一种基于双路单喷嘴离心喷注器的空间双组元轨控发动机制造技术

一种基于双路单喷嘴离心喷注器的空间双组元轨控发动机，适用于航天飞行器的轨道机动、轨道转移等任务需求，包括安装接板、加热装置、控制阀、螺钉、主体结构、内喷嘴、外喷嘴、测温传感器、燃烧室和喷管，当控制阀开启后，氧化剂、燃烧剂两种推进剂分别进入离心式喷注器的外喷嘴、内喷嘴的旋流腔内进行高速旋转，在喷口形成旋流雾锥，并按照一定质量流量比例雾化喷出，两种推进剂在涂覆了耐高温抗氧化涂层的燃烧室内混合燃烧，最终形成高温燃气，在拉瓦尔喷管内膨胀加速，形成推力。

A Space Bipropellant Track Control Engine Based on Double-way Single-nozzle Centrifugal Injector

A space bipropellant orbit control engine based on dual single nozzle centrifugal injector is suitable for spacecraft orbit maneuver, orbit transfer and other mission requirements, including installation of adapter, heating device, control valve, screw, main structure, internal nozzle, external nozzle, temperature sensor, combustion chamber and nozzle. When the control valve is opened, the two propellants, oxidant and burner, are separated. Do not enter the swirl chamber of the outer nozzle and the inner nozzle of the centrifugal injector to rotate at high speed. A swirl fog cone is formed in the nozzle and sprayed in proportion to a certain mass flow rate. The two propellants are mixed and burned in the combustion chamber coated with high-temperature anti-oxidation coating, eventually forming high-temperature gas, which expands and accelerates in the Laval nozzle to form thrust.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双路单喷嘴离心喷注器的空间双组元轨控发动机
本专利技术涉及一种基于双路单喷嘴离心喷注器和硅化钼复合涂层推力室的空间双组元轨控发动机，适用于航天飞行器的轨道机动、轨道转移等任务需求。
技术介绍
双路单喷嘴离心式发动机采用嵌套结构的双路离心喷嘴来实现氧、燃两路推进剂的喷注，通过压降势能和旋流作用，使推进剂以高速的旋转射流状态喷出，在内、外力的扰动作用下，部分液滴雾化、蒸发参与自燃反应。基于离心式单喷嘴喷注方案的空间轨控发动机具有高性能、长寿命、燃烧稳定性好以及可多次重复启动的特点，能够为大型卫星平台、在轨服务舱等航天器提供可靠动力，可以满足高效的轨道转移以及频繁的在轨机动等任务要求，具备很好的应用潜力。但是，不同于高室压发动机，空间推进系统能够提供的工作压力有限，在较低的压降下要提高喷嘴的喷注效果比较困难。尤其对于离心式发动机而言，在低压降的条件下，难以获得理想的喷注速度和角度，影响雾化的质量。此外，离心式喷注器的喷注形式和燃烧室的设计状态都会对燃烧和冷却产生至关重要的影响，而且存在严重的耦合关系。如果雾化、掺混的不充分，则发动机性能势必会大打折扣，如果燃烧温度分布不合理或者冷却不充分，则将导致燃烧室局部高温，进而影响工作寿命。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于双路单喷嘴离心喷注器和硅化钼复合涂层推力室的空间双组元轨控发动机。