[发明专利]用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机及燃烧方法

说明书

本发明用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机及燃烧方法，发动机包括泡沫金属预热器、控制阀、旋涡式喷注器、催化床、催化床预热器和喷管；泡沫金属预热器内部设有多孔介质状流体通道，泡沫金属预热器与控制阀的入口一端连接，控制阀内部设有推进剂流道，推进剂流道与多孔介质状流体通道相通，控制阀的另一端通过旋涡式喷注器与催化床一端相连，旋涡式喷注器内部设有旋涡槽；催化床另一端与喷管相连，催化床外壁面安装有用于对催化床加热的催化床预热器。

技术领域

本发明涉及用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机及燃烧方法，可以实现发动机稳态与脉冲工作条件下的稳定工作，属于液体空间发动机领域

背景技术

离子液体推进剂具有含能高、毒性小、饱和蒸汽压极低、易存储、易与电场发生作用的特点，可以用作电推进/化学推进双模式空间推进系统的推进剂。含能离子液体推进剂是由氧化剂(二硝酰胺铵ADN、或硝酸羟铵HAN等)、离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体等)及少量溶剂组成的多组分混合液体推进剂，既可以在一定条件下通过燃烧释放化学能，实现满足快速机动的化学推力器，也可以在外加电场的控制下实现推进剂的电离和加速，实现高比冲、高精度的电推力器。相比于传统液体推进剂只具有单纯的化学推进工作模式或电推进工作模式，具有显著的技术新颖性和应用潜力。

离子液体推进剂电性能较为优越，但是其化学稳定性较高，分子量较大，给实现推进剂的催化燃烧化学反应带来很大技术挑战。另外，离子液体推进剂相比于低分子量的溶液型液体推进剂、以及传统肼类液体推进剂，往往具有特殊的理化性质。其中，一个共性的理化特性是推进剂粘度显著高于常规液体推进剂。例如，典型的1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体，化学分子量在300-400之间，沸点大于380℃。另外，其20℃时的粘度高达94.3Pa.s,显著高于ADN基液体推进剂的4.3Pa.s。高粘度对于推进剂的流动和雾化性能造成显著挑战，进而影响推进剂的催化燃烧效率，影响推力器的稳态及脉冲工作能力和比冲性能。

离子液体双模式推进具有显著的技术新颖性和技术优势。但是，如上文所述，在其推力器产品的研制过程中，也体现出较高的技术难度，目前，国际上针对离子液体推进剂及其推力器产品尚处于研究和试制阶段，尚没有公开报道过的在轨飞行试验经历。

目前，尚未检索到关于离子液体推进剂催化燃烧发动机设计方面的专利。目前广泛使用的单组元液体推进剂催化燃烧发动机结构，只包括控制阀、溅网式毛细管喷注器、催化床、催化床加热器、喷管五个部分，不包括泡沫金属预热器、不采用旋涡式喷注器、不包括雾化腔。这种结构并不适用于离子液体推进剂催化燃烧发动机。主要原因如下：

1)在推进剂进入控制阀前，没有泡沫金属预热器的加热功能，不能通过预热方法降低离子液体推进剂粘度，使得推进剂粘度较高，流动性变差，严重影响推进剂的流动与雾化过程，影响催化燃烧效率和发动机性能。

2)毛细管式喷注器的雾化性能较差，对于高粘度流体这一缺陷暴露的更加明显，不经充分雾化的推进剂进入催化床后，影响催化燃烧效率和发动机性能。

3)发动机结构中不包括雾化腔，使得推进剂从喷注器出口直接接触催化床，推进剂不能充分雾化，影响催化燃烧效率和发动机性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机及燃烧方法，克服离子液体推进剂粘度高，流动性和雾化性能差的特点，实现离子液体推进剂的高效率催化燃烧及可靠稳定工作。

本发明的技术方案是：一种用于高粘度离子液体推进剂的催化燃烧发动机，其特征在于包括：泡沫金属预热器、控制阀、旋涡式喷注器、催化床、催化床预热器和喷管；泡沫金属预热器内部设有多孔介质状流体通道，泡沫金属预热器与控制阀的入口一端连接，控制阀内部设有推进剂流道，推进剂流道与多孔介质状流体通道相通，控制阀的另一端通过旋涡式喷注器与催化床一端相连，旋涡式喷注器内部设有旋涡槽；催化床另一端与喷管相连，催化床外壁面安装有用于对催化床加热的催化床预热器。