CN113309635B - 固液混合发动机多次启动点火器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种固液混合发动机多次启动点火器及方法，属于火箭发动机技术领域；包括燃料进气连接管、氧化剂腔、连接环、氧化剂进气连接管、燃烧室、入口燃料腔、出口燃料腔和喷管；入口燃料腔和出口燃料腔的环形凸台对接，并被燃料进气口的出口端面和氧化剂腔的内台阶面压紧固定；入口燃料腔的封闭端伸入到燃料进气连接管内，使得燃料从燃料进气口进入到入口燃料腔；出口燃料腔的等径孔端延伸至氧化剂腔的出口的等径端内，所述燃料和氧化剂的混合气体在氧化剂腔的收敛段内充分混合；喷管内孔依次分为收敛孔、等径孔喉段和扩张孔，所述收敛孔的收敛角为90°，扩张孔的扩张角为36°。通过电火花点燃富氧燃气，有效避免固体燃烧产物堵塞发动机喷管的问题。

Description

固液混合发动机多次启动点火器及方法

技术领域

本发明属于火箭发动机技术领域，具体涉及一种固液混合发动机多次启动点火器及方法。

背景技术

固液混合发动机的固体燃料和液体氧化剂分开存储且氧化剂流量可控，因此具有安全可靠性强、推力可调节、可多次点火启动的优点，可广泛应用于靶弹、战术导弹、中小型探空火箭、亚轨道飞行器中。发动机点火启动过程中，不仅需要打开供给阀门完成液体氧化剂的喷注，还要输入必要的热源使固体燃料药柱得到充分加热，从而使推进剂成功点火。目前，最常用的点火器包括烟火式点火器和燃气发生器式点火器两种，其中烟火式点火器虽然具有结构简单、体积小、点火能力较强等优势，但点火次数有限。因此，对于用于姿轨控等系统中的发动机而言，一般首选具备点火次数更多优势的燃气发生器式点火器。

发明专利CN202010176083.5中公布了“一种小型固体火箭发动机点火装置”，该装置包括壳体、顶盖、电爆管、点火药、喷嘴等。其中电爆管点燃点火药，点火药被点燃后经过喷嘴点燃燃料药柱，实现小型固体火箭发动机点火装置在壳体不被引爆的情况下点燃推进剂药柱，使得该点火装置点火时不会产生固体喷射物，达到防止固体喷出物堵塞发动机的喷管从而提高安全性的目的。但由于该点火装置的壳体贯穿整个推进剂药柱内孔，使得小型固体火箭发动机中最多只能携带一个该点火装置，无法实现多次点火。该点火装置与推进剂药柱浇注成一体，对推进剂药柱制作工艺要求较高，且点火装置与喷管之间使用密封圈进行密封连接，在点火时易出现密封圈燃烧不完全堵塞发动机喷管的问题。

发明专利CN201910769339.0中公布了“一种气氧/煤油富燃火炬式电点火器”，该装置主要由电火花塞、燃气导管、外套螺母、气氧集气腔外壳体、气氧入口导管、煤油集液腔外壳体、煤油入口导管、燃烧室组件等组成。其中气氧经过燃烧室壳体上部设置的气氧直流喷注孔喷射，与燃烧室头部设置的煤油直流喷注孔所喷射的煤油于燃烧室内雾化、混合并燃烧，高温燃气与气膜冷却喷注孔流入的氧气在燃烧室内进行二次燃烧，后经燃烧室喉部和燃气导管排出，形成稳定的火炬进行点火。燃烧室喉部壳体和燃气导利用氧气由气膜冷却喷注孔流入形成气膜对燃烧室和燃气导管进行冷却。该发明具备优异的多次点火能力，但由于该点火器使用煤油燃料供应系统与发动机的燃料供应系统不一致，使得点火次数受限，增加了发动机的消极质量，降低了发动机比冲。且该点火器需要进行热防护处理，增加了制造工艺的复杂性。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种固液混合发动机多次启动点火器及方法，可重复使用，实现发动机的多次点火启动。

