本發(fā)明涉及火箭發(fā)動機(jī)、航空發(fā)動機(jī)用動力裝置，特別是一種基于介質(zhì)阻擋放電的同軸直流式等離子體噴嘴。

背景技術(shù)：

通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動能是當(dāng)前絕大多數(shù)動力裝置產(chǎn)生推力的方式，對于常規(guī)的火箭發(fā)動機(jī)，其燃料和氧化劑均是經(jīng)由噴嘴噴入燃燒室，然后發(fā)生霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒這一系列過程，噴嘴的性能高低對這一些列過程有著極其重要的影響，因而，噴嘴是發(fā)動機(jī)最核心的部件之一。

自上世紀(jì)七十年代以來，研究人員已開展了大量火箭發(fā)動機(jī)噴嘴的設(shè)計與試驗工作，主要的噴嘴類型包括了剪切式、旋流式、預(yù)混式以及撞擊式等，其中以同軸直流（剪切）式噴嘴為代表的噴注器很適合雙組元推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)，結(jié)構(gòu)相對簡單且具有較好的燃燒穩(wěn)定性，在諸如著名的氫氧發(fā)動機(jī)j-2、rl10a-1及航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)（ssme）上都得到了廣泛的應(yīng)用。通常氧化劑從噴嘴中心主流道噴出，燃料則從包圍主流道的環(huán)縫中噴出，其工作原理可以簡單概括為：具有速度差的中心射流與環(huán)縫射流間形成速度剪切層，受剪切力作用兩者在噴嘴出口附近發(fā)生霧化、混合等過程，以為燃燒創(chuàng)造基本條件。

此外，已經(jīng)證實燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象存在于火箭發(fā)動機(jī)、航空發(fā)動機(jī)及內(nèi)燃機(jī)中，當(dāng)發(fā)動機(jī)內(nèi)壓力震蕩頻率和幅值達(dá)到一定條件，輕則使得發(fā)動機(jī)性能急劇下降，重則導(dǎo)致發(fā)動機(jī)內(nèi)部件嚴(yán)重?fù)p壞，而通過對霧化、混合等過程的作用，噴嘴本身能夠在某些方面影響燃燒不穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的同軸直流式噴嘴受構(gòu)型固定限制，其霧化、混合、燃燒性能十分有限，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

1.噴嘴噴出的燃料與氧化劑射流混合不充分，不能直接達(dá)到點火條件，需要在噴嘴出口附近添加額外的點火裝置。

2.噴嘴噴出的液體射流霧化品質(zhì)不高；當(dāng)發(fā)動機(jī)工作于非設(shè)計工況時，僅通過調(diào)節(jié)推進(jìn)劑流量和溫度難以在較大范圍內(nèi)保持噴嘴的霧化、混合性能最優(yōu)。

3、一定工作條件下噴嘴會激發(fā)出整個發(fā)動機(jī)的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象；當(dāng)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象時，只能通過調(diào)節(jié)流量等機(jī)械方法來控制，響應(yīng)速度慢，控制范圍窄。

4、變工況、寬范圍條件下噴嘴性能急劇下降。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于介質(zhì)阻擋放電的同軸直流式等離子體噴嘴，該基于介質(zhì)阻擋放電的同軸直流式等離子體噴嘴能改善傳統(tǒng)同軸直流式噴嘴中燃料和氧化劑的蒸發(fā)與混合過程，能縮短點火延遲、擴(kuò)寬熄火極限、以及改善燃燒不穩(wěn)定性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于介質(zhì)阻擋放電的同軸直流式等離子體噴嘴，包括金屬內(nèi)筒、金屬棒、絕緣外筒、推進(jìn)劑腔、外電極和高壓電源。

推進(jìn)劑腔包括主通孔和兩個分腔；主通孔沿推進(jìn)劑腔的中心軸線布設(shè)；兩個分腔相互平行，且均與主通孔相連通；兩個分腔分別為推進(jìn)劑y儲存腔和推進(jìn)劑x儲存腔；推進(jìn)劑y儲存腔用于存儲推進(jìn)劑y，推進(jìn)劑x儲存腔用于存儲推進(jìn)劑x。

