CN114776482B - 一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，包括：氮气储箱，煤油储箱，其入口通过管道与氮气储箱的出口相连通，发动机，其煤油喷注器通过燃料管道与煤油储箱相连通，绕其燃烧室外壁一周螺旋开设有内容纳槽，氧化亚氮储箱，冷却套，为中空的柱状结构，套设在发动机的燃烧室外围，谐振点火管，其入口还通过点火管道与氮气储箱的出口相连通，用于使氮气发生谐振加热现象，从而令氮气升温至发火温度，为发动机点火；本发明使用气体谐振点火器进行点火，相较传统点火方式不但点火温度足够高，而且结构简单，无需接入第三气体，减轻了系统整体的质量，还能比较容易地实现多次点火起动。

Description

一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统

技术领域

本发明属于液体火箭发动机领域，尤其涉及一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统。

背景技术

卫星在太空中工作时经常需要进行姿态控制与调整，为实现这一目的，卫星上须搭载姿态控制发动机，液体双组元姿轨控发动机是其中一类重要的发动机。

传统液体双组元姿轨控发动机常使用肼类推进剂作为动力源，然而随着人们环保意识的增强，有毒的肼类推进剂已不再适合作为推进剂使用，因此氧化亚氮进入了研究人员的视线。氧化亚氮具有以下优点：无毒无腐蚀；常温下稳定性好且饱和蒸汽压高(约5MPa)；在做为双组元发动机的氧化剂时有较高的比冲。基于以上优点，采用氧化亚氮作为氧化剂的双组元推进系统，具有传统推进系统所不具备的优点如：无毒无污染、比冲较高、供给系统简单、使用条件简单等。

现阶段常用的氧化亚氮发动机点火方案一般有电点火、催化分解点火与火炬点火三种，这三种点火方式都有一定的缺点。当使用电点火方式时，电点火器产生的电弧温度较低，不足以直接点燃氧化亚氮与煤油混合气，即使点燃火花也很容易淬熄，若使用高能电火花塞，则需要一套大质量的电点火系统及高功率电源，既占用卫星的空间与能源，又会对卫星的可靠性造成很大影响；催化分解点火通常是使氧化亚氮气体先通过催化床分解为氮气与氧气，利用产生的高温混合气点燃燃料，从而引燃推进剂主流，催化床需要预热至一定温度才能进行正常工作，并且催化剂在多次工作后会逐渐失活，使得催化能力大幅降低，因此催化点火方式不利于发动机多次起动，并且会导致点火延迟时间较长；火炬点火方案通常是采用气氧气氢作为点火气体，在点火时先利用氮气将气氧气氢挤压进点火火炬，使用电火花塞进行点火，再利用产生的高温燃气引燃氧化亚氮与燃料，因此这种点火方式需要引入除推进剂之外的其他气体，使得供给系统复杂化。因此研制结构更加简单、点火效率更高且能重复启动的点火器是氧化亚氮煤油双组元推进系统开发所面临的关键问题之一。

气动谐振点火是一种基于气体谐振加热效应的点火方式，谐振加热效应是指在一定的气动条件下，气流中的气动谐振管将产生高频激波震荡，从而在谐振管的尾端产生急剧温升的热效应。气动谐振点火是一种可靠的多次启动点火方式，既不必增加一套专门的点火系统，也避免了传统点火方式在高空环境下面临的静电干扰等问题，对于点火困难的小推力氧化亚氮发动机而言有较高的应用价值。

传统的液体火箭发动机冷却方式主要有再生冷却和烧蚀冷却两种，而由于氧化亚氮煤油发动机中燃料流量较小，难以应用传统的再生冷却方案对发动机进行冷却，而烧蚀冷却方案在长时间使用后会改变发动机内部构型，不利于推力的精确控制，因此研究冷却效果好且能满足多次启动长时间工作要求的冷却方案是氧化亚氮煤油双组元推进系统开发所面临的关键问题之一。由于氧化亚氮潜热较高，且在氧化亚氮发动机中流量较大，因此氧化亚氮自身做冷却液的再生冷却方式有较高的应用潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，以解决常规点火装置结构复杂且需要额外能量输入以及常规氧化亚氮发动机热防护困难的问题。