本发明的技术方案是：一种固液混合发动机多次启动点火器，包括燃料进气连接管、氧化剂腔、连接环、氧化剂进气连接管和燃烧室，所述燃料进气连接管、氧化剂腔、燃烧室依次通过螺纹同轴连接；所述氧化剂进气连接管通过连接环安装于氧化剂腔的外周面；其特征在于：还包括入口燃料腔、出口燃料腔和喷管；所述入口燃料腔和出口燃料腔同轴设置于燃料进气连接管和氧化剂腔内，所述喷管通过螺纹同轴安装于燃烧室的出口；

所述入口燃料腔为一端封闭的管状结构，其外周面靠近封闭端的位置沿周向开有多个通孔，作为燃料进气口，另一端的外周面设置有环形凸台；

所述出口燃料腔为两端开口的套筒结构，一端的外周面上设置有环形凸台，设置有环形凸台端的内孔为收敛孔，收敛孔的大径端与入口燃料腔的出口直径相同；另一端的内孔为等径孔，等径孔的孔径等于收敛孔小径端的孔径；

所述氧化剂腔的出口依次分为第一收敛段、等径端和第二收敛段；

所述入口燃料腔和出口燃料腔的环形凸台对接，并被燃料进气口的出口端面和氧化剂腔的内台阶面压紧固定；入口燃料腔的封闭端伸入到燃料进气连接管内，使得燃料从燃料进气口进入到入口燃料腔；出口燃料腔的等径孔端延伸至氧化剂腔的出口的等径端内，所述燃料和氧化剂的混合气体在氧化剂腔的收敛段内充分混合；

所述喷管内孔依次分为收敛孔、等径孔喉段和扩张孔，所述收敛孔的收敛角为90°，扩张孔的扩张角为36°。

本发明的进一步技术方案是：所述入口燃料腔沿轴向设置的通孔为径向通孔，与入口燃料腔的中心孔相切，保证燃料气体流动方向为逆时针方向。

本发明的进一步技术方案是：所述出口燃料腔的外壁面与氧化剂腔的内壁面之间的径向距离为2mm，能够在减少空间浪费的前提下保证燃料流动的空间。

本发明的进一步技术方案是：所述燃料进气连接管、入口燃料腔、出口燃料腔、氧化剂腔和燃烧室的安装面之间均设置有聚四氟乙烯垫片。

本发明的进一步技术方案是：所述氧化剂腔为阶梯型圆柱体结构，其内沿轴向开有阶梯通孔，小径端外周面设置有外螺纹，与所述点火炬燃烧室通过螺纹连接；其大径端内周面设置有内螺纹，与所述燃料进气连接管通过螺纹连接；氧化剂腔外壁沿周向开有环形凹槽，所述环形凹槽的底面上沿周向均布有四个切向通孔，所述切向通孔与氧化剂腔内阶梯通孔的内壁相切，作为氧化剂旋流进气喷嘴；所述连接环焊接于环形凹槽的槽口，将环形凹槽封闭，并在连接环的环壁上开有通孔，与所述氧化剂进气连接管连接，将氧化剂经环形凹槽和切向通孔进入氧化剂腔内，并保证氧化剂流动方向为顺时针方向；氧化剂腔阶梯通孔的大径端为氧化剂流动区域，小径端为氧化剂及燃料的掺混区域，中部靠近小径端一侧为扩张孔，从小径端向大径端扩张，能够加速气流流动速度。

本发明的进一步技术方案是：所述燃烧室还包括测压座和火花塞座，所述测压座和火花塞座分别安装于燃烧室外周面设置的通孔内。

本发明的进一步技术方案是：所述燃烧室壳体材料为30CrMnSiA。

一种固液混合发动机多次启动点火器的点火方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：将氧气瓶和甲烷气瓶的气阀打开，甲烷从气瓶流入燃料进气连接管，通过燃料进气口进入到入口燃料腔内，再经过出口燃料腔加速后流入氧化剂腔出口的等径段内；

