应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机及其点火方案

技术领域

本发明涉及一种应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机及其点火方案，属于发动机设计技术领域。

背景技术

空间化学推进发动机在真空环境下点火工作时，会产生状如羽毛的高温高速喷流，称为羽流。羽流会对航天器产生气动力效应、气动热效应、污染效应、电磁效应等，统称为真空羽流效应，给航天器的正常运行带来不良后果。因此，需要对真空羽流效应进行研究，进而在航天器的设计过程中优化方案、合理布局，减少真空羽流效应对航天器造成的不利影响。

真空羽流效应的研究包括数值仿真和实验研究。现如今虽然计算机数值仿真技术飞速发展，但真空羽流效应的实验研究仍是不可或缺的手段，并且是修正仿真模型、校验和改进仿真软件的必要途径。空间搭载实验可以获得真实可靠的实验数据，但实验成本高、周期长、次数少，得到的实验数据有限。通过建设地面设备模拟真空条件下的冷黑环境，在地面模拟设备中使用真实发动机或模拟发动机进行点火实验，研究发动机的真空羽流效应，虽然单次建设投资大，但实验成本低，可重复进行不同工况和不同状态的实验。因此，在地面模拟设备中进行发动机的真空羽流效应实验是目前最常用的研究手段之一。

不同的空间化学推进发动机结构形式不同，使用的推进剂工质也不同。进行真空羽流效应研究时，有时无法使用真实发动机进行实验，而采用模拟发动机替代。一方面是因为真空羽流效应研究不要求发动机的结构形式与真实发动机相同，只需燃烧产物与真实发动机相近；另一方面，模拟发动机较真实发动机结构简单、成本低廉，且可以根据需要调配不同的工质进行不同工况的实验，更适合于进行研究。发动机典型的燃烧产物主要包括氮气、氧气、氢气、氮氧化物、碳氧化物等，组成其的基本元素为氢（H）、碳（C）、氮（N）、氧（O）。因此，模拟发动机可使用氢气、氧气、氮气、二氧化碳、烃类等气体进行配比组成工质，实现模拟真实发动机燃烧产物的目的。

为了保证地面发动机点火实验的安全，模拟发动机一般采用非自燃推进剂，通过电火花、气动谐振等点火装置点燃。气动谐振点火技术作为一种纯气动的新型点火方式，具有结构简单、质量轻、工作可靠等优点。但由于气动谐振点火是靠气体与谐振管的作用产生加热效应，若应用于真空环境中，不仅需要将单独的谐振气源通过管路导入真空舱，还需将谐振后的气体通过管路导出舱外，大大增加了系统的复杂性，且增大了系统密封的难度。电火花是靠击穿电极间的气体放电，点火在大气环境下容易实现，而真空环境下气体极其稀薄，电极无法直接击穿气体放电，需要设计适合于真空环境下的电火花点火装置及点火方案，才可以实现真空非自燃推进剂的点火。

大部分发动机工质燃烧的总温较高，如氢气与氧气完全燃烧时总温高于3000K，远高于一般材料所能承受的温度范围。真实发动机一般采用价格昂贵的熔点较高的金属材料进行加工，并采用烧蚀、冷却等方法进行热防护，热防护方法较为复杂。因此，模拟发动机的设计需要从经济性、加工性、便捷性等方面进行热防护方面的考虑。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，针对真空羽流效应研究对模拟发动机提出的多工质、真空点火以及简易可靠热防护的要求，提出了应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机及其点火方案。

应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机，包括预燃室头部、预燃补氧室、推力室头部和推力室身部，预燃室头部与预燃补氧室之间紧固连接，预燃补氧室、推力室头部和推力室身部依次紧固连接；

