新型火箭和飞船用系列过氧化氢推力室制造技术

本发明专利技术是新型火箭和飞船用系列过氧化氢推力室，包括姿控微型、轨控小型、有声腔中型、有隔板大型和超大型。工业级79.1％至84.9％过氧化氢用作氧化剂和再生冷却剂。无毒自燃混合燃料(NHMF)、煤油或液氢为燃料。推进剂中无毒可储存成分占95％至100％，使用方便。催化剂床的分解率控制在75％至95％，利于催化剂床的研制和延长寿命。有高强度头部、再生冷却十九区隔板、半敞开式声腔、气液互击喷注器、多孔锥壳等新结构。由于燃烧温度、分解温度和再生冷却温升都低，工作条件大为改善。用在助推或一级火箭密度比冲高、二级比冲较高和芯一级切换燃料推进性能好。适用于25次以上重复使用、载人登月登火星等新型火箭和飞船用发动机。

A series of hydrogen peroxide thrust chambers for new rockets and spacecraft

The invention is a new type of rocket and spacecraft with hydrogen peroxide series thrust chamber, including attitude control and orbit control of small and micro cavity medium, large and super large separator. Industrial grade 79.1% to 84.9% hydrogen peroxide used as oxidant and regeneration coolant. No spontaneous combustion of mixed fuel (NHMF), kerosene or hydrogen as fuel. The non-toxic and storable components in propellants account for 95% to 100%, and are easy to use. The decomposition rate of the catalyst bed is controlled from 75% to 95%, which is beneficial to the preparation of the catalyst bed and to prolonging the life. High strength head, regeneration of new cooling structure nineteen zone partition, semi open cavity, gas-liquid impinging injector, porous cone shell etc.. As the combustion temperature, decomposition temperature and regeneration cooling temperature rise are low, the working conditions have been greatly improved. Used in booster or first stage rocket, density ratio, impulse, two stage specific impulse, and core level switching, fuel propulsion performance is good. Applicable to more than 25 repeated use, manned lunar landing, Mars and other new rockets and spacecraft engines.

【技术实现步骤摘要】
新型火箭和飞船用系列过氧化氢推力室
本专利技术涉及新型火箭和飞船用系列过氧化氢推力室，属于液体火箭发动机

技术介绍