本发明采用以下技术方案：一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，包括：

氮气储箱，其内存储有氮气，

煤油储箱，其内用于储存煤油，其入口通过管道与氮气储箱的出口相连通，用于在氮气的压力下保证煤油的流速，

发动机，其煤油喷注器通过燃料管道与煤油储箱相连通，绕其燃烧室外壁一周螺旋开设有内容纳槽，

氧化亚氮储箱，其内用于储存液态氧化亚氮，

冷却套，为中空的柱状结构，套设在发动机的燃烧室外围，绕冷却套内壁一周螺旋开设有外容纳槽，外容纳槽沿冷却套的轴线向外开设，外容纳槽和内容纳槽相互对应，并形成一个容纳通道，容纳通道用于利用燃烧室的热量对容纳通道内流动相进行加热，容纳通道的一端通过气体管道与氧化亚氮储箱的出口相连通，其另一端通过管道与发动机的氧化亚氮喷注器相连通，

谐振点火管，其入口还通过点火管道与氮气储箱的出口相连通，用于使氮气发生谐振加热现象，从而令氮气升温至发火温度，为发动机点火。

进一步地，煤油储箱的中部设置有活塞挡板，活塞挡板可在氮气的压力下向下运动，进而将煤油储箱内的煤油压入发动机的煤油喷注器内；

绕煤油储箱的侧壁一周均匀固定连接有多个滑动固定条，各滑动固定条竖向设置，

活塞挡板的边沿向内凹陷形成凹窝，各凹窝用于滑动固定条伸入，进而使得活塞挡板可沿着滑动固定条上下移动。

进一步地，氧化亚氮储箱上设置有氧化亚氮压力传感器，氧化亚氮压力传感器用于控制氧化亚氮气体的流量。

进一步地，氮气储箱上设置有氮气压力传感器，煤油储箱上设置有煤油压力传感器。

进一步地，燃料管道上设置有燃料电磁阀、燃料流量计与燃料汽蚀文氏管，燃料电磁阀用于控制管路的通断，燃料流量计用于监测燃料管道内燃料的流量，燃料汽蚀文氏管用于控制燃料流量。

进一步地，气体管道上设置有气体电磁阀、气体流量计与气体汽蚀文氏管，气体电磁阀用于控制管路的通断，气体流量计用于监测管道内氧化亚氮的流量，气体汽蚀文氏管用于控制氧化亚氮流量。

进一步地，谐振点火管包括：

驱动喷嘴，其上端与点火管道相连通，其下端向内收缩形成锥状环，

谐振管，其轴线与驱动喷嘴的轴线重合，

连接管，其轴线与驱动喷嘴的轴线重合，为中空的柱状密闭结构，连接管的上顶和下底开设有上通孔和下通孔，上通孔用于驱动喷嘴的下端伸入，下通孔用于通过谐振管与发动机的燃烧室连通。

本发明的有益效果是：本发明使用气体谐振点火器进行点火，相较传统点火方式不但点火温度足够高，而且结构简单，无需接入第三气体，减轻了系统整体的质量，还能比较容易地实现多次点火起动；本发明使用液态氧化亚氮自身做冷却液的再生冷却方案，相比地面点火实验应用的水冷方案质量更轻、冷却效果更好，相比被动冷却方案工作时间可以大幅延长，因此更利于搭载在飞行器上。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明谐振点火管的结构示意图；

图3为本发明的冷却套的剖视图；

图4为本发明的冷却套的侧视图。

其中：1、氮气储箱；2、煤油储箱；3、发动机；4、燃料管道；5、内容纳槽；6、氧化亚氮储箱；7、冷却套；8、外容纳槽；9、气体管道；10、谐振点火管；11、驱动喷嘴；12、连接管；13、谐振管；14、点火管道；15、燃烧室；16、容纳通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，如图1所示，包括氮气储箱1、煤油储箱2、氧化亚氮储箱6、冷却套7、谐振点火管10。

氮气储箱1内存储有氮气，煤油储箱2内用于储存煤油，煤油储箱2的入口通过管道与所述氮气储箱1的出口相连通，煤油储箱2用于在氮气的压力下保证煤油的流速，发动机3的煤油喷注器通过燃料管道4与煤油储箱2相连通，绕发动机3燃烧室15外壁一周螺旋开设有内容纳槽5。

如图3和图4所示，氧化亚氮储箱6内用于储存液态氧化亚氮，冷却套7为中空的柱状结构，冷却套7套设在所述发动机3的燃烧室15外围，绕所述冷却套7内壁一周螺旋开设有外容纳槽8，所述外容纳槽8沿冷却套7的轴线向外开设，所述外容纳槽8和内容纳槽5相互对应，并形成一个容纳通道16，所述容纳通道16用于利用燃烧室15的热量对容纳通道16内流动相进行加热，所述容纳通道16的一端通过气体管道9与氧化亚氮储箱6的出口相连通，所述容纳通道16的另一端通过管道与发动机3的氧化亚氮喷注器相连通。