推進(jìn)劑腔同軸套設(shè)在絕緣外筒的外周。

絕緣外筒包括依次同軸設(shè)置的噴嘴出口部和安裝部；噴嘴出口部的外徑小于安裝部的外徑。

絕緣外筒的安裝部位于推進(jìn)劑腔的主通孔內(nèi)，并與主通孔密封配合。

安裝部上設(shè)置有推進(jìn)劑x外通孔和推進(jìn)劑y通孔，其中，推進(jìn)劑x外通孔與推進(jìn)劑x儲存腔相連通，推進(jìn)劑y通孔與推進(jìn)劑y儲存腔相連通。

絕緣外筒沿中心軸線依次同軸設(shè)置有外噴嘴孔槽、內(nèi)筒固定槽和金屬棒槽。

絕緣外筒同軸套設(shè)在金屬內(nèi)筒的外周，金屬內(nèi)筒位于外噴嘴孔槽和內(nèi)筒固定槽中。

金屬內(nèi)筒的外徑小于外噴嘴孔槽的內(nèi)徑，但大于或等于內(nèi)筒固定槽的內(nèi)徑。

金屬內(nèi)筒上設(shè)置有與推進(jìn)劑x外通孔相連通的推進(jìn)劑x內(nèi)通孔；推進(jìn)劑x儲存腔、推進(jìn)劑x外通孔、推進(jìn)劑x內(nèi)通孔和金屬內(nèi)筒的中心空腔相連通并形成推進(jìn)劑x的噴射主流道。

金屬內(nèi)筒與外噴嘴孔槽之間具有環(huán)狀縫隙，該環(huán)狀縫隙、推進(jìn)劑y通孔和推進(jìn)劑y儲存腔相連通并形成推進(jìn)劑y的環(huán)縫噴射流道。

