一种采用针栓喷注器的过氧化氢煤油变工况推力室
技术领域
本发明属于液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种采用针栓喷注器的过氧化氢煤油变工况推力室。
背景技术
液体火箭发动机是目前运载火箭的重要基础，对于航天发射和深空探测任务具有着重要的意义。而为了进一步地降低发射成本以及增加发射频率，则对火箭发动机的重复使用和便利性提出了新的要求。过氧化氢和煤油作为一对常温无毒推进剂组合，具有高密度比冲和易存储的特征，能够带来储存和加注方面的便捷，大幅地减小发射准备时间；过氧化氢经过催化之后能够作为工质推动涡轮泵运转，整个循环方式相对简洁，且燃气与煤油相遇之后能够发生自点火，发动机启动方便且可靠性高。另外，为了实现火箭发动机的重复利用，具有深度变推能力的液体火箭发动机是实现火箭回收的必备条件。液体火箭发动机为了实现推力条件，常常需要对推进剂流量进行大幅度的调节，虽然气体能够根据背压实现喷注压降的动调节，但是液体推进剂的喷注压降变化则与压力变化呈平方关系，如果保持喷注面积不变的条件下，在实现5倍的流量调节比下，上游的供给压力则需要增加接近25倍，这对于上游供给系统来说几乎是不可能实现的。
国内目前实际应用的变推力火箭发动机为嫦娥三号下降级7500N发动机，2013年在飞行任务中获得了完美的验证。综上所述，目前暂没有针对以常温过氧化氢和煤油为推进剂的变推力方案，因此开展相关的设计研究对于航天动力装置的进一步发展具有着重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种采用针栓喷注器的过氧化氢煤油变工况推力室，能够实现发动机推力的调节，保障变工况条件下的可靠工作，能够很好地满足火箭发动机重复使用和回收的需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种采用针栓喷注器的过氧化氢煤油变工况推力室，由上到下包括依次相连接贯通的喷注室、催化室和燃烧室，还包括喷注器；喷注器，轴向同轴贯通设置于喷注室、催化室和燃烧室内，其喷射端位于燃烧室内；其喷射端设置有开口大小可调的煤油喷注口，用于朝向燃烧室内喷注煤油燃料，与分解后的过氧化氢燃料混合燃烧。
该喷注室的内壁与喷注器间形成环形的过氧化氢通道；催化室与喷注室之间、以及催化室与燃烧室之间分别对应设置有水平向均流板和支撑板，均流板和支撑板之间填充用于催化分解过氧化氢催化剂、且均流板和支撑板上均开通设置有供过氧化氢流通的通孔。
进一步地，该喷注器包括壳体，为筒状；针栓，同轴套设于壳体内，与壳体间形成竖直向的流通通道；针栓由上到下包括导向段、活塞段、连接段和作为喷射端的半球体；半球体的直径大于壳体的直径，且其水平面的一端向上，半球体位于壳体外，且随着针栓相对壳体的上下滑动、半球体与壳体之间形成大小可调的煤油喷注口。
进一步地，在活塞段上、沿外壁开设有螺旋状的导流通道，导向段和壳体之间、活塞端的导流通道、连接段和壳体之间依次连通形成煤油燃料流道。
进一步地，该均流板，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于喷注器穿过，在均流板上均布开设用于供过氧化氢流通的通孔。
进一步地，该支撑板，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于喷注器穿过，在支撑板上均布开设用于供过氧化氢流通的通孔。
进一步地，在催化室的中部设置有止流环，止流环为一圆环体，其侧壁紧密贴于催化室的内壁。
进一步地，该喷注室，由上到下包括同轴一体连接的筒状段和扩张段，在扩张段内、且绕其一周间隔设置有多个竖直向、且从中心向外发射分布的分隔板，将扩张段分割为多个独立的腔室，各腔室均与筒状段相连通，用于盛接过氧化氢。
进一步地，该燃烧室，由一双层中空壳体结构，双层壳体间形成过氧化氢流体通道，流体通道的上部通过连接管与喷注室连通。
进一步地，该燃烧室的端部同轴设置拉法尔喷管，拉法尔喷管为一双层中空壳体，双层壳体间形成过氧化氢流体通道，与燃烧室的过氧化氢流体通道相连通；拉法尔喷管的下部上设置有过氧化氢入口。
本发明还公开了一种用于过氧化氢煤油变工况推力室的喷注器，其特征在于，包括：壳体，为筒状；针栓，同轴套设于壳体内，与壳体间形成竖直向的流通通道；针栓由上到下包括导向段、活塞段、连接段和作为喷射端的半球体；半球体的直径大于壳体的直径，且其水平面的一端向上，半球体位于壳体外，且随着针栓相对壳体的上下滑动、半球体与壳体之间形成大小可调的煤油喷注口。
本发明一种采用针栓喷注器的过氧化氢煤油变工况推力室具有如下优点：通过过氧化氢催化后的高温燃气与煤油接触自然的特性，简化了点火结构。可改变进入燃烧室内的过氧化氢和煤油的流量，以实现改变推力室的推力。
附图说明
图1是本发明一种采用针栓喷注器的过氧化氢煤油变工况推力室的结构示意图。
其中：1.喷注室；2.催化室；3.燃烧室；4.拉法喷管；5.喷注器；5-1.针栓；5-2.导流通道；5-3.半球体；5-4.壳体；6.均流板；8.止流环；7.压紧板；9.过氧化氢进口；10.连接管。