预燃室头部包括喷嘴焊接座、点火氧化剂焊接喷嘴和点火燃烧剂焊接嘴；喷嘴焊接座内部设有空腔，喷嘴焊接座前端固定连接点火氧化剂焊接喷嘴，点火氧化剂焊接喷嘴内部设有中空的管路，点火氧化剂焊接喷嘴与空腔通过凸台过渡配合，凸台设有周向的通孔；喷嘴焊接座侧面设有通孔以及同轴沉孔，用于焊接点火燃烧剂焊接嘴，点火燃烧剂焊接嘴内部设有中空的管路，管路连通空腔；点火氧化剂焊接喷嘴尾端外围与喷嘴焊接座之间形成环形空腔，环形空腔形成点火燃烧剂喷嘴，点火氧化剂焊接喷嘴尾端内部空腔形成点火氧化剂喷嘴，点火燃烧剂喷嘴与点火氧化剂喷嘴形成同轴剪切喷嘴，点火燃烧剂喷嘴、点火氧化剂喷嘴分别连通预燃补氧室的预燃气通道；

预燃补氧室包括预燃室、补氧焊接嘴和火花塞；预燃室内部设有中空的预燃气通道；预燃室侧壁设有内螺纹结构的通孔及其同轴沉孔，用于紧固火花塞；预燃室尾部设有凹槽，凹槽中间设有中空锥形结构，锥形结构中空部分与预燃气通道连通，中空部分的尾端形成预燃气喷嘴，锥形结构尾端与推力室头部燃烧室收敛段中空通道之间形成环形空腔，环形空腔形成补氧气喷嘴，预燃气喷嘴与补氧气喷嘴形成同轴剪切喷嘴，预燃气喷嘴、补氧气喷嘴分别连通燃烧室的中空通路；尾部侧壁设有通孔及其同轴沉孔，用于焊接补氧焊接嘴，补氧焊接嘴内部是中空的管路，预燃室尾部的凹槽与推力室头部之间形成空腔，空腔与补氧焊接嘴内中空管路连通；

推力室头部包括燃烧室、燃烧室测压管嘴和测压管嘴密封圈；燃烧室内部设有收敛-平直-扩张-平直的中空通路；燃烧室侧壁设有螺纹结构的通孔及其同轴沉孔，用于放置和紧固燃烧室测压管嘴及测压管嘴密封圈，燃烧室测压管嘴连通中空通路；

推力室身部包括推力室、推力室喉部冷却管嘴和冷却管嘴密封圈；推力室内部设有中空的通道，通道形状模拟燃烧室和喷管的内型面，通道与燃烧室中空通路连通，推力室通道喉部处沿推力室横截面方向设有喉部冷却通道，冷却通道两侧分别连接一个紧固推力室喉部冷却管嘴。

应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机的点火方案，包括工质输入、点火时序和预燃室容积设计；

工质输入，将全部的燃烧剂和一部分氧化剂分别通过点火燃烧剂焊接嘴和点火氧化剂焊接喷嘴输入预燃室点燃，另外一部分氧化剂通过补氧焊接嘴输入燃烧室与预燃气混合燃烧；燃烧剂包括氢气、烃类气态化合物，或上述气体的混合物，氧化剂包括氧气、氧化亚氮，或上述气体的混合物，其余氧化剂中根据需要混入氮气、二氧化碳气体，模拟真实发动机的燃烧产物；

点火时序，先接通火花塞电源，然后输入燃烧剂，再输入一部分氧化剂，给预燃室制造富燃环境，然后，再输入另外一部分氧化剂，时间间隔在10-100ms之间；

预燃室容积设计，设计合适的预燃室容积，使燃烧剂进入预燃室后，在10ms内使预燃室建立高于火花塞放电所要求的气压环境；根据巴申定律，在气体成分和电极材料确定的情况下，电极间的击穿电压U是pd的函数，其中p为气体压力，d为电极间距；

具体的预燃室容积校核方法为：

根据理想气体状态方程，t时刻点火器内的压强与密度关系为

p^(t)＝ρ^(t)RT，

其中p^(t)为t时刻点火器内的平均压强，ρ^(t)为t时刻点火器内的平均密度，且m^(t)为气体质量，V为预燃室的容积，R为气体常，T为气体温度；利用差分方法对时间进行离散，设时间步长为Δt，t时刻为第i个时间步长的末端，t＝iΔt，则

$>m^{\left(t\right)}=m^i=m^{i-1}+(q_{\mathrm{in}}-q_{\mathrm{out}}^{i-1})\mathrm{\Delta t},$>