金屬棒布設(shè)在金屬棒槽中，金屬棒的一端與金屬內(nèi)筒密封固定連接，金屬棒的另一端從絕緣外筒中伸出，且金屬棒的伸出端與高壓電源電連接。

外電極包覆在絕緣外筒的噴嘴出口部的外表面上，且外電極接地連接。

金屬內(nèi)筒的噴射端與絕緣外筒的噴射端之間具有一個混合腔。

外噴嘴孔槽的內(nèi)徑比金屬內(nèi)筒的外徑大1-8mm。

噴嘴出口部的壁厚為0.5-2mm，絕緣外筒中安裝部的最薄壁面厚度大于8mm。

金屬內(nèi)筒的噴射端設(shè)置有擴(kuò)張角和垂直端面，垂直端面與金屬內(nèi)筒的筒身相垂直。

絕緣外筒還包括阻擋部，阻擋部能使絕緣外筒底部與推進(jìn)劑腔底部密封固定連接；阻擋部外徑大于安裝部外徑。

阻擋部的外徑比安裝部外徑大14mm，且阻擋部的軸向長度大于4mm。

推進(jìn)劑腔上設(shè)置有兩個推進(jìn)劑加注孔和兩個監(jiān)測孔，每個分腔分別連通一個推進(jìn)劑加注孔和一個監(jiān)測孔。

推進(jìn)劑y為氧化劑或燃料，推進(jìn)劑x為燃料或氧化劑。

位于金屬棒伸出端外周的推進(jìn)劑腔底面上設(shè)置有若干個支撐腿。

本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)后，具有如下有益效果：

1、上述金屬內(nèi)筒和金屬棒組合構(gòu)成內(nèi)電極，該內(nèi)電極與高壓電源相連接；外電極接地連接，上述絕緣外筒形成高壓介質(zhì)阻擋，當(dāng)高壓電源接通后，形成高壓介質(zhì)阻擋放電。高壓介質(zhì)阻擋放電能對流經(jīng)環(huán)縫噴射流道的推進(jìn)劑y進(jìn)行電離，形成非平衡等離子體射流。以常見的氫氧火箭發(fā)動機(jī)同軸直流噴嘴為例，環(huán)縫噴射流道內(nèi)為氣態(tài)氫，噴射主流道內(nèi)為液態(tài)氧，通過將電能輸入至氫等離子體中，使得原來的中性氫氣發(fā)生一些列放電基元反應(yīng)，h2分子裂解為h、h⁺、h^-等粒子，而燃燒反應(yīng)實質(zhì)是由眾多基元反應(yīng)構(gòu)成的復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這過程包括了起鏈反應(yīng)、鏈傳遞反應(yīng)、鏈分支反應(yīng)以及鏈中止反應(yīng)。比如在較高溫度、壓力環(huán)境下，h2完成傳統(tǒng)的熱化學(xué)起鏈過程所需時間比典型折合場強(qiáng)條件下介質(zhì)阻擋放電裂解h2所需時間高約2個數(shù)量級。放電等離子體通過直接為燃燒反應(yīng)提供各類活性粒子，豐富了鏈傳播途徑；此外，放電過程對大分子燃料的裂解產(chǎn)生了小分子或者簡單原子等粒子，有利于燃料與氧化劑的擴(kuò)散。以上這些都降低了著火延遲時間，又?jǐn)U寬了火焰穩(wěn)定存在的范圍。

2、根據(jù)大氣壓放電理論，在對工質(zhì)放電發(fā)生電離的同時還存在焦耳加熱等溫升效應(yīng)，溫度有所上升的環(huán)縫射流與噴嘴中心射流在剪切層發(fā)生混合，熱量得到傳遞，因此，不論液體推進(jìn)劑位于環(huán)縫噴射流道，還是位于中心的噴射主流道，都會在放電作用下其溫度上升，進(jìn)而促進(jìn)了推進(jìn)劑的蒸發(fā)，也就加快了著火過程；此外，在某些低溫條件下本來難以實現(xiàn)著火或者火焰穩(wěn)定的情況下，等離子體的熱效應(yīng)也能在一定程度上使得推進(jìn)劑達(dá)到著火條件，即擴(kuò)寬了熄火極限。

3、推進(jìn)劑溫度、流量、混合比、燃料氧化劑噴射速度比等參數(shù)的變化都會嚴(yán)重影響火箭發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的不穩(wěn)定抑制方法主要是隔板和聲腔，兩者皆是通過固定裝置實現(xiàn)對燃燒室內(nèi)壓力震蕩的控制，然而對于某一型號發(fā)動機(jī)通常其隔板和聲腔的構(gòu)型、尺寸是固定的，且對噴注面板的結(jié)構(gòu)影響大、加工精度要求高，實際發(fā)動機(jī)工作過程中一旦偏離此類抑制裝置的設(shè)計工況范圍，將難以發(fā)揮控制燃燒不穩(wěn)定的作用；采用介質(zhì)阻擋放電噴嘴后，通過對推進(jìn)劑的電離和加熱，既能改變噴注面板附近的混合比，又能調(diào)節(jié)推進(jìn)劑溫度，而且通過對放電電源操作，并配合傳感器能實現(xiàn)閉環(huán)控制，響應(yīng)速度必然快于機(jī)械調(diào)節(jié)手段，且能針對不同工況靈活改變等離子體參數(shù)，最終達(dá)到更強(qiáng)的燃燒不穩(wěn)定控制能力。

4、另外，對本等離子體噴嘴可以十分容易地更換外電極，從而改變電離區(qū)域體積，而整體模塊化設(shè)計也為電極、介質(zhì)層材料的更換提供了可能，這些都有利于擴(kuò)大其抑制燃燒不穩(wěn)定及改善推進(jìn)劑蒸發(fā)、著火過程。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明一種基于介質(zhì)阻擋放電的同軸直流式等離子體噴嘴的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2顯示了本發(fā)明一種基于介質(zhì)阻擋放電的同軸直流式等離子體噴嘴的剖視圖。

