本發(fā)明屬于火箭發(fā)動機領(lǐng)域，具體來說，是一種采用螺旋藥柱的固液火箭發(fā)動機。

背景技術(shù)：

固液火箭發(fā)動機作為一種新型發(fā)動機，氧化劑為氣態(tài)或液態(tài)物質(zhì)，燃料為固態(tài)，決定了其混合和燃燒過程有別于傳統(tǒng)的液體和固體火箭發(fā)動機。固液火箭發(fā)動機具有安全性好、成本低、環(huán)境友好性好等優(yōu)點。

然而，固體燃料燃速低是制約固液火箭發(fā)動機發(fā)展的一個重要因素。目前，已有向固體燃料內(nèi)添加高能金屬顆粒、氧化劑噴注方式改進等方法提高固體燃料燃速。添加高能金屬顆粒增加燃速的同時會增加噴管的燒蝕，同時只適用于澆注型藥柱如段羥基聚丁二烯藥柱；改變噴注方式在提高燃速的同時會增加噴注熱防護的難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決固液火箭發(fā)動機燃速低的問題，本發(fā)明專利提出一種新型固液火箭發(fā)動機，包括頭蓋、噴注面板、前燃室殼體、前燃室絕熱層、藥柱、燃燒室殼體、后燃室殼體、后燃室絕熱層、后封頭殼體、后封頭絕熱層、噴管與噴管壓板。

其中，頭蓋、噴注面板、前燃室殼體、燃燒室殼體、后燃室殼體、后封頭殼體由前至后同軸設置，兩兩間固定；前燃室與后燃室的內(nèi)壁周向上安裝有前燃室絕熱層與后燃室絕熱層；同時，噴管前端與后封頭殼體間采用高溫膠粘工藝安裝有后封頭絕熱層；藥柱安裝于燃燒室殼體內(nèi)。

所述藥柱為筒狀，前部為直管段；后部為螺旋段；螺旋段內(nèi)壁面上沿藥柱軸向設計有螺紋槽，一是可以增強湍流強度，增加主流對藥柱表面的對流換熱，二是誘導主流流動從直流轉(zhuǎn)變?yōu)樾鳌?/p>

本發(fā)明專利的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明螺旋藥型固液火箭發(fā)動機，有助于提高固液火箭發(fā)動機的燃速，提高固液火箭的性能；

2、本發(fā)明螺旋藥型固液火箭發(fā)動機中，藥柱螺旋段上的螺紋槽的寬度大于深度，使藥柱更易獲得較高燃速；

3、本發(fā)明螺旋藥型固液火箭發(fā)動機，便于加工，有利于降低成本；

4、本發(fā)明螺旋藥型固液火箭發(fā)動機，可以采用分段燃燒室，分段裝藥，便于試驗時分別精確測量直管段和螺旋段的燃速。

附圖說明

圖1為螺旋藥型固液火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為螺旋藥型固液火箭發(fā)動機中螺旋藥柱各參數(shù)定義圖；

圖3為螺旋藥型固液火箭發(fā)動機中螺旋藥柱分段結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1-頭蓋 2-噴注面板 3-前燃室殼體

4-前燃室絕熱層 5-藥柱 6-燃燒室殼體

7-后燃室殼體 8-后燃室絕熱層 9-后封頭殼體

10-后封頭絕熱層 11-噴管 12-噴管壓板

13-直管段 14-螺旋段

具體實施方案

下面結(jié)合附圖對本專利做進一步說明。

本發(fā)明專利螺旋藥型固液火箭發(fā)動機，包括頭蓋1、噴注面板2、前燃室殼體3、前燃室絕熱層4、藥柱5、燃燒室殼體6、后燃室殼體7、后燃室絕熱層8、后封頭殼體9、后封頭絕熱層10、噴管11與噴管壓板12，如圖1所示。

