本發(fā)明屬于火箭發(fā)動機設計領域，涉及一種火箭發(fā)動機，具體來說是一種固液姿控火箭發(fā)動機，作為一種輔助動力系統(tǒng)進行航天器的姿態(tài)控制。

背景技術：

固液火箭發(fā)動機采用液體氧化劑和固體燃料，結構上兼?zhèn)淞艘后w火箭發(fā)動機和固體火箭發(fā)動機的共同特點，具有安全性好、容易進行推力調節(jié)、藥柱穩(wěn)定性好、環(huán)保性好、易關機和重新啟動、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，可用于探空火箭、姿軌控發(fā)動機、變推力發(fā)動機等領域。

同時，固液火箭發(fā)動機也存在裝填密度低、燃燒效率低、氧燃比會發(fā)生變化的缺點。

過氧化氫用作固液火箭發(fā)動機的氧化劑，具有無毒、無污染、高密度、易貯存、分解產(chǎn)生大的體積膨脹和熱量等優(yōu)點，是一種理想的綠色推進劑。固液火箭發(fā)動機與過氧化氫氧化劑配合使用的常用端羥基聚丁二烯(HTPB)、高密度聚乙烯(HDPE)、有機玻璃(PMMA)等。

目前的單組元姿控發(fā)動機主要采用肼類燃料催化分解，但是比推力低，催化劑來源受限，并需要對頭部進行預熱；雙組元姿控發(fā)動機的推進劑限于肼類和N2O4，且結構復雜。

過氧化氫固液火箭發(fā)動機常用的點火方案有：催化點火，固體藥盒點火，噴入自燃氧化劑點火，點火發(fā)動機點火。其中，固體藥盒點火安全性差，藥盒在前燃室內(nèi)需要做熱防護，藥盒金屬部分容易脫落對噴管造成潛在的危險；吸入自燃氧化劑點火系統(tǒng)復雜，需要額外的氧化劑供應系統(tǒng)；點火發(fā)動機點火容易產(chǎn)生點火超壓，且點火時溫度過高。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明專利提出一種結構簡單、成本低、安全性好、環(huán)保性好的端燃裝藥固液姿控火箭發(fā)動機，包括一種固液姿控火箭發(fā)動機，其特征在于：包括電磁閥、催化床、燃燒室和噴管，由前至后同軸相接構成；由輸送系統(tǒng)供給氧化劑。

所述電磁閥包括電磁閥閥體、銜鐵、文氏管、底座、電磁線圈與彈簧。其中，電磁閥閥體后端端部安裝有底座；且電磁閥閥體外壁周向上開槽纏繞電磁線圈。電磁閥閥體的后部設計有銜鐵容腔，內(nèi)部設置銜鐵。電磁閥閥體前部設計有與銜鐵容腔連通的氧化劑通道A，氧化劑通道A內(nèi)部安裝有文氏管。銜鐵前端面與電磁閥閥體間設置有彈簧。底座前部開有藥柱腔，藥柱腔內(nèi)部安裝有環(huán)形藥柱。底座后部開有氧化劑通道B。銜鐵內(nèi)還設計有周向均布的氧化劑通道C。上述氧化劑通道A、氧化劑通道B與氧化劑通道C連通構成氧化劑通路。銜鐵后端設計有密封頭；電磁線圈通電時，使密封頭頂在底座上，將氧化劑通道B前端部，截斷氧化劑供給通路。

所述催化床為蜂窩式結構，包括催化床殼體、液體均流板、氣體噴注面板與催化網(wǎng)。催化床殼體內(nèi)部前端與后端分別安裝液體均流板與氣體噴注面板，液體均流板與氣體噴注面板間安裝催化網(wǎng)。

所述燃燒室內(nèi)藥柱的中部周向上均勻開設有貫通藥柱前后端面的高硅氧通道，高硅氧通道內(nèi)壁及藥柱前端面上均由高硅氧包覆。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機，采用雙模式工作，兼具了單組元姿控發(fā)動機結構簡單、可靠性高和雙組元姿控發(fā)動機比沖高、開關迅速的優(yōu)點；

2、本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機，在裝藥設計上，采用端面燃燒裝藥藥形，可以提高藥柱的裝填分數(shù)、減小發(fā)動機的長細比、維持燃燒過程中氧燃比的穩(wěn)定，并且可以減少發(fā)動機的余藥質量；

3、本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機，輸送系統(tǒng)采用兩套氣瓶貯箱作為冗余設計，可以提高系統(tǒng)的可靠性；

4、本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機，采用高濃度過氧化氫和HTPB作為推進劑，HTPB與三元乙丙橡膠直接澆筑在燃燒室內(nèi)，結構可靠、環(huán)保性好；

5、本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機，在發(fā)動機工作過程中，保持端面燃燒的狀態(tài)，由于燃燒區(qū)域遠離催化床和閥門，熱防護容易實現(xiàn)；