本专利技术的技术方案是：一种基于双路单喷嘴离心喷注器的空间双组元轨控发动机，发动机包括控制阀、喷注器、推力室和温控装置；控制阀与喷注器连接，通过控制阀分别控制氧化剂、燃烧剂供给的通断；喷注器采用内外喷嘴同轴嵌入式旋流腔的结构，将氧化剂、燃烧剂喷入与之相连的推力室，温控装置为发动机提供温度保证，用以维持推进剂的正常状态。进一步的，所述喷注器包括安装接板、主体结构、内喷嘴、外喷嘴；安装接板与主体结构连接，主体结构用于提供内喷嘴、外喷嘴、控制阀的连接接口；内喷嘴、外喷嘴均为带有旋流腔的中空圆柱体，顶端一侧带有一圈环槽，环槽内均匀分布若干切向孔；内喷嘴、外喷嘴在旋流腔底部以一定角度收缩，最终形成一个圆柱体的喷口，与外界环境连通；内喷嘴同轴装入外喷嘴内腔中并固定，形成内外喷嘴组合件。进一步的，所述的安装接板为带有安装孔的中空圆板，主体结构的顶端插入安装接板的中心空部并连接；主体结构为顶端、底端分别有一个中心孔的圆柱体，两侧各有一个带有中心孔的圆柱台；主体结构底端中心孔内和圆柱体外均带有一个定位台阶；由内喷嘴、外喷嘴构成的内外喷嘴组合件从主体结构底部中心孔装入，压紧在主体结构中空的定位台阶上并固定；主体结构两侧带有中心孔的圆柱台分别与两台控制阀出口对接并固定。进一步的，主体结构的顶端插入安装接板的中心空部并通过电子束焊接固定；内外喷嘴组合件压紧在主体结构中空的定位台阶上并通过电子束焊接固定。进一步的，喷注器内路流量的调节通过内喷嘴切向孔的直径来控制，外路流量的调节通过外喷嘴切向孔的直径来控制。进一步的，喷注器内路雾化角的角度通过内喷嘴喷口的长度来控制，外路雾化角的角度通过外喷嘴喷口的长度来控制。进一步的，喷注器采用全电子束焊接结构。进一步的，推力室通过电子束焊接与喷注器连接，温控装置通过激光焊接与喷注器连接。进一步的，所述的推力室包括燃烧室、喷管；燃烧室为中空的薄壁回转体，小直径一端为直筒形的等壁厚圆柱体，壁厚满足强度设计要求，顶部带有台阶，与主体结构圆柱体外的台阶对接滑配，并通过电子束焊接连接，等壁厚圆柱体的另一端直径逐渐缩小，在喉部位置直径达到最小，通过喉部以后回转体的直径将再逐渐扩张增大，与喷管通过电子束焊接连接；喷管为拉瓦尔喷管，为薄壁钟形回转体，按照最大推力型线设计，小直径一端与燃烧室的大直径一端通过电子束焊接连接，焊接端壁厚1～2mm，随着钟形直径逐步增大，壁厚逐渐减小，在另一端的厚度0.4～0.6mm。进一步的，所述的燃烧室表面涂覆涂层，涂层为耐高温抗氧化的硅化钼涂层，采用真空离子镀+硅化包渗方法制备。进一步的，所述的燃烧室的特征长度大于900mm以上。进一步的，喷注器采用钛合金材料，推力室基材采用铌钨合金材料。进一步的，所述的温控装置包括加热装置、盖板、测温传感器；加热装置、盖板从顶部中心孔装入主体结构的中心孔中，通过盖板顶部与主体结构顶部平齐，并通过激光焊接进行固定；测温传感器安装在主体结构圆柱体外的台阶上端，通过激光焊接固定。进一步的，所述的加热装置为内嵌入加热丝的圆片式加热器，为了提高可靠性，集成主备份加热丝。进一步的，所述的控制阀选用通径合适的电磁阀或自锁阀产品。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术提出的空间双组元轨控发动机，采用了大直径旋流腔的设计结构以提高旋流影响，以降低流量系数，并增大切向分量，保证了喷注器在低压降状态下可以实现稳定的液流喷注、雾化。(2)本专利技术提出的空间双组元轨控发动机，喷注器主要由切向孔和喷口实现节流，通过切向孔和喷口长度控制组织氧化剂、燃烧剂两路推进剂分别以合理的速度和角度喷注出来，一方面调整喷注速度，控制液滴喷出的动量分布，实现冷却和燃烧合理的分配比，另一方面是调整喷注角度，决定撞壁以及撞壁后二次掺混的位置，使燃烧火焰靠近喷注面板，降低喉部热力负荷。通过精修切向孔的方法可以来调整和控制喷注器的水力学特性，使喷注器获得较好的一致性和均匀性。(3)本专利技术提出的空间双组元轨控发动机，喷注器的雾化角度可以通过喷口长度进行控制，喷口长度不会影响喷注器的流量压降特性，但可以调整雾化角度。喷口长度减少可以提高雾化角，喷口长度增大可以降低雾化角。(4)本专利技术提出的空间双组元轨控发动机，由于仅有一路喷注单元组成，即一个内喷嘴和一个外喷嘴，为同轴嵌入式结构，因此不会存在多个喷注单元燃烧振荡耦合的问题，具有良好的点火稳定性。(5)本专利技术提出的空间双组元轨控发动机，采用大燃烧空间设计，增长燃烧室长度，留出部分空间用于液滴的撞壁、二次雾化以及扩散掺混，另燃气有足够的停留时间实现充分燃烧。