具体实施方式
本发明一种采用针栓喷注器的过氧化氢煤油变工况推力室，如图1所示，由上到下包括依次相连接贯通的喷注室1、催化室2和燃烧室3，还包括喷注器5；喷注器5，轴向同轴贯通设置于喷注室1、催化室2和燃烧室3内，其喷射端位于燃烧室3内；其喷射端设置有开口大小可调的煤油喷注口，用于朝向燃烧室3内喷注煤油燃料，与分解后的过氧化氢燃料混合燃烧；喷注室1的内壁与喷注器5间形成环形的过氧化氢通道；催化室2与喷注室1之间、以及催化室2与燃烧室3之间分别对应设置有水平向均流板6和支撑板7，均流板6和支撑板7之间填充用于催化分解过氧化氢催化剂、且均流板6和支撑板7上均开通设置有供过氧化氢流通的通孔。过氧化氢通过催化室后，经过催化分解，得到氧气和水蒸气，在1000k左右的温度下，在燃烧室3内的上部与煤油相遇，即可燃烧。燃烧室3和催化室2间通过法兰相连接。
上述喷注器5包括：壳体5-4，为筒状；针栓5-1，同轴套设于壳体5-4内，与壳体5-4间形成竖直向的流通通道；针栓5-1由上到下包括导向段、活塞段、连接段和作为喷射端的半球体；半球体5-3的直径大于壳体5-4的直径，且其水平面的一端向上，半球体位于壳体5-4外，且随着针栓5-1相对壳体5-4的上下滑动、半球体5-3与壳体5-4之间形成大小可调的煤油喷注口。流体竖直向流出后，转为水平向，然后与半球体的光滑弧面碰撞，由于球面为光滑状，没有突出的部分，所以流体流出时不会产生回流区，正向与氧化氢分解气接触。针栓5-1单自由度的上下移动，实现不同流量条件下的喷注面积的变化，从而实现不同条件下的煤油燃料的高效雾化。在活塞段上、沿外壁开设有螺旋状的导流通道5-2，导向段和壳体5-4之间、活塞端的导流通道5-2、连接段和壳体5-4之间依次连通形成煤油燃料流道。
为了使过氧化氢能够与催化剂充分接触，在进入催化室3前，对过氧化氢均匀分散。则在催化室3内，且位于催化剂的上部设置有水平的均流板6，均流板6，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于喷注器5穿过，在均流板6上均布开设用于供过氧化氢流通的通孔。过氧化氢通过通孔进入催化室3，起到缓冲的作用。支撑板7，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于喷注器5穿过，在支撑板7上均布开设用于供过氧化氢流通的通孔。
当过氧化氢流体进入催化室2后，与催化剂相接触，但是，由于催化剂不可能与侧壁紧密贴合，则部分过氧化氢会贴于侧壁面向下流，如果过氧化氢贴于侧壁流下，就不能与催化剂相作用，所以还设置一止流环8，为一圆环体，设置于催化室2内，且其侧壁紧密贴于催化室2的内壁，防止过氧化氢贴于侧壁流下。为了使止流环8更牢固，可在圆环内绕其一周间隔设置过个水平向的连接柱。
喷注室1，由上到下包括同轴一体连接的筒状段和扩张段，在扩张段内、且绕其一周间隔设置有多个竖直向、且从中心向外发射分布的分隔板，将扩张段分割为多个独立的腔室，各腔室均与筒状段相连通，用于盛接过氧化氢。将过氧化氢进行预分布，以保证能均匀地进入催化室2。
上述燃烧室3，由一双层中空壳体围成，双层壳体间形成过氧化氢流体通道，流体通道的上部与喷注室1管路连通。过氧化氢流体在流体通道内流动，一方面降低了燃烧室3的温度，同时进行了过氧化氢的预加热。
上述燃烧室3的端部连通拉法尔喷管4，为一双层中空壳体，双层壳体间形成过氧化氢流体通道，与燃烧室2的过氧化氢流体通道相连通；过氧化氢入口9位于拉法尔喷管4的下端外壁面上。
本发名还公开了用于上述过氧化氢煤油变工况推力室的喷注器包括：壳体5-4，为筒状；针栓5-1，同轴套设于壳体5-4内，与壳体5-4间形成竖直向的流通通道；针栓5-1由上到下包括导向段、活塞段、连接段和作为喷射端的半球体；半球体5-3的直径大于壳体5-4的直径，且其水平面的一端向上，半球体位于壳体5-4外，且随着针栓5-1相对壳体5-4的上下滑动、半球体5-3与壳体5-4之间形成大小可调的煤油喷注口。
上述采用针栓喷注器的过氧化氢煤油变工况推力室，推进剂选用含有90％质量含量的过氧化氢和煤油，通过过氧化氢催化后的高温燃气与煤油接触自然的特性，简化了点火结构。过氧化氢和煤油均增压后，由涡轮泵泵入推力室中，可以调节压力，调节去往喷注室1的过氧化氢质量，进而调节涡轮泵的功率，当涡轮泵转速提高时，其设置的过氧化氢泵出口压力随之提高，进入燃烧室3的流量随之提高，此时同时调节煤油流量，增加进入燃烧室3的煤油流量，3推力室的推力随之提高。当发动机推力需要降低时，则减小过氧化氢和煤油的泵入量。随着推力需求的提高，针栓5-1逐渐向上游移动，针栓5-1的有效喷注面积逐渐减小，煤油燃料虽然流量增加，但其喷注压降仍保持不变。
在推力室停车时，具体操作如下，首先减少进入燃烧室3的过氧化氢，在此过程中，首先停止煤油的进入，燃烧室3内慢慢熄火，室压逐渐衰弱，此时过氧化氢继续冷却拉法尔喷管4和燃烧室3的流体通道，然后关闭过氧化氢的进入量。
