[發明專利]自增壓固液混合發動機

在審

• 申請號: 202011057347.1
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112160848A
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 劉林林;何翔;胡松啟;魏祥庚
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F02K9/08
• 分類號: F02K9/08;F02K9/32;F02K9/34;F02K9/40;F02K9/97;F02K9/95
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 云燕春

本發明一種自增壓固液混合發動機，屬于航天推進技術領域；包括發動機前端蓋、燃燒室殼體、燃燒室絕熱層、燃燒室、燃料藥柱、后燃燒室及噴管、氧化劑貯箱、氧化劑集液腔、氧化劑輸送管路和金屬軟管；發動機前端蓋、后燃燒室及噴管分別設置于燃燒室的兩端；氧化劑集液腔為設置于后燃燒室及噴管外圍的環形腔體，并通過吸收噴管處的熱量將氧化劑集液腔內的液體氧化劑氣化；氧化劑貯箱通過流量調節閥與發動機前端蓋連接，并依次通過金屬軟管、氧化劑輸送管路與氧化劑集液腔連通。利用推進劑燃燒時產生的熱量加熱氧化劑，使液體氧化劑氣化，沿管路進入氧化劑貯箱，實現對氧化劑貯箱的壓力補償和增壓，能夠維持氧化劑貯箱內的壓強穩定。

技術領域

本發明屬于航天推進技術領域，具體涉及一種自增壓固液混合發動機。

背景技術

固液混合發動機是由液體氧化劑和固體燃料提供能源和工質源的航天動力裝置，具有安全可靠性高、推力可調、綠色環保、成本低廉等優點，可應用于探空火箭、運載火箭助推器、亞軌道飛行器和姿軌控發動機等。目前，固液混合發動機氧化劑增壓方式分為擠壓式和泵壓式兩種，其中，擠壓式氧化劑供給方式結構簡單、工作可靠，但是存在氧化劑供給質量流率不穩定、系統體積較大、發動機消極質量較高的問題；泵壓式氧化劑供給方式氧化劑輸送能力強、發動機消極質量低，但是該供給方式存在系統復雜、增壓響應慢、渦輪泵不易小型化等問題。

氧化劑自增壓，即利用氧化劑蒸汽作為增壓氣體，利用較高的氣相壓力將液態氧化劑擠出氧化劑貯箱，實現氧化劑向燃燒室的穩定供給。這種增壓方式不需要攜帶擠壓氣瓶或渦輪泵等增壓裝置，減輕了發動機的消極質量。該氧化劑供給方案實現方式如下：液態氧化劑從貯箱內流出，使得貯箱內壓力下降，當貯箱內壓力低于氧化劑飽和蒸汽壓時，剩余的液態氧化劑部分汽化，產生的氧化劑蒸汽，對貯箱內壓力進行補償。但是在實際工作過程中，液體汽化吸熱，貯箱內氧化劑溫度降低，氧化劑蒸汽生成量不足以維持貯箱內的壓力恒定，貯箱內壓力逐漸下降。2012年，蔡國飆等在Aerospace Science and Technology期刊第23卷第1期439-451頁題目為Design and performance characterization of a sub-Newton N₂O mono-propellant thruster的文章中指出，以自增壓方式供給氧化劑的發動機，在氧化劑貯箱內沒有熱補償的條件下，即使采用飽和蒸氣壓較高的氧化亞氮，在貯箱以恒定質量流量0.7g·s-1排出41％氧化亞氮后，貯箱內壓力從4.7MPa下降到1.8MPa，即氧化劑貯箱不能以恒定的質量流量將所有的氧化劑供應至燃燒室。

發明內容

要解決的技術問題：

固液混合發動機工作過程中，單純依靠氧化劑自增壓，會出現氧化劑供給壓力隨時間下降的情況，導致氧化劑質量流率降低。為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種自增壓固液混合發動機，該發動機在后燃燒室和噴管外設置夾層，作為氧化劑集液腔，集液腔內的液體氧化劑吸收高溫燃氣向后燃燒室及噴管壁面傳遞的熱量，汽化后沿輸送管路進入氧化劑貯箱實現對氧化劑貯箱內的壓力補償和熱補償，從而維持氧化劑貯箱內壓力恒定。

本發明的技術方案是：一種自增壓固液混合發動機，包括發動機前端蓋6、燃燒室殼體7、燃燒室絕熱層8、燃燒室9、燃料藥柱10和后燃燒室及噴管11，所述發動機前端蓋6、后燃燒室及噴管11分別設置于燃燒室9的兩端，所述燃燒室9的外周面依次包覆有燃燒室絕熱層8和燃燒室殼體7；所述燃料藥柱10設置于燃燒室9內；其特征在于：還包括氧化劑貯箱1、氧化劑集液腔13、氧化劑輸送管路14和金屬軟管16；

所述氧化劑集液腔13為設置于后燃燒室及噴管11外圍的環形腔體，用于容納液體氧化劑，并通過吸收噴管處的熱量將氧化劑集液腔13內的液體氧化劑氣化；