其中q_in为点火燃烧剂流量；极短的时间内预燃室的出口认为是真空，出口流速达到声速，应用流量公式可得其中，为t前一时刻流出预燃气喷嘴的流量，C_d为流量系数，k为点火燃烧剂比热比，R为气体常数，p^i-1为t前一时刻预燃室的压力，T为点火燃烧剂温度，A_t为预燃气喷嘴的横截面积；

利用以上关系式，得到在确定的预燃室容积V的情况下，预燃室压力p随时间t的变化关系，通过p判断预燃室容积V是否满足要求。

本发明的优点在于：

（1）通过点火燃烧剂焊接嘴、点火氧化剂焊接喷嘴、补氧剂焊接嘴三路输入推进剂工质，通过配比不同的燃烧剂、氧化剂和其它气体，可以实现对不同真实发动机燃烧产物的模拟；

（2）点火方案可以有效地保证真空环境下顺利应用电火花进行点火，使预燃室温度不至于过高而烧坏火花塞，方案简单，可实现多次点火；

（3）在材料选择方面，预燃室头部、预燃补氧室采用304不锈钢，既可以承受预燃气约1000K左右的总温，又利于加工和焊接，简化密封形式；推力室头部和推力室身部采用导热性能极佳的紫铜，可以快速传导推进剂燃烧产生的热量，避免零件局部被高温燃气烧坏；

（4）在热防护方面，推力室头部和推力室身部采用紫铜为材料的容热式结构，可以大量贮存并快速传导高温燃气传导的热量，避免局部温度过高而烧坏，进一步地，在热流密度最大的推力室喉部附近开设冷却通道，实验时通冷气介质对喉部进行冷却，热防护方案简单、效果明显；

附图说明

图1：本发明中应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机的结构示意图；

图2：本发明中应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机的侧视结构示意图（标注连接通孔/螺纹孔位置）；

图3：图1中A-A剖面图，本发明中应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机推力室喉部冷却通道结构示意图；

图4：图1中I区域的局部放大图，本发明中应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机点火燃烧剂/点火氧化剂同轴剪切喷嘴结构示意图；

图5：图1中J区域的局部放大图，本发明中应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机预燃气/补氧气同轴剪切喷嘴结构示意图；

图6：气体放电的巴申曲线。

图中：

1-预燃室头部；             2-预燃补氧室；              3-推力室头部；

4-推力室身部；             5-点火氧化剂焊接喷嘴        6-点火燃烧剂焊接嘴

7-喷嘴焊接座               8-膨胀石墨密封垫圈          9-预燃室

10-补氧气焊接嘴            11-膨胀石墨密封垫圈         12-燃烧室测压管嘴

13-测压管嘴密封圈          14-燃烧室                   15-膨胀石墨密封垫圈

16-推力室                  17-火花塞                   18-喷嘴焊接座空腔

19-点火氧化剂喷嘴定位凸台  20-点火氧化剂喷嘴定位凸台   21-点火燃烧剂喷嘴

22-点火氧化剂喷嘴          23-预燃气喷嘴               24-补氧气喷嘴

25-推力室喉部冷却管嘴      26-冷却管嘴密封圈           27-推力室喉部冷却通道

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机及其点火方案。

应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机如图1所示，包括预燃室头部1、预燃补氧室2、推力室头部3和推力室身部4；

如图1和图2所示，预燃室头部1与预燃补氧室2之间通过膨胀石墨密封垫圈8密封、采用螺纹结构（螺钉）紧固连接，预燃补氧室2、推力室头部3和推力室身部4采用螺纹结构（螺钉）紧固连接，预燃补氧室2与推力室头部3之间通过膨胀石墨密封垫圈11密封，推力室头部3与推力室身部4通过膨胀石墨密封垫圈15密封；上述的螺纹结构位置与点火燃烧剂焊接嘴5相错45°，避免安装干涉；

预燃室头部1包括喷嘴焊接座7、点火氧化剂焊接喷嘴5和点火燃烧剂焊接嘴6；

喷嘴焊接座7内部设有空腔18，喷嘴焊接座7前端固定连接（焊接）点火氧化剂焊接喷嘴5，点火氧化剂焊接喷嘴5内部设有中空的管路，点火氧化剂焊接喷嘴5外部具有用于同轴定位的凸台19和凸台20，与空腔18过渡配合，凸台20具有沿周向开设的通孔；