经过七十多年发展，世界的火箭和飞船及其发动机技术取得很大成就。新的发展方向是研制25次以上重复使用、载人登月登火星等新型火箭和飞船及其适用发动机。现在的高压补燃液氧煤油发动机和液氧液氢发动机很先进，但技术难度大。推力室三底二腔和四底三腔结构及数以千计的喷嘴，加工麻烦、头部强度不高和较多地增加推力不易。另外，冷冻推进剂使用不太方便，燃烧温度高达3400-3500℃，液氧不能用作再生冷却剂，煤油的再生冷却性能有限，液氢的密度大约只有水的十四分之一。因此，这两种发动机并不很适合用于新型火箭。现在的飞船和卫星仍在使用有毒可储存推进剂发动机，需要无毒化。有七十多年研制历史的过氧化氢发动机，是用85％、90％、98％等逐步提高浓度的过氧化氢作为氧化剂和再生冷却剂，用煤油或无毒自燃混合燃料(NHMF)为燃料。虽然有使用无毒可储存推进剂的优点，但由于高浓度过氧化氢安全性未达到足够高等原因，实际应用不多。为了提高过氧化氢的安全性、使用性和经济性，本人反其道行之，提出使用中等浓度70％至79％过氧化氢的四种火箭推力室。已经获得中国专利授权ZL201320842845.6、ZL201410071973.4、ZL201410246890.4和ZL201510012558.6。这些推力室能使发动机的安全性、综合性能和应用范围有较大提高。分解过氧化氢生成的氧气和水蒸汽有望用于航天员长期飞行的生命维持系统。美中不足的是使用煤油燃料的发动机比冲数值偏低，点火起动需借助电火花塞或点火剂，不适合用作飞船和卫星的姿态控制和轨道控制发动机，且推力室结构在强度等方面不适合超大型发动机。
技术实现思路
針对新型火箭和飞船需要更适用的发动机，还針对高浓度过氧化氢安全性未达到足够高和中等浓度过氧化氢推力室存在不足，为了满足需要和弥补不足，本专利技术提出新型火箭和飞船用系列过氧化氢推力室。过氧化氢有两种：高纯度航天级过氧化氢和稳定剂多的工业级过氧化氢。对于同一浓度过氧化氢，航天级比工业级的安全性差和价格高。例如，中国企业1千克75％过氧化氢的人民币价格为工业级6元和航天级20元。各国的航天动力一直使用航天级高浓度过氧化氢，以便于催化剂床完全分解过氧化氢。使得分解生成氧气和水蒸汽的混合气与煤油的气液燃烧以及液体过氧化氢与无毒自燃混合燃料(NHMF)的液液自燃燃烧都能充分进行。出于对安全性、经济性、使用性和比冲性能的综合考虑，本专利技术折中选取工业级较高浓度79.1％至84.9％过氧化氢作为氧化剂和再生冷却剂。工业级较高浓度79.1％至84.9％过氧化氢是无色、无气味和无毒的液体。稳定剂含量一般比航天级高出20倍。安全性明显提高，腐蚀性较低。冰点-25.3--17.7℃，沸点132.2-136.9℃，使用方便。密度高，在温度25℃的密度为1.3304-1.3598g/cm3。完全分解温度为483.4-628.5℃，与驱动涡轮的理想温度500℃较接近。是火箭推力室身部和隔板的一种良好再生冷却剂，有较小的再生冷却温升20-40℃。供应充足，价格不高。工业级较高浓度79.1％至84.9％过氧化氢的先天不足是不利于催化剂床对其完全分解。本专利技术顺势而为，设法使得催化剂床在稳态工作时有75％至95％分解率。使得过氧化氢分解温度可控制在更理想的400-500℃。由于不完全分解过氧化氢生成的富氧气中有一些未分解过氧化氢，在点火起动和稳态燃烧时宜采用与过氧化氢自燃的无毒自燃混合燃料(NHMF)。相应的燃烧方式是以气液燃烧为主和液液自燃燃烧为辅的气液液三流体燃烧方式。当使用煤油或液氢燃料时，是把其中的液液自燃燃烧改为液液受热汽化燃烧，仍属于气液液三流体燃烧。一种过氧化氢/NHMF姿态控制微型推力室，由顶盖、头壳或头壳A、单壁身部、氧化剂电磁阀、燃料电磁阀、催化剂床、燃料喷注环、均流板、法兰盘、螺栓、螺帽、垫片和密封垫组成，螺接和焊接成一体。头壳开有沿圆周均布的2至4个富氧气轴向孔或头壳A开有中心1个富氧气轴向孔，头壳A还开有1个燃料斜孔或燃料喷注环开有沿圆周均布的2至4个燃料斜孔用来喷注无毒自燃混合燃料(NHMF)，构成两种孔中心线相交夹角(互击角)30-60度的气液互击喷注器。氧化剂电磁阀和燃料电磁阀的不同开关状态组合构成推力室的四种工况：两种电磁阀同步打开进入双组元稳态工作状况，同步关闭结束稳态工况。两种电磁阀连续开闭，开和闭的间隔时间为50毫秒，形成长脉冲工况。氧化剂电磁阀常开，燃料电磁阀连续开闭，开和闭的间隔时间等于或小于20亳秒，形成双组元燃烧与单组元分解之间连续转换的独特短脉冲工况。燃料电磁阀常闭，氧化剂电磁阀连续开闭，则是单组元脉冲工况。头壳或头壳A的内部装有催化剂床，省去以往用的支撑板零件。单壁身部用碳钎维增強复合等耐高温材料制作。如果是用能够焊接的耐高温金属材料，可以取消法兰盘螺接结构。一种过氧化氢/NHMF轨道控制小型推力室，由承力座、锥壳、交错孔环、均流板、催化剂床、喷注器盘、燃料集合器、燃料进入管、传统再生冷却身部、氧化剂进入管和搭板组成，焊接成一体。