(6)本专利技术提出的空间双组元轨控发动机，燃烧室表面涂覆涂层，涂层为耐高温抗氧化的硅化钼涂层，采用真空离子镀+硅化包渗方法制备，表面致密且光洁度高，可以有利于二次雾化和冷却液膜的铺展，与大流量的单路离心喷嘴的匹配性更好，两种推进剂液滴撞壁后二次掺混的效果更加理想。在高温段的燃烧室应用硅化钼涂层可以提高材料的耐温能力，比传统涂层的许用工作温度提高了100℃以上。此外，采用硅化钼复合涂层推力室可以提供较为光滑的壁面条件，避免液滴撞壁后近壁破碎和燃烧，造成燃烧室的局部高温，并且具有更加高的耐温能力。(7)本专利技术提出的空间双组元轨控发动机，其热控装置采用集成化、模块化设计，加热装置为内嵌入加热丝的圆片式加热器，集成了主备份加热丝，可以为发动机在深空环境下提供温度保障，防止推进剂结冰。。附图说明图1为空间双组元轨控发动机的结构示意图；图2为双路单喷嘴离心喷注器结构示意图；图3为控制阀安装结构示意图；图4为氧化剂流道结构示意图；图5为燃烧剂流道结构示意图；图6为推力室结构示意图；图7为热控装置安装结构示意图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。如图1所示，本专利技术提供了一种基于双路单喷嘴离心喷注器和硅化钼复合涂层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双路单喷嘴离心喷注器的空间双组元轨控发动机，其特征在于：发动机包括控制阀、喷注器、推力室和温控装置；控制阀与喷注器连接，通过控制阀分别控制氧化剂、燃烧剂供给的通断；喷注器采用内外喷嘴同轴嵌入式旋流腔的结构，将氧化剂、燃烧剂喷入与之相连的推力室，温控装置为发动机提供温度保证，用以维持推进剂的正常状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于双路单喷嘴离心喷注器的空间双组元轨控发动机，其特征在于：发动机包括控制阀、喷注器、推力室和温控装置；控制阀与喷注器连接，通过控制阀分别控制氧化剂、燃烧剂供给的通断；喷注器采用内外喷嘴同轴嵌入式旋流腔的结构，将氧化剂、燃烧剂喷入与之相连的推力室，温控装置为发动机提供温度保证，用以维持推进剂的正常状态。2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述喷注器包括安装接板(1)、主体结构(2)、内喷嘴(3)、外喷嘴(4)；安装接板(1)与主体结构(2)连接，主体结构(2)用于提供内喷嘴(3)、外喷嘴(4)、控制阀的连接接口；内喷嘴(3)、外喷嘴(4)均为带有旋流腔的中空圆柱体，顶端一侧带有一圈环槽，环槽内均匀分布若干切向孔；内喷嘴(3)、外喷嘴(4)在旋流腔底部以一定角度收缩，最终形成一个圆柱体的喷口，与外界环境连通；内喷嘴(3)同轴装入外喷嘴(4)内腔中并固定，形成内外喷嘴组合件。3.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于：所述的安装接板(1)为带有安装孔的中空圆板，主体结构(2)的顶端插入安装接板(1)的中心空部并连接；主体结构(2)为顶端、底端分别有一个中心孔的圆柱体，两侧各有一个带有中心孔的圆柱台；主体结构(2)底端中心孔内和圆柱体外均带有一个定位台阶；由内喷嘴(3)、外喷嘴(4)构成的内外喷嘴组合件从主体结构(2)底部中心孔装入，压紧在主体结构(2)中空的定位台阶上并固定；主体结构(2)两侧带有中心孔的圆柱台分别与两台控制阀出口对接并固定。4.根据权利要求3所述的发动机，其特征在于：主体结构(2)的顶端插入安装接板(1)的中心空部并通过电子束焊接固定；内外喷嘴组合件压紧在主体结构(2)中空的定位台阶上并通过电子束焊接固定。5.根据权利要求2或3所述的发动机，其特征在于：喷注器内路流量的调节通过内喷嘴(3)切向孔的直径来控制，外路流量的调节通过外喷嘴(4)切向孔的直径来控制。6.根据权利要求2或3所述的发动机，其特征在于：喷注器内路雾化角的角度通过内喷嘴(3)喷口的长度来控制，外路雾...

【专利技术属性】
技术研发人员：张榛，毛晓芳，汪凤山，陈君，蔡坤，高晨光，卢国权，孙超，冉鹏，姜鹏，周磊，陈磊，沈岩，王平，姚兆普，臧孝华，李新光，赵立伟，周旭冉，王文平，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11