谐振点火管10的入口还通过点火管道14与氮气储箱1的出口相连通，谐振点火管10用于使氮气发生谐振加热现象，从而令氮气升温至发火温度，为发动机3点火。

所述煤油储箱2的中部设置有活塞挡板，所述活塞挡板可在氮气的压力下向下运动，进而将煤油储箱2内的煤油压入发动机3的煤油喷注器内；绕所述煤油储箱2的侧壁一周均匀固定连接有多个滑动固定条，各所述滑动固定条竖向设置，所述活塞挡板的边沿向内凹陷形成凹窝，各所述凹窝用于滑动固定条伸入，进而使得活塞挡板可沿着滑动固定条上下移动。

所述氧化亚氮储箱6上设置有氧化亚氮压力传感器，所述氧化亚氮压力传感器用于控制氧化亚氮气体的流量，当需要为点火模态，小流量的氧化亚氮气体进入谐振点火管10进行点火，待温度升高后，氧化亚氮压力传感器控制流量调节装置为供给模态，完成氧化亚氮供给。

所述氮气储箱1上设置有氮气压力传感器，所述煤油储箱2上设置有煤油压力传感器。所述燃料管道4上设置有燃料电磁阀、燃料流量计与燃料汽蚀文氏管，所述电磁阀用于控制管路的通断，所述燃料流量计用于监测燃料管道4内燃料的流量，所述燃料汽蚀文氏管用于控制燃料流量保持在预定值。

所述气体管道9上设置有气体电磁阀、气体流量计与气体汽蚀文氏管，所述气体电磁阀用于控制管路的通断，所述气体流量计用于监测管道内氧化亚氮的流量，所述气体汽蚀文氏管用于控制氧化亚氮流量保持在预定值。

常规发动机的再生冷却方式采用燃料作为再生冷却液，氧化亚氮发动机燃温高、且燃料流量低，所以利用燃料作为再生冷却液的方式不适用于氧化亚氮发动机，一般情况下，氧化亚氮发动机采用的是被动冷却的方式进行冷却，而本发明利用液态氧化亚氮，即氧化剂做冷却液进行冷却；因为氧化亚氮潜热足够高，性质较为稳定，热防护效果好，可以代替氧化亚氮发动机3中常用的被动冷却的方式。

本发明采用液态氧化亚氮经过发动机3外部的冷却套7进行吸热，吸热后液态氧化亚氮变为气态，再使用气态氧化亚氮进行供给，发动机3启动时，氮气挤压煤油进行供给，同时氧化亚氮通过自增压进行供给，随后进行点火，氮气进入谐振点火管10发生谐振，达到点火温度并引燃煤油，氧化亚氮进行供给时，先以液态进入气体管道9，在气体管道9中缓慢蒸发，以气液两相流状态进入冷却套7的容纳通道16内，在冷却套7中吸热并完全蒸发，以气态进入发动机3的氧化亚氮喷注器完成对发动机3的供给。

发动机3工作时，氮气通过管道进入煤油储箱2为煤油增压，发动机3工作时需要较高流量的煤油，仅靠煤油自然流动无法实现，需要较高的压力对其进行挤压，因此引入氮气进行增压；氮气储箱1上氮气压力传感器检测氮气储箱1中压强的变化，防止氮气储箱1内压强随发动机3工作而变小时导致煤油流量发生变化；气体管道9上的气体流量计控制氮气的流量，当气体压力传感器检测到变化时，增大氮气流通面积以防止氮气流量降低。

发动机3工作时，煤油受氮气挤压，通过燃料管道4进入发动机3；煤油储箱2上的煤油压力传感器检测煤油储箱2内的压强，煤油储箱2内的煤油随发动机3工作会逐渐消耗，所占的空间会减少，进而使煤油储箱2内压力降低，煤油流量降低，煤油压力传感器检测到煤油储箱2上内压强减小时控制氮气流量，使得煤油储箱2内的压强保持稳定；燃料流量计精确控制煤油流量为预设值，使发动机3稳定工作。

发动机3主体主要由煤油喷注器、氧化亚氮喷注器、燃烧室15、喷管组成，具体表现为，发动机3工作时，液态煤油以预设流量进入煤油喷注器，同时气态氧化亚氮以预设流量进入氧化亚氮喷注器，煤油喷注器对煤油进行雾化，并将煤油喷入燃烧室15，雾化后的煤油液滴与气体氧化亚氮的混合流在被高温氮气引燃后在燃烧室15内进行燃烧，燃烧室15外侧需涂覆耐氧化材料；喷管的材质选用耐烧蚀的碳化硅。

