一种气液式氧化亚氮煤油双组元小推力火箭发动机

技术领域

本发明涉及航天飞行器发动机技术领域。

背景技术

随着商业航天在全球范围内的快速发展，火箭等飞行器对发动机等动力装置的要求越来越高。对于液体火箭发动机来说，推进剂为火箭发动机提供初始的化学能和势能，同时要兼顾材料相容性、高效性、贮存安全性和环保性等多方面因素，因此推进剂的选择是发动机设计中的关键环节之一。目前运载火箭常用的液体推进剂绝大多数具有毒性，不仅污染环境、不易操作，而且对操作人员伤害极大，不适用于未来航天器对动力装置的要求。随着空间技术的发展，人们对空间飞行器的功能需求越来越多，各种姿轨控小推力发动机也越来越受到重视。氧化亚氮和煤油作为新型的火箭发动机推进剂，其具有无毒、相容性好、易操作等优点，受到了国内外工程师的青睐，其在小推力火箭发动机中具有广泛的应用前景。

目前国内外都在大力开展氧化亚氮双组元小推力火箭发动机的研制工作，各研究机构针对此方面的研究大多数以氧化亚氮为氧化剂，以烷类、醇类为燃料，进行相关的研究。文献CN211819718U氧化亚氮发动机、CN111173647A双组元氧化亚氮发动机中公开了本领域中的两种发动机，但是其点火方式为催化点火，发动机引入催化剂，结构仍然比较复杂，稳定性仍可待提高。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种以氧化亚氮/煤油作为双组元推进剂的气液式氧化亚氮煤油双组元小推力火箭发动机，结构简单，更符合产品工程化的需求。

本发明采用的技术方案是一种气液式氧化亚氮煤油双组元小推力火箭发动机，包括点火器、喷注器和燃烧室，点火器为电点火器，点火器通旋入喷注器中心的螺纹孔，安装有通点火器铜垫片调节点火器的轴向位置，安装完毕后点火器的点火嘴伸出喷注器平面1.5mm-3mm；喷注器通过法兰安装在燃烧室的一端，喷注器由不锈钢制成，包括穿插在喷注器上盖的功能性接口、喷注器上盖内安装的喷注器隔板，喷注器隔盘后的12组直流孔式同轴剪切气液喷嘴以及喷注盘，喷注器上盖扣合于喷主盘上端面，喷主盘外围设有法兰连接孔并通过螺栓连接于燃烧室；燃烧室包括燃烧室内壳、燃烧室外壳、安装在燃烧室外壳上的测压嘴接头、水冷套转接块、水冷套进出口管接头，两个水冷套转接块之间由水冷套导管相连。

喷注器上的功能性接口包括氧化剂接管嘴和燃料接管嘴，并与推进剂控制阀门连接。

燃烧室外壳上设有的水冷通孔，水冷套转接块包括活动水冷套转接块和固定水冷套转向块，固定水冷套转向块与燃烧室外壳的水冷通孔联通。

本发明的有益效果是采用氧化亚氮和煤油为推进剂介质，相比常规火箭发动机使用的肼类推进剂，氧化亚氮煤油的推进剂组合具有无毒的优点，除了为航天飞行器调姿变轨提供动力外，基于本发明所述的火箭发动机，还可以微调燃烧室接口，对地面高温试验装置提供热源，包括高效率液体增温装置、高温燃气发生装置，大型动力装置的点火器等。

附图说明

图1发动机总装示意图；

图2为点火器与喷注器安装关系示意图；

图3为点火器与喷注器安装关系示意图；

图4喷注器装配结构示意图；

图5火箭发动机模型；

图6燃烧室装配结构图；

图中标记为：1-点火器，12—点火嘴，2-点火器铜垫片，3-不锈钢螺栓，4-喷注器，5-燃烧室铜垫片，6-燃烧室，41-燃料接管嘴，42-氧化剂接管嘴，43-喷注器上盖，44-喷注器隔板，45-12组直流孔式同轴剪切气液喷嘴，46-喷注盘，61-燃烧室内壳，62-燃烧室外壳，63-测压嘴接头，64-水冷套进出口管接头，65-活动水冷套转接块，66-水冷套导管，67-固定水冷套转向块，51-燃烧室压力测压接嘴，52-水冷套出口，53-水冷套进口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明所述的产品包括点火器1、喷注器4和燃烧室6，点火器1和喷注器4、喷注器4和燃烧室6通过法兰螺接，连接面压紧铜垫片，保证对接面的密封性，其安装结构如图1所示。