6、本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機，固液火箭發(fā)動機端面燃料在氧化劑流量固定時，燃料流量不發(fā)生變化，避免了氧燃比變化引起的比沖損失；

7、本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機，固液火箭發(fā)動機燃料的流量隨著氧化劑的變化而變化，易于通過調節(jié)氧化劑流量實現(xiàn)發(fā)動機推力的調節(jié)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機整體結構示意圖；

圖2為本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機中電磁閥結構示意圖；

圖3為本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機中催化床結構示意圖；

圖4為本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機中燃燒室結構示意圖。

圖5為本發(fā)明固液姿控火箭發(fā)動機過氧化氫輸送系統(tǒng)結構示意圖。

圖中：

1-電磁閥 2-催化床 3-燃燒室

4-噴管 5-輸送系統(tǒng) 101-電磁閥閥體

102-銜鐵 103-文氏管 104-底座

105-電磁線圈 106-罩殼 107-彈簧

108-氧化劑通道A 109-氧化劑通道B 110-氧化劑通道C

111-密封頭 201-催化床殼體 202-液體均流板

203-氣體噴注面板 204-催化網(wǎng) 301-燃燒室殼體

302-絕熱層 303-藥柱 501-氦氣充氣泄出手閥

502-氦氣瓶 503-節(jié)流電磁閥 504-過氧化氫貯箱

505-安全閥 506-隔離電磁閥

具體實施方案

下面結合附圖對本發(fā)明專利做進一步的說明。

本發(fā)明專利提出一種固液姿控火箭發(fā)動機，為電磁閥1、催化床2、燃燒室3和噴管4由前至后同軸相接構成，并采用輸送系統(tǒng)5供給氧化劑，如圖1所示。

所述電磁閥1為直動式電磁閥，包括電磁閥閥體101、銜鐵102、文氏管103、底座104、電磁線圈105、罩殼106與彈簧107，如圖2所示。其中，電磁閥閥體101為柱狀結構，后端端部安裝有底座104；且電磁閥閥體101外壁周向上開槽，槽內(nèi)纏繞有電磁線圈105，電磁線圈105通過電磁閥閥體101外壁上套裝的罩殼106密封。電磁閥閥體101的后部同軸設計有銜鐵容腔，銜鐵容腔內(nèi)同軸設置有柱狀軟磁合金1J50材料的銜鐵102，且銜鐵102與電磁閥閥體101之間采用氟橡膠O型圈密封，保證電磁閥1與多種介質的相容性。電磁閥閥體101前部同軸設計有與銜鐵容腔連通的氧化劑通道A108，氧化劑通道A108內(nèi)部前端同軸安裝有文氏管103，流體(氧化劑)由氧化劑通道A108前端進入，由文氏管103對流體流量進行控制。氧化劑通道A108后端設計為大直徑段空腔，與銜鐵102前端端面上同軸設計的開孔共同構成彈簧腔，內(nèi)部設置有彈簧107，彈簧107的前端伸入大直徑段內(nèi)通過臺肩定位；彈簧107的后端伸入開孔內(nèi)定位。底座104前部開有藥柱腔，藥柱腔與銜鐵容腔連通，藥柱腔內(nèi)部安裝有環(huán)形藥柱110；底座104后部開有與藥柱腔連通氧化劑通道B109。上述銜鐵102內(nèi)還設計有周向均布的n條氧化劑通道C110，n≥2，且n條氧化劑通道C110的前端匯集連通后與彈簧腔連通，n條氧化劑通道C110后端與藥柱腔連通；由此通過氧化劑通道A108、氧化劑通道B109與氧化劑通道C110共同構成氧化劑通路，流體依次經(jīng)氧化劑通道A108、彈簧腔、氧化劑通道B109、藥柱腔、氧化劑通道C110后，進入催化床2。銜鐵102后端端部同軸設計有密封頭111；未通電時，銜鐵102在彈簧力的作用下，使密封頭頂在底座104上，并將氧化劑通道B109前端部，由此截斷氧化劑供給通路；此時電磁閥1處于關閉狀態(tài)。通電后，在電磁線圈105磁場力的作用下，銜鐵102受到電磁閥閥體101的吸引，克服彈簧力，銜鐵102向前移動，此時，密封頭111與底座104分離，導通氧化劑供給通路，使流體進入氧化劑通道C110，并由電磁閥1的出口流出。斷電后，磁力消失，通過彈簧力使得銜鐵102回到初始位置，截斷氧化劑供給通路，電磁閥1處于關閉狀態(tài)。上述電磁閥1由于流體壓力作用在密封頭111的側面，故密封彈簧力、開啟電磁力受流體壓力的影響較小。本發(fā)明中電磁閥閥體101采用不銹鋼1Cr18NI9Ti與軟磁合金1J50焊接后精加工而成，增大通電情況下與銜鐵102的磁力，