步骤二：氧化剂从气瓶经过氧化剂进气连接管进入氧化剂腔的环形槽内，然后从切向旋流进气喷嘴进入氧化剂腔内，经氧化剂腔出口的第一收敛段进行加速流动；之后流到氧化剂腔出口的等径段内与甲烷进行预混合，预混的富氧燃气流入燃烧室内；

步骤三：氧气和甲烷通入3s后，将高能点火器接通220V电压，火花塞放电生成电火花，点燃燃烧室内的混合可燃气体；

步骤四：甲烷和氧气的混合气体被点燃后，生成火炬，经过喷管的收敛段、喉段、扩张段后喷射出去，同时将火箭发动机的点火启动；

步骤五：点火启动完成后，关闭氧气瓶和甲烷气瓶的阀门后，完成一次完整的发动机点火；

步骤六：重复上述步骤实现点火器的多次重复使用，从而实现火箭发动机多次启动点火。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用可重复使用的高能电火花塞生成电火花通过预留的火花塞座来点燃燃烧室中的富氧燃气。不使用点火药包点燃燃气，避免了点火瞬间的不利振动，有利于燃烧内流场的观察。燃烧产物不含有炽热固体颗粒，不会对发动机结构产生烧蚀，且有效避免固体燃烧产物堵塞发动机喷管的问题。

2、本发明采用气氧和甲烷这两种能源分别作为氧化剂和燃料，成本低。燃烧产物清洁，点火准备时间短。并能够通过控制氧化剂和燃料的流量实现火炬点火能力可控；在点火过程中氧气和甲烷通入3s后，将高能点火器接通220V电压，改时间的设定能够使点火器中的氧气和甲烷供给稳定且混合充分。

3、本发明是一种同轴式点火器，氧化剂腔和燃料腔设有多个错位分布的切向通孔作为氧化剂和燃气的旋流进气喷嘴，可使氧气和甲烷气体均匀分布并充分混合从而一定程度上抑制不稳定燃烧，混合后通过点火花塞产生火炬进行点火，能够瞬时全面地点燃燃料药柱。

4、本发明可通过调节燃料和氧化剂的混合比来控制燃烧产物的温度范围，可防止点火时的高温烧蚀燃烧室，且不需要冷却使得点火器的结构更加简单，重量更轻。

附图说明

图1是本发明一种固液混合发动机多次启动点火器主视图的剖视图及三维图。

图2是图1主视图中聚四氟乙烯垫片7的局部放大图。

图3是燃料进气连接管的主视图及左视图的剖视图。

图4是喷管的主视图及左视图的剖视图。

图5是燃烧室的主视图及A-A向剖视图。

图6连接环的主视图的剖视图。

图7是入口燃料腔的主视图及左视图的剖视图。

图8是出口燃料腔的主视图及左视图的剖视图。

图9是氧化剂腔的主视图剖视图及A-A向剖视图。

图10是本发明固液混合发动机多次启动点火器实验图。

附图标记说明：1-燃料进气连接管、2-入口燃料腔、3-出口燃料腔、4-氧化剂腔、5-连接环、6-氧化剂进气连接管、7-聚四氟乙烯垫片、8-燃烧室、9-喷管、10-测压座、11-火花塞座。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。

参照人1所示，本发明一种固液混合发动机多次启动点火器包括燃料进气连接管1、入口燃料腔2、出口燃料腔3、氧化剂腔4、连接环5、氧化剂进气连接管6、聚四氟乙烯垫片7、燃烧室8、喷管9、测压座10、火花塞座11。