其中点火器1采用高频电点火器，布置在喷注器中心处，负责引燃氧化亚氮和燃料的混合气。

如图2、图3所示，将燃烧室铜垫片5穿入喷注器4的定位台内，将燃烧室6与喷注器4对装，在每个法兰孔内穿入不锈钢螺栓3，保证紧固良好。将点火器铜垫片2穿入点火器1，旋入喷注器4中心的螺纹孔中，点火器铜垫片调节点火器的轴向位置，安装完毕后点火器的点火嘴伸出喷注器平面1.5mm-3mm，最佳实施方式为点火嘴伸出喷注器平面2mm，该伸出长度可保证火箭发动机稳定可靠的点火。

喷注器4由不锈钢制成，喷注器4通过各功能性接口与推进剂控制阀门连接，推进剂流入喷注器后，经由喷注器内部的流道布置对推进剂进行合理分配，通过喷嘴将推进剂雾化为小液滴，形成燃烧性更好的混合气。

如图5所示，喷注器上的功能性接口包括：氧化亚氮进口1、煤油进口2，氧化剂接管嘴42连通于氧化氧化亚氮控制阀门，燃料接管嘴41连通于煤油控制阀门

同时燃烧室外壳上也设有燃烧室压力测压嘴51、水冷套出口52和水冷套进口53。

如图4所示，喷注器由6种零件组成，包括燃料接管嘴1、氧化剂接管嘴2、喷注器上盖3、喷注器隔板4、12组直流孔式同轴剪切气液喷嘴5和喷注盘6。喷注器各零件均通过焊接连接，外部焊缝采用电子束焊和氩弧焊，内部焊缝采用钎焊，首先将喷注器上盖3、喷注器隔板4、12组直流孔式同轴剪切气液喷嘴5和喷注盘6按图4状态进行装配，在焊缝槽内涂抹适当的钎料进行内部焊缝钎焊，然后通过电子束焊将喷注器上盖3和喷注盘6的对接缝进行焊接，最后采用氩弧焊将燃料接管嘴1、氧化剂接管嘴2焊接在喷注器上盖3的指定位置。通过分析验证，直流孔式同轴剪切气液喷嘴采用12组的方案最利于稳定顺利的点火。

燃烧室6由不锈钢制成，结构采用水套冷却，作用是为推进剂高效燃烧提供空间，并且提供发动机所需的推力，如图6所示，燃烧室由7种零件组成，包括燃烧室内壳1、燃烧室外壳2、测压嘴接头3、水冷套进出口管接头4、水冷套转接块5、水冷套导管6和水冷套转向块7。燃烧室各零件均通过氩弧焊连接，首先将燃烧室内壳1和测压嘴接头3焊接，然后将燃烧室外壳2半剖为两半，与燃烧室内壳1和测压嘴接头3的组合件焊接，最后将水冷套进出口管接头4、活动水冷套转接块5、水冷套导管6和固定水冷套转向块7组合后焊接在燃烧室外壳表面，焊接过程中注意固定水冷套转向块7与燃烧室外壳2的水冷通孔联通，根据水冷套进出口管接头的位置要求，计算所需的水冷套导管6长度，实现可调水冷接口的目的。

可调接口水冷燃烧室，还可根据实际需要，调整燃烧室水冷套管接头的位置，便于产品与其他装置安装；

本发明的火箭发动机除了为航天飞行器调姿变轨提供动力外，基于本发明所述的火箭发动机，还可以微调燃烧室接口，对地面高温试验装置提供热源，包括高效率液体增温装置、高温燃气发生装置，大型动力装置的点火器等

本发明所述的产品是一款航天飞行器调姿变轨用火箭发动机，该火箭发动机使用的推进剂为氧化亚氮和煤油，相比现有常规的肼类推进剂，具有无毒的特点，满足产品工程化的需求。