圖3顯示了推進(jìn)劑腔的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖4顯示了推進(jìn)劑腔的剖視圖。

圖5顯示了絕緣外筒的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖6顯示了絕緣外筒的剖視圖。

圖7顯示了金屬內(nèi)筒與金屬棒的連接示意圖。

圖8顯示了支撐腿的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9顯示了圖7中圓圈a區(qū)的縱剖面示意圖。

其中有：

1.金屬內(nèi)筒；2.推進(jìn)劑x內(nèi)通孔；3.金屬棒；4.絕緣外筒；41.噴嘴出口部；42.安裝部；43.阻擋部；44.外噴孔槽；45.內(nèi)筒固定槽；46.金屬棒槽；5.推進(jìn)劑y通孔；6.推進(jìn)劑x外通孔；7.密封槽；8.推進(jìn)劑腔；9.監(jiān)測孔；10.推進(jìn)劑加注孔；11.主通孔；12.分腔；121.推進(jìn)劑y儲存腔；122.推進(jìn)劑x儲存腔；13.螺紋孔；14.支撐腿；15.外電極；16.高壓電源；17.混合腔；18.擴(kuò)張角；19.垂直端面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1和圖2所示，一種基于介質(zhì)阻擋放電的同軸直流式等離子體噴嘴，包括金屬內(nèi)筒1、金屬棒3、絕緣外筒4、推進(jìn)劑腔8、外電極15和高壓電源16。

如圖3和圖4所示，推進(jìn)劑腔8包括主通孔11、兩個分腔12、推進(jìn)劑加注孔10、監(jiān)測孔9和螺紋孔13。

上述主通孔沿推進(jìn)劑腔的中心軸線布設(shè)。

兩個分腔相互平行，且均與主通孔相連通。

兩個分腔分別為推進(jìn)劑y儲存腔121和推進(jìn)劑x儲存腔122，其中，推進(jìn)劑y儲存腔用于存儲推進(jìn)劑y，推進(jìn)劑x儲存腔用于存儲推進(jìn)劑x。

推進(jìn)劑y為氧化劑或燃料，推進(jìn)劑x為燃料或氧化劑。也即，當(dāng)推進(jìn)劑y為氧化劑時，則推進(jìn)劑x為燃料；當(dāng)進(jìn)劑y為燃料時，則推進(jìn)劑x為氧化劑，兩者可以互換。

推進(jìn)劑加注孔10和監(jiān)測孔9可以根據(jù)需要設(shè)置，每個分腔優(yōu)選分別連通一個推進(jìn)劑加注孔和一個監(jiān)測孔，通過推進(jìn)劑加注孔向相應(yīng)的分腔內(nèi)加注對應(yīng)的推進(jìn)劑；監(jiān)測孔中用于安裝傳感器接頭，從而實現(xiàn)對推進(jìn)劑溫度、壓力的測量等。

螺紋孔根據(jù)需要設(shè)置，可以不設(shè)。本發(fā)明中，推進(jìn)劑腔的底部優(yōu)選對稱設(shè)置有4個螺紋孔，每個螺紋孔內(nèi)優(yōu)選安裝一個如圖8所示的支撐腿14。通過改變支撐腿14的螺桿旋進(jìn)深度實現(xiàn)整個推進(jìn)劑腔8高度的調(diào)節(jié)。

推進(jìn)劑腔同軸套設(shè)在絕緣外筒的外周，絕緣外筒的材料優(yōu)選為陶瓷、石英或特氟龍材質(zhì)。

如圖5和圖6所示，絕緣外筒優(yōu)選包括依次同軸設(shè)置的噴嘴出口部41、安裝部42和阻擋部43，噴嘴出口部41、安裝部42和阻擋部43的外徑優(yōu)選依次遞增。