燃料进气连接管1前端设有外螺纹外接燃料供给管路。氧化剂腔4为台阶型圆筒结构，其一端内周面设置有内螺纹与所述燃料进气连接管1设置的外螺纹相配合，其另一端外周面留有外螺纹与所述燃烧室8的内螺纹配合安装。氧化剂腔4外壁设有环形凹槽，环形凹槽外壁周向开有四个错位分布的切向通孔作为氧化剂旋流进气喷嘴。氧化剂腔环形凹槽的外周侧同轴焊接环形连接环5。氧化剂腔4的环形凹槽与环形连接环内壁之间形成了一个环形通道。氧化剂进气连接管6同轴焊接于连接管5的外周面。连接管5的外壁面的通孔与氧化剂进气连接管6的内管道相连。氧化剂通过经氧化剂进气连接管6，流入环形通道中，氧化剂在环形通道内顺时针高速环流，再通过四个错位分布切向旋流喷嘴喷入氧化剂腔内，再通过锥形孔加速后，流入燃烧室8。所述氧化剂进气连接管6外接氧化剂供给管路。

所述氧化剂腔4中心轴向设置有多层阶梯孔。所述氧化剂腔4内螺纹根部阶梯面设有等径通孔。前端的等径通孔为氧化剂流动区域，中段等径通孔为朝向内腔扩张的锥形孔，其作用为加速气流流动速度，后端的等径通孔为氧化剂及燃料的掺混流动区域。所述氧化剂腔4的内螺纹根部为内台阶结构，聚四氟乙烯垫片7放置于氧化剂腔4的内螺纹根部。

所述入口燃料腔2为凸台结构，底面设有密封环，中心轴处开有通孔，顶端外壁面沿周向错位设置4个切向通孔作为燃料旋流进气喷嘴燃料气体逆时针方向分别从切向通孔流过；所述出口燃料腔3为中空的T字凸台结构，靠近入口燃料腔2的一段设有锥形孔，另一端设有等径通孔与锥形孔相连通。出口燃料腔3放置于氧化剂腔4的内螺纹根部。出口燃料腔3大径端外壁面设计有环形密封槽，其内外直径比入口燃料腔2密封环的内外直径略大，两部件之间用聚四氟乙烯垫片7进行密封连接。所述入口燃料腔2的进一步特征为：其外壁直径与燃料进气连接管1的内壁直径之间存在2mm的间隙，以提供燃料流动的空间；所述燃料腔和氧化剂腔内部件相对位置配合关系及气体流动方式的特征为：使燃料气体与氧化剂具有一定程度的预混度，实现可靠点火。

所述燃烧室8壳体为三段式圆筒结构，中心轴处设计有多次阶梯通孔。所述聚四氟乙烯垫片7的放置于燃烧室8的前端等径通孔内壁面。所述氧化剂腔4通过螺纹连接于燃烧室8中段等径通孔。所述燃烧室8的后端等径通孔为燃烧室内流道，是燃料与氧化剂进行燃烧反应的区域。燃烧室8外壁周侧分别设有螺纹孔和通孔，分别用于火花塞座11和测压座10的同轴安装。本发明采用特种耐高温火花塞，以提高点火的可靠性和安全性。所述燃烧室8后端圆柱外壁周面设置有外螺纹与所述喷管9的内螺纹配合安装。所述喷管9其中心轴处设有通孔，其中段的等径通孔为喉段，两端分别为收敛段和扩张段；所述收敛段向燃烧室8内部通孔扩张；所述扩张孔从所述喉段向外部扩张。

具体实施例：本发明的原理即燃料从储罐流入燃料进气连接管，通过燃料腔的切向旋流进气喷嘴经由燃料腔较大的等径通孔内，再由燃料腔锥形孔加速后进由燃料腔较小的等径通孔流入氧化剂腔的后端等径通孔内。氧化剂从储罐经过氧化剂进气连接管进入氧化剂腔的环形槽内，然后从切向旋流进气喷嘴经由氧化剂腔的前端等径通孔进行流动，经过中段锥形孔进行加速流动，再经过后端等径通孔与燃料气体进行预混合，预混的富氧燃气流入燃烧室内。燃烧室内设有螺纹孔，并安装有耐高温的火花塞。火花塞将导线输入的脉冲高压电释放，击穿火花塞两电极之间的空气，产生电火花点燃燃烧室内的混合可燃气体。点火时，可通过燃烧室留有的测压座测量压力。