喷嘴焊接座7后端设有密封槽和法兰，法兰具有沿周向开设的通孔，通孔与点火燃烧剂焊接嘴6相错45°，避免安装干涉，通孔用于与预燃补氧室2进行螺纹连接，密封槽用于放置喷嘴焊接座7与预燃补氧室2之间的膨胀石墨密封垫圈8；

喷嘴焊接座7侧面设有通孔以及同轴沉孔，用于焊接点火燃烧剂焊接嘴6，点火燃烧剂焊接嘴6内部设有中空的管路，管路连通空腔18；

如图4所示，点火氧化剂焊接喷嘴5尾端外围与喷嘴焊接座7之间形成环形空腔，形成点火燃烧剂喷嘴21，点火氧化剂焊接喷嘴5尾端内部空腔形成点火氧化剂喷嘴22，点火燃烧剂喷嘴21与点火氧化剂喷嘴22形成同轴剪切喷嘴，点火燃烧剂喷嘴21、点火氧化剂喷嘴22分别连通预燃补氧室2的预燃气通道。

预燃补氧室2包括预燃室9、补氧焊接嘴10和火花塞17；

预燃室9内部设有中空的预燃气通道，顶部具有密封凸台和沿周向开设的螺纹孔，螺纹孔与预燃室头部1的法兰开设的通孔同轴，用以紧固预燃室头部1，密封凸台用于与预燃室头部1密封槽配合，进行密封；

预燃室9侧壁设有内螺纹结构的通孔及其同轴沉孔，用于紧固火花塞17；

预燃室9尾部设有法兰和密封凸台，法兰具有沿周向开设的通孔，通孔与补氧焊接嘴10相错45°，避免安装干涉，通孔用于与推力室头部3及推力室身部4进行螺纹连接，密封凸台用于预燃室9与推力室头部3进行密封；

预燃室9尾部设有凹槽，凹槽中间设有中空锥形结构，锥形结构中空部分与预燃气通道连通，如图5所示，中空部分的尾端形成预燃气喷嘴23，锥形结构尾端与推力室头部3燃烧室14收敛段中空通道之间形成环形空腔，形成补氧气喷嘴24，预燃气喷嘴23与补氧气喷嘴24形成同轴剪切喷嘴，预燃气喷嘴23、补氧气喷嘴24分别连通燃烧室14的中空通路；

预燃室9尾部侧壁设有通孔及其同轴沉孔，用于焊接补氧焊接嘴10，补氧焊接嘴10内部是中空的管路，预燃室9尾部的凹槽与推力室头部3之间形成空腔，空腔与补氧焊接嘴10内中空管路连通；

火花塞17从市面购买，自带密封垫圈及螺纹。

推力室头部3包括燃烧室14、燃烧室测压管嘴12和测压管嘴密封圈13；

燃烧室14顶部设有密封槽和沿周向开设的通孔，通孔与燃烧室测压管嘴12相错45°，避免安装干涉，通孔与预燃补氧室2的法兰的通孔同轴，密封槽用于放置膨胀石墨密封垫圈11，与预燃补氧室2的密封凸台进行配合；

燃烧室14内部设有收敛-平直-扩张-平直的中空通路；

燃烧室14侧壁设有螺纹结构的通孔及其同轴沉孔，用于放置和紧固燃烧室测压管嘴12及测压管嘴密封圈13，燃烧室测压管嘴12连通燃烧室14的中空通路；

燃烧室14底部设有密封凸台，用于与推力室身部4的推力室16进行密封。

推力室身部4包括推力室16、推力室喉部冷却管嘴25和冷却管嘴密封圈26；

推力室16顶部设有密封槽和沿周向开设的螺纹孔，螺纹孔与预燃补氧室2法兰及推力室头部3开设的通孔同轴，用于将预燃补氧室2、推力室头部3以及推力室身部4连接并紧固，密封槽用于放置膨胀石墨密封垫圈15；

