[发明专利]自增压固液混合发动机

说明书

本发明一种自增压固液混合发动机，属于航天推进技术领域；包括发动机前端盖、燃烧室壳体、燃烧室绝热层、燃烧室、燃料药柱、后燃烧室及喷管、氧化剂贮箱、氧化剂集液腔、氧化剂输送管路和金属软管；发动机前端盖、后燃烧室及喷管分别设置于燃烧室的两端；氧化剂集液腔为设置于后燃烧室及喷管外围的环形腔体，并通过吸收喷管处的热量将氧化剂集液腔内的液体氧化剂气化；氧化剂贮箱通过流量调节阀与发动机前端盖连接，并依次通过金属软管、氧化剂输送管路与氧化剂集液腔连通。利用推进剂燃烧时产生的热量加热氧化剂，使液体氧化剂气化，沿管路进入氧化剂贮箱，实现对氧化剂贮箱的压力补偿和增压，能够维持氧化剂贮箱内的压强稳定。

技术领域

本发明属于航天推进技术领域，具体涉及一种自增压固液混合发动机。

背景技术

固液混合发动机是由液体氧化剂和固体燃料提供能源和工质源的航天动力装置，具有安全可靠性高、推力可调、绿色环保、成本低廉等优点，可应用于探空火箭、运载火箭助推器、亚轨道飞行器和姿轨控发动机等。目前，固液混合发动机氧化剂增压方式分为挤压式和泵压式两种，其中，挤压式氧化剂供给方式结构简单、工作可靠，但是存在氧化剂供给质量流率不稳定、系统体积较大、发动机消极质量较高的问题；泵压式氧化剂供给方式氧化剂输送能力强、发动机消极质量低，但是该供给方式存在系统复杂、增压响应慢、涡轮泵不易小型化等问题。

氧化剂自增压，即利用氧化剂蒸汽作为增压气体，利用较高的气相压力将液态氧化剂挤出氧化剂贮箱，实现氧化剂向燃烧室的稳定供给。这种增压方式不需要携带挤压气瓶或涡轮泵等增压装置，减轻了发动机的消极质量。该氧化剂供给方案实现方式如下：液态氧化剂从贮箱内流出，使得贮箱内压力下降，当贮箱内压力低于氧化剂饱和蒸汽压时，剩余的液态氧化剂部分汽化，产生的氧化剂蒸汽，对贮箱内压力进行补偿。但是在实际工作过程中，液体汽化吸热，贮箱内氧化剂温度降低，氧化剂蒸汽生成量不足以维持贮箱内的压力恒定，贮箱内压力逐渐下降。2012年，蔡国飙等在Aerospace Science and Technology期刊第23卷第1期439-451页题目为Design and performance characterization of a sub-Newton N₂O mono-propellant thruster的文章中指出，以自增压方式供给氧化剂的发动机，在氧化剂贮箱内没有热补偿的条件下，即使采用饱和蒸气压较高的氧化亚氮，在贮箱以恒定质量流量0.7g·s-1排出41％氧化亚氮后，贮箱内压力从4.7MPa下降到1.8MPa，即氧化剂贮箱不能以恒定的质量流量将所有的氧化剂供应至燃烧室。

发明内容

要解决的技术问题：

固液混合发动机工作过程中，单纯依靠氧化剂自增压，会出现氧化剂供给压力随时间下降的情况，导致氧化剂质量流率降低。为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自增压固液混合发动机，该发动机在后燃烧室和喷管外设置夹层，作为氧化剂集液腔，集液腔内的液体氧化剂吸收高温燃气向后燃烧室及喷管壁面传递的热量，汽化后沿输送管路进入氧化剂贮箱实现对氧化剂贮箱内的压力补偿和热补偿，从而维持氧化剂贮箱内压力恒定。

本发明的技术方案是：一种自增压固液混合发动机，包括发动机前端盖6、燃烧室壳体7、燃烧室绝热层8、燃烧室9、燃料药柱10和后燃烧室及喷管11，所述发动机前端盖6、后燃烧室及喷管11分别设置于燃烧室9的两端，所述燃烧室9的外周面依次包覆有燃烧室绝热层8和燃烧室壳体7；所述燃料药柱10设置于燃烧室9内；其特征在于：还包括氧化剂贮箱1、氧化剂集液腔13、氧化剂输送管路14和金属软管16；

所述氧化剂集液腔13为设置于后燃烧室及喷管11外围的环形腔体，用于容纳液体氧化剂，并通过吸收喷管处的热量将氧化剂集液腔13内的液体氧化剂气化；