剂包括甘油、羟基硅油、磷酸三丁酯、二甲基硅油中的任一种。
6.一种固体火箭冲压发动机调节装置，其特征在于：包括依序连接的燃气发生器（10）、控制器（20）和电源（30）；
所述燃气发生器（10）包括：发动机推进剂（101）、壳体（102）、绝热绝缘层（105）、环绕电极（106）和中心电极（107）；
所述壳体（102）为中空结构、其内壁覆盖有绝热绝缘层（105）；所述发动机推进剂（101）采用如权利要求1-5任一项所述发动机推进剂、填充于壳体（102）内；所述中心电极（107）固定于壳体（102）内的中轴线上，其贯穿发动机推进剂（101），且一端伸出壳体（102）、通过控制器（20）连接电源（30）的一极；所述环绕电极（106）共四根，与中心电极（107）平行设置，且均匀环绕分布于中心电极（107）周围；所述环绕电极（106）分别贯穿发动机推进剂（101），且一端伸出壳体（102）、通过控制器（20）以并联方式连接电源（30）的另一极；通过控制器（20）连接电源（30）的另一极；所述壳体（102）上还设有喷管（103）和压力传感器（104）；所述控制器（20）包括电压控制器（201）和流量反馈器（202）。
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