喷注器盘开有按同心圆排列和沿圆周均布的富氧气轴向孔，还开有数量相同的燃料斜孔用来喷注无毒自燃混合燃料(NHMF)，构成两种孔互击角30-60度的气液互击喷注器。喷注器盘开有与径向线平行的输液孔用于向燃料斜孔输送燃料。交错孔环开有氧化剂轴向孔和燃料径向孔。喷注器盘支撑催化剂床。一种设置半敞开式声腔中型推力室，由承力座、锥壳、直槽声腔、均流板、催化剂床、喷注器盘、传统再生冷却身部、氧化剂进入管、圆锥内壁、圆锥外壁、燃料集合器和燃料进入管组成，焊接成一体。喷注器盘开有按同心圆排列和沿圆周均布的富氧气轴向孔及外圈向外倾斜10-20度并可减小孔径的富氧气斜孔，还开有与富氧气轴向孔互击角30-60度的燃料斜孔及与富氧气斜孔互击角10-30度的外圈燃料孔，构成气液互击喷注器。用富氧气斜孔及其小的互击角，是为了缩小声腔外的回流区和降低回流燃气温度，防止烧坏回流区零件。喷注器盘开有与径向线平行的输液孔和输液深孔，用于向燃料斜孔和外圈燃料孔输送燃料。喷注器盘、催化剂床和均流板连在一起，增大喷注器盘的刚度和强度。半敞开式直槽声腔的深声腔槽和浅声腔槽沿圆周相间排列并在实体部分开有供液体流过的过氧化氢轴向孔和燃料径向孔。深声腔槽用来抑制一阶切向声学振动和浅声腔槽用来抑制一阶径向声学振动。此推力室和前两种有催化剂床的推力室都由挤压式供应系统供应氧化剂和燃料。燃料斜孔和外圈燃料孔喷注无毒自燃混合燃料(NHMF)，或者先喷注NHMF工作1-5秒后无时间间隔地切换成喷注煤油。由此构成挤压式过氧化氢/NHMF或煤油有声腔中型推力室。该中型推力室作结构变动：取消催化剂床和均流板，去掉直槽声腔的氧化剂轴向孔而成为直槽声腔A，承力座改为带进气管承力座，圆锥外壁开有沿圆周均布的流动孔而成为圆锥外壁A，增设氧化剂输出集合器和氧化剂输出管。燃料斜孔和外圈燃料孔还可喷注液氢。这种推力室及下面的超大型和大型推力室，都把具有相同特点的催化剂床从推力室转移到供应系统的反应器内。催化分解过氧化氢生成不完全分解产物的全部或一部分用来驱动涡轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过氧化氢/NHMF姿态控制微型推力室，由顶盖(1)、头壳(2)或头壳A(2A)、单壁身部(3)、氧化剂电磁阀(4)、燃料电磁阀(5)、催化剂床(6)、燃料喷注环(7)、均流板(8)、法兰盘(9)、螺栓(10)、螺帽(11)、垫片(12)和密封垫(13)组成，螺接和焊接成一体，其特征在于：所述的催化剂床(6)通过改变银网层数和流强对工业级79.1％至84.9％过氧化氢的分解率控制在75％至95％，头壳(2)开有沿圆周均布的2至4个富氧气轴向孔(14)或头壳A(2A)开有中心1个富氧气轴向孔(14)，头壳(2A)还开有1个燃料斜孔(15)或燃料喷注环(7)开有沿圆周均布的2至4个燃料斜孔(15)用来喷注无毒自燃混合燃料(NHMF)，富氧气轴向孔(14)与燃料斜孔(15)的互击角30‑60度构成气液互击喷注器，氧化剂电磁阀(4)和燃料电磁阀(5)的不同开关状态组合构成推力室的稳态、长脉冲、短脉冲、单组元脉冲等四种工况，头壳(2)或头壳A(2A)的内部装有催化剂床(6)并对其支撑，单壁身部(3)用碳钎维增強复合等耐高温材料制作。

【技术特征摘要】
1.一种过氧化氢/NHMF姿态控制微型推力室，由顶盖(1)、头壳(2)或头壳A(2A)、单壁身部(3)、氧化剂电磁阀(4)、燃料电磁阀(5)、催化剂床(6)、燃料喷注环(7)、均流板(8)、法兰盘(9)、螺栓(10)、螺帽(11)、垫片(12)和密封垫(13)组成，螺接和焊接成一体，其特征在于：所述的催化剂床(6)通过改变银网层数和流强对工业级79.1％至84.9％过氧化氢的分解率控制在75％至95％，头壳(2)开有沿圆周均布的2至4个富氧气轴向孔(14)或头壳A(2A)开有中心1个富氧气轴向孔(14)，头壳(2A)还开有1个燃料斜孔(15)或燃料喷注环(7)开有沿圆周均布的2至4个燃料斜孔(15)用来喷注无毒自燃混合燃料(NHMF)，富氧气轴向孔(14)与燃料斜孔(15)的互击角30-60度构成气液互击喷注器，氧化剂电磁阀(4)和燃料电磁阀(5)的不同开关状态组合构成推力室的稳态、长脉冲、短脉冲、单组元脉冲等四种工况，头壳(2)或头壳A(2A)的内部装有催化剂床(6)并对其支撑，单壁身部(3)用碳钎维增強复合等耐高温材料制作。2.