如图2所示，所述谐振点火管10包括驱动喷嘴11、连接管12、谐振管13，驱动喷嘴11的上端与点火管道14相连通，驱动喷嘴11的下端向内收缩形成锥状环，驱动喷嘴11的下端伸入连接管12的内腔，驱动喷嘴11伸入连接管12的长度为连接管12长度的1/3。

连接管12为中空的柱状密闭结构，连接管12的轴线与驱动喷嘴11的轴线重合，连接管12的上顶和下底分别开设有上通孔和下通孔，所述上通孔用于驱动喷嘴11的下端伸入，所述下通孔用于通过谐振管13与发动机的燃烧室15连通，谐振管13的轴线与驱动喷嘴11的轴线重合，谐振管13的直径与驱动喷嘴11的下端直径相同。氮气作为驱动气体进入驱动喷嘴11进行加速，随后在谐振管13内产生激波对气体进行加热，约5s后气体温度达到氧化亚氮与煤油的点火温度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，其特征在于，包括：

氮气储箱（1），其内存储有氮气，

煤油储箱（2），其内用于储存煤油，其入口通过管道与所述氮气储箱（1）的出口相连通，用于在氮气的压力下保证煤油的流速，

发动机（3），其煤油喷注器通过燃料管道（4）与煤油储箱（2）相连通，绕其燃烧室（15）外壁一周螺旋开设有内容纳槽（5），

氧化亚氮储箱（6），其内用于储存液态氧化亚氮，

冷却套（7），为中空的柱状结构，套设在所述发动机（3）的燃烧室（15）外围，绕所述冷却套（7）内壁一周螺旋开设有外容纳槽（8），所述外容纳槽（8）沿冷却套（7）的轴线向外开设，所述外容纳槽（8）和内容纳槽（5）相互对应，并形成一个容纳通道（16），所述容纳通道（16）用于利用燃烧室（15）的热量对容纳通道（16）内流动相进行加热，所述容纳通道（16）的一端通过气体管道（9）与氧化亚氮储箱（6）的出口相连通，其另一端通过管道与发动机（3）的氧化亚氮喷注器相连通，

谐振点火管（10），其入口还通过点火管道（14）与氮气储箱（1）的出口相连通，用于使氮气发生谐振加热现象，从而令氮气升温至发火温度，为发动机（3）点火；

所述谐振点火管（10）包括：

驱动喷嘴（11），其上端与所述点火管道（14）相连通，其下端向内收缩形成锥状环，

谐振管（13），其轴线与所述驱动喷嘴（11）的轴线重合，

连接管（12），其轴线与所述驱动喷嘴（11）的轴线重合，为中空的柱状密闭结构，所述连接管（12）的上顶和下底分别开设有上通孔和下通孔，所述上通孔用于驱动喷嘴（11）的下端伸入，所述下通孔用于通过谐振管（13）与发动机的燃烧室（15）连通。

2.根据权利要求1所述的一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，其特征在于，所述煤油储箱（2）的中部设置有活塞挡板，所述活塞挡板可在氮气的压力下向下运动，进而将煤油储箱（2）内的煤油压入发动机（3）的煤油喷注器内；

绕所述煤油储箱（2）的侧壁一周均匀固定连接有多个滑动固定条，各所述滑动固定条竖向设置，

所述活塞挡板的边沿向内凹陷形成凹窝，各所述凹窝用于滑动固定条伸入，进而使得活塞挡板可沿着滑动固定条上下移动。

3.根据权利要求2所述的一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，其特征在于，所述氧化亚氮储箱（6）上设置有氧化亚氮压力传感器，所述氧化亚氮压力传感器用于控制氧化亚氮气体的流量。

4.根据权利要求3所述的一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，其特征在于，所述氮气储箱（1）上设置有氮气压力传感器，所述煤油储箱（2）上设置有煤油压力传感器。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，其特征在于，所述燃料管道（4）上设置有燃料电磁阀、燃料流量计与燃料汽蚀文氏管，所述燃料电磁阀用于控制管路的通断，所述燃料流量计用于监测燃料管道（4）内燃料的流量，所述燃料汽蚀文氏管用于控制燃料流量。

6.根据权利要求5所述的一种利用谐振点火的液体火箭发动机推进系统，其特征在于，所述气体管道（9）上设置有气体电磁阀、气体流量计与气体汽蚀文氏管，所述气体电磁阀用于控制管路的通断，所述气体流量计用于监测管道内氧化亚氮的流量，所述气体汽蚀文氏管用于控制氧化亚氮流量。