上述阻擋部能使絕緣外筒底部與推進(jìn)劑腔底部密封固定連接，從而既能起到密封作用，又能防止噴嘴的軸向竄動。

本發(fā)明中，阻擋部與推進(jìn)劑腔底部螺紋連接，也即安裝部42的靠整個裝置底部一段圓柱面外表面有螺紋，用于連接推進(jìn)劑腔和絕緣外筒。

阻擋部的內(nèi)側(cè)設(shè)置有密封槽7，密封槽內(nèi)優(yōu)選設(shè)置有密封圈。

上述阻擋部的外徑優(yōu)選比安裝部外徑大14mm，這樣設(shè)置目的是：既保證絕緣外筒軸向固定，以免擰安裝部的螺紋過頭，又通過這樣一個長度來保證阻擋部內(nèi)表面能加工出兩道密封槽。

另外，阻擋部的軸向長度優(yōu)選大于4mm，進(jìn)一步優(yōu)選為4-10mm。這樣設(shè)置的好處是：在降低整體尺寸和重量的同時保證該部件具有抵抗一定軸向力的剛度和強(qiáng)度。

絕緣外筒的安裝部位于推進(jìn)劑腔的主通孔內(nèi)，并與主通孔密封配合。優(yōu)選設(shè)置方式為：安裝部的外表面設(shè)置有若干個密封槽7，每個密封槽內(nèi)均設(shè)置有密封圈，從而使兩個分腔相互獨立密封，互不影響。

安裝部上設(shè)置有推進(jìn)劑x外通孔6和推進(jìn)劑y通孔5，其中，推進(jìn)劑x外通孔與推進(jìn)劑x儲存腔相連通，推進(jìn)劑y通孔與推進(jìn)劑y儲存腔相連通。

絕緣外筒沿中心軸線依次同軸設(shè)置有外噴嘴孔槽44、內(nèi)筒固定槽45和金屬棒槽46。

外噴嘴孔槽、內(nèi)筒固定槽和金屬棒槽的內(nèi)徑優(yōu)選依次遞減，外噴嘴孔槽的內(nèi)徑比金屬內(nèi)筒的外徑優(yōu)選大1-8mm。

內(nèi)筒固定槽45設(shè)置在安裝部的中心軸線上，金屬棒槽46設(shè)置在阻擋部及安裝部的中心軸線上，金屬棒槽一端與內(nèi)筒固定槽相連通，另一端與大氣相連通。

外噴嘴孔槽44設(shè)置在噴嘴出口部及安裝部的中心軸線上，外噴嘴孔槽一端與內(nèi)筒固定槽相連通，另一端與大氣相連通。

噴嘴出口部的壁厚優(yōu)選為0.5-2mm，絕緣外筒中安裝部的最薄壁面厚度優(yōu)選大于8mm。這樣設(shè)置的目的是：因為絕緣外筒表面開有密封槽，而密封槽需具有一定深度，為了保證絕緣外筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，因而厚度不能小于8mm。

絕緣外筒同軸套設(shè)在金屬內(nèi)筒的外周，金屬內(nèi)筒位于外噴嘴孔槽和內(nèi)筒固定槽中。

如圖7所示，金屬內(nèi)筒為等圓截面空心圓柱體，金屬內(nèi)筒上設(shè)置有與推進(jìn)劑x外通孔相連通的推進(jìn)劑x內(nèi)通孔2。

金屬內(nèi)筒的安裝優(yōu)選安裝方法為：金屬內(nèi)筒以過盈配合方式插入絕緣外筒4內(nèi)的內(nèi)筒固定槽中，兩者同軸且金屬內(nèi)筒底部抵住絕緣外筒中內(nèi)筒固定槽的底部，并使所有推進(jìn)劑x外通孔6與對應(yīng)的推進(jìn)劑x內(nèi)通孔2完全對齊。