一种过氧化氢/NHMF轨道控制小型推力室，由承力座(16)、锥壳(17)、交错孔环(18)、均流板(8)、催化剂床(6)、喷注器盘(19)、燃料集合器(20)、燃料进入管(21)、传统再生冷却身部(22)、氧化剂进入管(23)和搭板(24)组成，焊接成一体，其特征在于：所述的催化剂床(6)通过改变银网层数和流强对工业级79.1％至84.9％过氧化氢的分解率控制在75％至95％，喷注器盘(19)开有按同心圆排列和沿圆周均布的富氧气轴向孔(14)及用来喷注无毒自燃混合燃料(NHMF)的燃料斜孔(15)，燃料斜孔(15)和富氧气轴向孔(14)的数量相同和互击角30-60度构成气液互击喷注器，喷注器盘(19)开有与径向线平行的输液孔(25)用于向燃料斜孔(15)输送燃料，交错孔环(18)开有氧化剂轴向孔(26)和燃料径向孔(27)，喷注器盘(19)支撑催化剂床(6)，传统再生冷却身部(22)的冷却通道(28)流过的是工业级79.1％至84.9％过氧化氢。3.一种设置半敞开式声腔中型推力室，由承力座(16)、锥壳(17)、直槽声腔(29)、均流板(8)、催化剂床(6)、喷注器盘(19)、传统再生冷却身部(22)、氧化剂进入管(23)、圆锥内壁(30)、圆锥外壁(31)、燃料集合器(20)和燃料进入管(21)组成，焊接成一体，其特征在于：所述的催化剂床(6)通过改变银网层数和流强对工业级79.1％至84.9％过氧化氢的分解率控制在75％至95％，喷注器盘(19)开有按同心圆排列和沿圆周均布的富氧气轴向孔(14)和外圈向外倾斜10-20度并可减小孔径的富氧气斜孔(32)，喷注器盘(19)还开有燃料斜孔(15)和外圈燃料孔(15A)用来喷注无毒自燃混合燃料(NHMF)或者先喷注NHMF工作1-5秒后无时间间隔地切换成喷注煤油，燃料斜孔(15)与富氧气轴向孔(14)的互击角30-60度及外圈燃料孔(15A)与富氧气斜孔(32)的互击角10-30度构成气液互击喷注器，喷注器盘(19)开有与径向线平行的输液孔(25)和输液深孔(33)用于向燃料斜孔(15)和外圈燃料孔(15A)输送燃料，直槽声腔(29)沿圆周相间开有深声腔槽(34)和浅声腔槽(35)并在深声腔槽(34)的外侧开有氧化剂轴向孔(26)和在浅声腔槽(35)的背后开有燃料径向孔(27)，推力室直径Dc大于声腔槽内径D1和小于声腔槽外径D2而使直槽声腔(29)成为半敞开式声腔，喷注器盘(19)、催化剂床(6)和均流板(8)连在一起，传统再生冷却身部(22)的冷却通道(28)流过的是工业级79.1％至84.9％过氧化氢，由此构成挤压式过氧化氢/NHMF或煤油有声腔中型推力室。4.如权利要求3所述的一种设置半敞开式声腔中型推力室，其特征在于：取消催化剂床(6)和均流板(8)，去掉直槽声腔(29)的氧化剂轴向孔(26)而成为直槽声腔A(29A)，承力座(16)改为带进气管承力座(36)，圆锥外壁(31)开有沿圆周均布的流动孔(37)而成为有孔圆锥外壁(31A)，增设氧化剂输出集合器(38)和氧化剂输出管(39)，燃料斜孔(15)和外圈燃料孔(15A)还可喷注液氢，由此构成泵压式过氧化氢/NHMF或煤油或液氢有声腔中型推力室。5.一种设置再生冷却隔板超大型推力室，由承力座A(16A)、多孔锥壳(40)、外锥壳(41)、富氧气导管(42)、有孔承力连接件(43)、有孔第二承力连接件(43A)、有径向孔连接环(44)、大直径喷注器盘(45)、燃料喷注环(7)、燃料喷注弧段组(46)、径向条状盖板组(47)、再生冷却隔板(48)、前连接内壁(49)、有孔搭板(50)、燃料集合器(20)、燃料进入管(21)、氧化剂输出集合器(38)、氧化剂输出管(39)、传统再生冷却身部(22)和氧化剂进入管(23)组成，焊接成一体，其特征在于：所述的大直径喷注器盘(45)分为中心圆形区(51)、六个扇形区(52)和十二个外扇形区(53)并在各区内按同心圆开有孔径5-10mm的富氧气轴向孔(14)、隔板两边轴向孔(14A)和外圈小孔径轴向孔(14B)用来喷注工业级79.1％至84.9％过氧化氢分解率为75％至95％的涡轮后富氧气，燃料喷注环(7)和燃料喷注弧段组(46)双排开有孔径不大于2mm的燃料斜孔(15)、外圈燃料孔(15A)和隔板两边燃料孔(15B)用来喷注无毒自燃混合燃料(NHMF)或者先喷注NHMF工作1-5秒后无时间间隔地切换成喷注煤油...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛明龙，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：葛明龙，葛静，
类型：发明
国别省市：北京,11