[发明专利]一种涡流冷气自吸热姿控发动机和推力控制方法

说明书

本发明公开了一种涡流冷气自吸热姿控发动机和推力控制方法，姿控发动机包括吸热头、换热结构和推力室。吸热头位于发动机的最前端；换热结构与推力室同轴连接固定，并且一端与吸热头刚性连接，另一端呈毛刷状结构悬浮在推力室内部。高压气体由推力室的切向入口进入推力室，在推力室内形成内、外两层温度不同的涡流，其中，内层涡流温度环境温度外层涡流温度。本发明在无额外热源的情况下，提高了推进剂总温度和发动机性能，还能控制推力变化的响应速率。

技术领域

本发明涉及航天小推力姿轨控冷气发动机，尤其是一种涡流冷气自吸热姿控发动机及其推力控制方法。

背景技术

高压冷气发动机因其结构简单、成本低、可靠性高而成为姿控发动机家族的重要组成部分，但其推进剂总温较低导致推进性能弱于其他姿控发动机，继而导致高压冷气发动机的应用受限。某些工程作业中，常采用单组元发动机替代冷气发动机。然而，单组元发动机的设计难度、技术复杂度与可靠性等问题提升了发动机系统的安全隐患。

现有技术中，一般选择高温废气用作推进剂来提升高压冷气发动机的推进性能，对于高压冷气发动机而言，这种改进方式不仅需要携带额外热源，而且导致高压冷气发动机的工作受到热源工况的限制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在提供一种涡流冷气自吸热姿控发动机和推力控制方法，在无需额外热源的条件下，提高发动机的推力，且整个发动机设计结构简单，总冲一定的条件下能够减少推进剂质量，进一步能够控制推力大小变化的响应速率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种涡流冷气自吸热姿控发动机，包括，

推力室，所述推力室包括带有空腔的圆柱壳体，圆柱壳体的一个底面封闭，另一个底面与锥形喷管收缩段的入口端连接，圆柱壳体上设置有进气口，且进气口的进气方向沿着圆柱壳体外圆的切线方向，高压气体经进气口进入推力室，所述高压气体的温度等于环境温度；

吸热头，所述吸热头位于推力室外侧；

换热结构，所述换热结构设置在推力室圆柱壳体的空腔内，且换热结构位于以推力室圆柱壳体轴线为中心轴线的圆柱面内部，换热结构经导热结构件与吸热头相连。

作为一种选择，所述进气口有两个，且分布在圆柱壳体封闭端底面外圆的直径线两端。

作为一种选择，所述吸热头位于姿控发动机的最前端并置于环境中。

作为一种选择，所述吸热头具有大的比表面积。

作为一种选择，所述换热结构与吸热头通过热管同轴连接，且热管的轴线与推力室圆柱壳体的轴线重合。

进一步，所述换热结构包括换热翅片，换热翅片分布在多个垂直于热管轴线方向间隔排列的平面内，且在每一个平面内换热翅片均以热管轴线为中心呈径向放射状分布。

一种采用前述涡流冷气自吸热姿控发动机的推力控制方法，包括，

使进入推力室空腔内的高压气体形成涡流，所述涡流包括内层涡流和外层涡流，内层涡流位于外层涡流内侧且温度低于环境温度，外层涡流的温度高于环境温度；

通过吸热头和换热结构加热内层涡流，加热后的内层涡流与外层涡流混合后通过锥形喷管排出产生推力。内层涡流经过换热后温度得以提升，与外层涡流混合后形成的气流温度高于进入推力室的高压气体温度，从而提升了发动机的推进性能。

作为一种选择，所述高压气体的温度为300K，所述内层涡流的温度为250K～280K，所述外层涡流的温度为350K～400K。