所述頭蓋1、噴注面板2、前燃室殼體3、燃燒室殼體6、后燃室殼體7、后封頭殼體9均選用不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料制成，且由前至后同軸設置，通過周向均布的螺釘穿過頭蓋1、噴注面板2、前燃室殼體3外緣后，與燃燒室殼體6前端設計的連接法蘭相連固定，且兩兩之間通過O型圈密封。同樣通過周向均布的螺釘穿過后封頭殼體9外緣后，與燃燒室殼體6后端設計的連接法蘭相連固定，兩兩之間通過O型圈密封。上述頭蓋1與噴注面板2之間形成積液腔，積液腔使得氧化劑均勻通過噴注面板2。噴注面板2與藥柱5間為前燃室，形成擾流，起到穩(wěn)定火焰的作用。藥柱5和噴管11之間為后燃室，加強氧化劑和燃料的進一步摻混，提高燃燒效率。上述噴注面板2采用蓮蓬式直流噴注，用于氧化劑的噴注霧化。噴管11選用鎢滲銅材料制成，同軸插入后封頭殼體9中心具有安裝孔內(nèi)，通過噴管11外壁周向上的臺肩與安裝孔內(nèi)壁周向上的臺肩配合，實現(xiàn)噴管11與后封頭殼體9間的定位。噴管壓板12套在噴管11外，與后封頭殼體9后端面間固定，通過噴管壓板12與噴管11外壁周向上的臺肩配合，將噴管11壓緊，實現(xiàn)噴管11與后封頭殼體9間的固定；且后封頭殼體9、噴管11與噴管壓板12之間通過石墨墊片密封。

上述前燃室與后燃室的內(nèi)壁周向上采用高溫膠粘工藝分別安裝有前燃室絕熱層4與后燃室絕熱層8；同時，噴管11前端與后封頭殼體9間采用高溫膠粘工藝安裝有后封頭絕熱層10。所述前燃室絕熱層4、后燃室絕熱層8與后封頭絕熱層10均選用高硅氧材料。

所述藥柱5為筒狀，采用低密度聚乙烯材料，同軸安裝于燃燒室殼體內(nèi)。藥柱5前部為直管段，內(nèi)壁面平滑；后部為螺旋段，內(nèi)壁面上設計有螺紋槽結(jié)構(gòu)，一是增加主流湍流強度，增加主流與藥柱5內(nèi)壁面的換熱；二是誘導主流流動由直流轉(zhuǎn)變?yōu)樾?，增加主流與藥柱5接觸時間。兩個方面均能有效增加藥柱燃速，提高固液火箭發(fā)動機性能。

上述螺旋藥柱參數(shù)包括藥柱外徑D、藥柱內(nèi)徑d、藥柱長度L、藥柱直管段長度L1、螺距P、槽寬B與槽深h，如圖2所示。其中，藥柱外徑、藥柱內(nèi)徑與藥柱長度根據(jù)發(fā)動機所需的氧化劑流量、推力、工作時間計算求得。藥柱直管段長度、螺距、槽寬與槽深對燃速具有很大的影響。仿真計算和試驗表明，螺距對燃速的影響大于槽深，槽深對燃速的影響大于槽寬。螺距越小，平均燃速越高，明顯高于直管藥型，增加幅度可達40％以上。隨著螺紋槽深的增加，平均燃速增加，增加幅度約為15％～20％；但是槽底燃速隨著槽深的增加而降低。隨著螺紋槽寬增加，平均燃速略為增加，小于10％，沒有槽深對平均燃速影響大。槽寬可以適當增加，但不宜過大。

綜上，本發(fā)明專利針對藥柱長度與藥柱內(nèi)徑的比值在5～15、藥柱內(nèi)外徑比在1/6～1/2范圍的固液火箭發(fā)動機提出一組藥柱5的優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體如下：

藥柱5的直管段長度取1～2倍藥柱內(nèi)徑，螺距取1/4～1/2倍藥柱內(nèi)徑，槽寬取1/4倍螺距，槽深與槽寬之比約為1/5。

藥柱5采用分段加工方案，如圖3所示，將直管段13與螺旋段14間通過臺肩配合定位后拼接固定，結(jié)構(gòu)簡單，直管段13與螺旋段14相接部位涂抹高溫膩子即可有效避免相接縫隙躥火，保障試驗安全，且在實驗結(jié)束后分別測量直管段13和螺旋段14質(zhì)量變化，可以更精確的得到藥柱5的直管段13和螺旋段14的平均燃速。

氧化劑由頭蓋1進入積液腔，隨后，氧化劑經(jīng)前燃室后，由噴注面,2噴入燃燒室，與藥柱5燃燒反應，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，高溫高壓燃氣經(jīng)后燃室后由噴管11噴出，產(chǎn)生推力。