推力室16内部设有中空的通道，通道形状是模拟的燃烧室和喷管的内型面，通道与燃烧室14中空通路连通，推力室16通道喉部处沿推力室16横截面方向设有喉部冷却通道27，如图3所示，冷却通道27两侧设有内螺纹孔和沉孔，两个紧固推力室喉部冷却管嘴25分别通过冷却管嘴密封圈26与冷却通道27两端连接；

喷嘴焊接座7、点火氧化剂焊接喷嘴5、点火燃烧剂焊接嘴6、预燃室9和补氧焊接嘴10均采用304不锈钢进行加工，既可以承受预燃气约1000K的总温，又方便焊接，简化密封形式；

燃烧室14和推力室16采用导热性能极佳的紫铜进行加工，可以大量贮存并快速传导高温燃气产生的热量，避免零件局部被高温燃气烧坏；

测压管嘴密封圈13和冷却管嘴密封圈26采用紫铜进行加工并做退火处理；

燃烧室测压管嘴12采用黄铜进行加工。

应用于真空羽流效应实验研究的多组元模拟发动机的点火方案，包括工质输入、点火时序和预燃室容积设计。

工质输入，在于将全部的燃烧剂和少量氧化剂分别通过点火燃烧剂焊接嘴6和点火氧化剂焊接喷嘴5输入预燃室9点燃，产生总温低于1000K的预燃气，可以避免火花塞17和不锈钢结构的预燃室9被烧坏，其余大量氧化剂通过补氧焊接嘴10输入燃烧室14与预燃气混合燃烧；燃烧剂包括氢气、烃类气态化合物等，或上述气体的混合物，氧化剂包括氧气、氧化亚氮等，或上述气体的混合物，其余大量氧化剂中还可根据需要混入氮气、二氧化碳等气体，以模拟真实发动机的燃烧产物。

点火时序，在于先接通火花塞电源，然后输入燃烧剂，再输入少量氧化剂，给预燃室制造富燃环境，避免火花塞和不锈钢结构的预燃室被局部烧坏，再输入其余大量氧化剂，时间间隔在10-100ms之间。

预燃室容积设计，在于设计合适的预燃室容积，使燃烧剂进入预燃室9后，在10ms内使预燃室9建立高于火花塞17放电所要求的气压环境。根据巴申定律（又称为“帕邢定律”），在气体成分和电极材料一定的情况下，电极间的击穿电压U是pd的函数（p为气体压力，d为电极间距）。以氢气作为燃烧剂为例，巴申曲线（如图6所示）显示空气与氢气的击穿放电性质相差不多，在大气环境下（1个大气压的空气）火花塞17能正常放电，故在真空环境下为了使火花塞17能成功放电，要求预燃室9的压力在氢气通入10ms内达到1个大气压以上。具体的预燃室容积校核方法为：

根据理想气体状态方程，t时刻点火器内的压强与密度关系为

p^(t)＝ρ^(t)RT，

其中p^(t)为t时刻点火器内的平均压强，ρ^(t)为t时刻点火器内的平均密度，且m^(t)为气体质量，V为预燃室9的容积，R为气体常，T为气体温度；利用差分方法对时间进行离散，设时间步长为Δt，t时刻为第i个时间步长的末端，t＝iΔt，则

$>m^{\left(t\right)}=m^i=m^{i-1}+(q_{\mathrm{in}}-q_{\mathrm{out}}^{i-1})\mathrm{\Delta t},$>

其中q_in为点火燃烧剂流量。极短的时间内预燃室9的出口可认为真空，出口流速达到声速，应用流量公式可得其中，为t前一时刻流出预燃气喷嘴23的流量，C_d为流量系数，k为点火燃烧剂比热比，R为气体常数，p^i-1为t前一时刻预燃室9的压力，T为点火燃烧剂温度，A_t为预燃气喷嘴23的横截面积。

利用以上关系式，即可得到在确定的预燃室容积V的情况下，预燃室压力p随时间t的变化关系，并且p趋近于一个稳定值，只需判断p能否在10ms内达到稳定值，且稳定值是否高于1个大气压，即可校核设计的预燃室容积V是否满足要求。

其它气体燃烧剂可具体查询其放电性质，一般情况下，1个大气压远高于满足气体放电的气压条件，故仍可用上述方法进行检验。