金屬內(nèi)筒與絕緣外筒安裝完成后，具有如下結(jié)構(gòu)形式：

1.推進(jìn)劑x儲存腔、推進(jìn)劑x外通孔、推進(jìn)劑x內(nèi)通孔和金屬內(nèi)筒的中心空腔相連通并形成推進(jìn)劑x的噴射主流道。

2.金屬內(nèi)筒與外噴嘴孔槽之間具有環(huán)狀縫隙，該環(huán)狀縫隙、推進(jìn)劑y通孔和推進(jìn)劑y儲存腔相連通并形成推進(jìn)劑y的環(huán)縫噴射流道。

3.金屬內(nèi)筒的噴射端較絕緣外筒的噴射端有一定縮進(jìn)距離，也即金屬內(nèi)筒的噴射端與絕緣外筒的噴射端之間具有一個如圖2所示的混合腔，該混合腔主要是為了混合以及在一定程度上影響燃燒穩(wěn)定性。

本發(fā)明中環(huán)縫噴射流道內(nèi)優(yōu)選是氣體，也即放電的介質(zhì)是氣體。噴射主流道內(nèi)可以是氣體，也可以是液體。

進(jìn)一步，如圖9所示，上述金屬內(nèi)筒的噴射端設(shè)置有擴(kuò)張角18和垂直端面19，垂直端面與金屬內(nèi)筒的筒身相垂直。擴(kuò)張角能有利于金屬內(nèi)筒中推進(jìn)劑流出來的時候更好地向它周圍的環(huán)縫射流擴(kuò)散，促進(jìn)兩者的霧化與混合；垂直端面的設(shè)置則是為了減小尖端放電效應(yīng)和防止操作時刺手。

上述金屬棒布設(shè)在金屬棒槽中，金屬棒優(yōu)選為細(xì)長形的金屬圓柱棒，金屬棒3則既可以采用焊接又可以采用與金屬內(nèi)筒一體化的加工方式制造。

金屬棒的一端與金屬內(nèi)筒密封固定連接，金屬棒的另一端從絕緣外筒中伸出，且金屬棒的伸出端與高壓電源16電連接。

上述高壓電源16可以選擇高頻交流電源或者納秒脈沖電源。

外電極包覆在絕緣外筒的噴嘴出口部的外表面上，且外電極接地連接。上述外電極優(yōu)選采用金屬網(wǎng)或金屬帶等捆綁于絕緣外筒的噴嘴出口部的外表面上，該外電極15軸向長度比噴嘴出口部的外徑略小，優(yōu)選通過導(dǎo)線接地。

試驗時，首先向推進(jìn)劑腔8的兩個分腔12輸入推進(jìn)劑，然后氧化劑和燃料分別由各自的分腔12進(jìn)入噴嘴的內(nèi)、外通道，分腔和通道選擇上既可以使環(huán)縫噴射流道流過氧化劑，噴射主流道（也即內(nèi)通道）為燃料；又可以使環(huán)縫噴射流道流過燃料，內(nèi)通道為氧化劑。待噴嘴推進(jìn)劑流流量穩(wěn)定后，開啟高壓電源16，放電等離子體將產(chǎn)生于外電極15和噴嘴金屬內(nèi)筒1之間的環(huán)縫區(qū)域，并隨射流噴出。通過改變外電極15軸向長度，改變電極、絕緣介質(zhì)層材料以及變化電源類型、參數(shù)從而改變放電等離子體特性。

傳統(tǒng)火箭發(fā)動機(jī)等動力裝置中推進(jìn)劑流過噴嘴噴出后需要施加點火才能燃燒，而本裝置充分利用了同軸直流式噴嘴結(jié)構(gòu)特點，對流經(jīng)環(huán)縫噴射流道的推進(jìn)劑進(jìn)行預(yù)處理，即施加介質(zhì)阻擋放電，能起到加熱與活化推進(jìn)劑工質(zhì)的效果，從而使得噴嘴噴出的兩股射流在混合后快速著火。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。