实施例1：燃烧室8壳体材料为30CrMnSiA，燃烧室壳体内径为26mm，壳体厚度为5mm。入口燃料腔2顶端外壁沿周向错位分布有4个Φ1.4切向通孔作为燃料进气喷嘴。氧化剂腔4外壁环形凹槽上沿周向错位分布有4个Φ2切向通孔作为氧化剂进气喷嘴。喷管9入口的收敛角为90°，燃气出口扩张角设为36°。将氧化剂腔4通过螺纹与燃烧室8进行旋接，两者端面之间通过聚四氟乙烯垫片7紧密连接。连接环5和氧化剂进气连接管6已经焊接在相应位置上。将出口燃料腔3放入氧化剂腔4前端通孔内通过聚四氟乙烯垫片7使两者端面相配合连接。将入口燃料腔2放入氧化剂腔4内，使入口燃料腔2密封环与出口燃料腔3大径端外壁面环形密封槽相配合，两部件之间用聚四氟乙烯垫片7进行密封连接。通过扳手将燃料腔1旋接于氧化剂腔4，将喷管9与燃烧室8进行旋接。将氧气瓶通过减压阀和导气管与氧化剂进气连接管6相连。将甲烷气瓶通过减压阀和导气管与燃料进气连接管1相连。将特种耐高温火花塞连接在燃烧室8上。

燃料和氧化剂管路采用挤压式供应方式，整个供应系统由高压气体储罐、单向阀、减压阀、气动电磁阀、音速孔板流量计、连接管路等组成。采用高能点火器，可将220V电压转换为2300V的高压，使用时搭配火花塞能够在瞬间击穿空气释放出高能电火花。将氧气瓶和甲烷气瓶气阀的阀门打开，甲烷从气瓶流入燃料进气连接管1，通过入口燃料腔2的切向旋流进气喷嘴经由入口燃料腔2较大的等径通孔内，再由出口燃料腔3锥形孔加速后进由较小的等径通孔流入氧化剂腔4的后端等径通孔内。氧化剂从气瓶经过氧化剂进气连接管6进入氧化剂腔4的环形槽内，然后从切向旋流进气喷嘴经由氧化剂腔4的前端等径通孔进行流动，经过中段锥形孔进行加速流动，再经过后端等径通孔与燃料气体进行预混合，预混的富氧燃气流入燃烧室内。为了使点火器中的氧气和甲烷供给稳定且混合充分，氧气和甲烷通入大概3s后，将高能点火器接通220V电压，火花塞放电生成电火花，点燃燃烧室8内的混合可燃气体。甲烷和氧气的混合气体被点燃后，生成火炬，经过喷管9的收敛段、喉段、扩张段后喷射出去，并火箭发动机的点火启动。点火启动完成后，关闭氧气瓶和甲烷气瓶的阀门后，完成一次完整的发动机点火。重复上述步骤即可实现点火器的多次重复使用，从而实现火箭发动机多次启动点火。本发明燃烧实验图如图10所示。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种固液混合发动机多次启动点火器，包括燃料进气连接管、氧化剂腔、连接环、氧化剂进气连接管和燃烧室，所述燃料进气连接管、氧化剂腔、燃烧室依次通过螺纹同轴连接；所述氧化剂进气连接管通过连接环安装于氧化剂腔的外周面；其特征在于：还包括入口燃料腔、出口燃料腔和喷管；所述入口燃料腔和出口燃料腔同轴设置于燃料进气连接管和氧化剂腔内，所述喷管通过螺纹同轴安装于燃烧室的出口；

所述入口燃料腔为一端封闭的管状结构，其外周面靠近封闭端的位置沿周向开有多个通孔，作为燃料进气口，另一端的外周面设置有环形凸台；

所述出口燃料腔为两端开口的套筒结构，一端的外周面上设置有环形凸台，设置有环形凸台端的内孔为收敛孔，收敛孔的大径端与入口燃料腔的出口直径相同；另一端的内孔为等径孔，等径孔的孔径等于收敛孔小径端的孔径；