所述催化床2為蜂窩式結構，包括催化床殼體201、液體均流板202、氣體噴注面板203與催化網(wǎng)204，如圖3所示，均采用不銹鋼材質。其中，催化床殼體201為筒狀結構，前端具有接頭，與電磁閥1的出口連通。催化床殼體201內(nèi)部前端與后端分別同軸安裝有液體均流板202與氣體噴注面板203，液體均流板202與氣體噴注面板203間安裝有催化網(wǎng)204。本發(fā)明中催化網(wǎng)204選用蜂窩型整體催化劑床，催化劑的載體是堇青石蜂窩陶瓷，優(yōu)化后的催化床2啟動延遲時間能到100ms。本發(fā)明中液體均流板202采用蓮蓬式噴注方案，使過氧化氫均勻進入催化床，充分利用催化床2性能，同時避免局部過熱引起過氧化氫爆炸。由此，經(jīng)電磁閥1流出的過氧化氫，進入催化床殼體201內(nèi)，經(jīng)液體均流板202均勻噴注到催化網(wǎng)204上，在催化劑的作用下分解為水和氣氧，并釋放出大量的熱，產(chǎn)生高溫水蒸汽和氧氣的混合物，并通過氣體噴注面板204使催化后高溫氣體均勻進入燃燒室3。

所述燃燒室3包括燃燒室殼體301、絕熱層302與藥柱303，如圖4所示。其中，燃燒室殼體301采用不銹鋼材質，前端與催化床殼體1后端連通。燃燒室殼體301內(nèi)部設置有藥柱303，藥柱303采用端羥基聚丁二烯(HTPB)。燃燒室殼體301內(nèi)壁上安裝有絕熱層302，絕熱層302采用三元乙丙橡膠；且絕熱層采取不等厚設計，厚度由燃燒室殼前端至后端逐漸減小，由此可節(jié)約材料的成本，并且減輕發(fā)動機的質量。燃燒室殼體301后端與鈮鎢合金材料的噴管4前端間周向臺肩配合定位并固定，且相接處安裝有高硅氧絕熱板305，起到隔熱的作用。上述藥柱303中部周向上均勻開設有6個貫通藥柱303前后端面的高硅氧通道304，高硅氧通道304內(nèi)壁及藥柱303前端面上均由高硅氧包覆，可以防止在高硅氧通道304內(nèi)產(chǎn)生側燃，同時高硅氧盤還可防止熱量回流進入催化床2中。由此，進入燃燒室3內(nèi)高溫氧氣通過藥柱303前端面進入高硅氧通道304中，流入藥柱303后端與燃燒室3后端間形成的后燃室，藥柱303在高溫的作用下分解，產(chǎn)生1-3丁二烯(C4H8)，在藥柱303后端面與氧氣發(fā)生燃燒反應，并保持端燃的狀態(tài)，最終高溫燃氣通過噴管4噴出產(chǎn)生推力。

所述輸送裝置5采用氦氣擠壓式輸送裝置，具有兩套氣瓶貯箱輸送系統(tǒng)5，兩套氣瓶貯箱輸輸送系統(tǒng)互為冗余，均可實現(xiàn)固液姿控火箭發(fā)動機的氧化劑輸送，提高輸送裝置的可靠性，如圖5所示。所述氣瓶貯箱輸送系統(tǒng)包括氦氣充氣泄出手閥501、氦氣瓶502、節(jié)流電磁閥503、過氧化氫貯箱504、安全閥505與隔離電磁閥506。其中，氦氣瓶502頂部通過充氣管路連接氦氣充氣泄出手閥501，氦氣由充氣管路沖入氦氣瓶502中，通過氦氣充氣泄出手閥501控制向氦氣瓶502的充入和泄出氦氣。氦氣瓶502和過氧化氫貯箱504間通過安裝有含節(jié)流孔板的節(jié)流電磁閥503的管路相連；過氧化氫貯箱504上安裝有壓力表P1，用來采集氧化氫貯箱504內(nèi)壓力，根據(jù)氧化氫貯箱504內(nèi)壓力，控制節(jié)流電磁閥開關，進而維持過氧化氫貯箱504內(nèi)的壓力平穩(wěn)。氧化氫貯箱504上還通過管路連接有安全閥505，當氧化氫貯箱504超壓時，通過開啟安全閥505進行泄壓。過氧化氫貯箱504底部與輸送管路相連，輸送管路上安裝有隔離電磁閥506，用來控制輸送管路的通斷。上述兩套氣瓶貯箱輸送系統(tǒng)中輸送管路通過總管路與電磁閥閥體101中氧化劑通道A108的前端連通。由此當隔離電磁閥506打開時，過氧化氫貯箱504內(nèi)的過氧化氫可進入電磁閥閥體101內(nèi)。上述氧化氫貯箱504選用囊式貯箱，具有排空效率高、相容性好等優(yōu)點。