所述氧化剂腔的出口依次分为第一收敛段、等径端和第二收敛段；

所述氧化剂腔为阶梯型圆柱体结构，其内沿轴向开有阶梯通孔，阶梯型圆柱体结构的小径端外周面设置有外螺纹，与所述燃烧室通过螺纹连接；阶梯型圆柱体结构的大径端内周面设置有内螺纹，与所述燃料进气连接管通过螺纹连接；氧化剂腔外壁沿周向开有环形凹槽，所述环形凹槽的底面上沿周向均布有四个切向通孔，所述切向通孔与氧化剂腔内阶梯通孔的内壁相切，作为氧化剂旋流进气喷嘴；所述连接环焊接于环形凹槽的槽口，将环形凹槽封闭，并在连接环的环壁上开有通孔，与所述氧化剂进气连接管连接，将氧化剂经环形凹槽和切向通孔进入氧化剂腔内，并保证氧化剂流动方向为顺时针方向；氧化剂腔阶梯通孔的大径端为氧化剂流动区域，小径端为氧化剂及燃料的掺混区域；

所述入口燃料腔和出口燃料腔的环形凸台对接，并被燃料进气口的出口端面和氧化剂腔的内台阶面压紧固定；入口燃料腔的封闭端伸入到燃料进气连接管内，使得燃料从燃料进气口进入到入口燃料腔；出口燃料腔的等径孔端延伸至氧化剂腔的出口的等径端内，所述燃料和氧化剂的混合气体在氧化剂腔的收敛段内充分混合；

所述喷管内孔依次分为收敛孔、等径孔喉段和扩张孔，所述收敛孔的收敛角为90°，扩张孔的扩张角为36°。

2.根据权利要求1所述的固液混合发动机多次启动点火器，其特征在于：所述入口燃料腔沿轴向设置的通孔为径向通孔，与入口燃料腔的中心孔相切，保证燃料气体流动方向为逆时针方向。

3.根据权利要求1所述的固液混合发动机多次启动点火器，其特征在于：所述出口燃料腔的外壁面与氧化剂腔的内壁面之间的径向距离为2mm，能够在减少空间浪费的前提下保证燃料流动的空间。

4.根据权利要求1所述的固液混合发动机多次启动点火器，其特征在于：所述燃料进气连接管、入口燃料腔、出口燃料腔、氧化剂腔和燃烧室的安装面之间均设置有聚四氟乙烯垫片。

5.根据权利要求1所述的固液混合发动机多次启动点火器，其特征在于：所述燃烧室还包括测压座和火花塞座，所述测压座和火花塞座分别安装于燃烧室外周面设置的通孔内。

6.根据权利要求1所述的固液混合发动机多次启动点火器，其特征在于：所述燃烧室壳体材料为30CrMnSiA。

7.一种权利要求1所述的固液混合发动机多次启动点火器的点火方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：将氧气瓶和甲烷气瓶的气阀打开，甲烷从气瓶流入燃料进气连接管，通过燃料进气口进入到入口燃料腔内，再经过出口燃料腔加速后流入氧化剂腔出口的等径段内；

步骤二：氧化剂从气瓶经过氧化剂进气连接管进入氧化剂腔的环形槽内，然后从切向旋流进气喷嘴进入氧化剂腔内，经氧化剂腔出口的第一收敛段进行加速流动；之后流到氧化剂腔出口的等径段内与甲烷进行预混合，预混的富氧燃气流入燃烧室内；

步骤三：氧气和甲烷通入3s后，将高能点火器接通220V电压，火花塞放电生成电火花，点燃燃烧室内的混合可燃气体；

步骤四：甲烷和氧气的混合气体被点燃后，生成火炬，经过喷管的收敛段、喉段、扩张段后喷射出去，同时将火箭发动机的点火启动

步骤五：点火启动完成后，关闭氧气瓶和甲烷气瓶的阀门后，完成一次完整的发动机点火；

步骤六：重复上述步骤实现点火器的多次重复使用，从而实现火箭发动机多次启动点火。