專利名稱：一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器的制作方法
技術領域：
本發明屬于液體火箭發動機推進技術領域，具體涉及一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器。
背景技術：
大部分目前應用在航天飛行器上的小推力姿控發動機都采用有毒推進劑，如胼、 偏二甲胼、四氧化二氮等，隨著航天技術的發展，無毒推進劑在小推力發動機上的應用成為航天推進的一個主要發展方向。在液體火箭發動機中，噴注器的設計對推進劑的混合以及燃燒性能、穩定性起著決定性的作用。采用三底兩腔結構的雙組元噴注器一般包括氧化劑腔、燃料腔、氧化劑噴嘴、燃料噴嘴、點火器等，其主要特點是燃料與氧化劑分別具有各自的集液腔，在噴注面板上交替分布著燃料噴嘴與氧化劑噴嘴分別與各自的集液腔相連，集液腔容積使小推力發動機響應特性變差，脈沖工況比沖下降。20世紀60年代開始應用的光刻層板式噴注器具有優良的霧化及混合性能，而且響應快，相容性好，有自冷卻性能，在國外已應用于航天飛機軌控發動機、小推力姿控發動機和燃氣發生器。由于光刻層板式噴注器層板厚度通常小于0. 1mm，采用光刻工藝加工層板是光刻層板式噴注器制造的關鍵工藝技術。光刻是一種將圖形復印和腐蝕相結合的綜合性精密加工技術。層板式噴注器光刻工藝需經過以下流程化學清洗、烘干、涂膠、烘干、 曝光、顯性、定形、漂洗、堅膜、腐蝕、去膠、成品修飾，如此多的工序大大提高了工藝復雜度； 而且由于光刻層板式噴注器光刻加工的材料一般為航天用耐強酸腐蝕的材料，所以針對不同材料需要研究特定的腐蝕液和配套的光刻膠，提高了光刻層板式噴注器的加工難度和成本。采用層板疊加擴散焊接技術將各層板焊接在一起，對每個部件(層板)的表面質量要求很高，并且擴散焊工藝采用高溫高壓，而在高溫條件下采用很大的壓力容易造成層板各個板面之間的孔及流通通道發生塑性變形，影響制造質量和性能，因此要獲得性能和質量優異的層板式噴注器，對工藝參數提出了更高的要求，間接增加了生產成本。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明在研制以氣氧作為氧化劑，甲烷作為燃料的小推力無毒推進劑發動機過程中提出了一種新型噴注器方案。本發明提出的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，具有集液腔容積小，響應特性好，工藝簡單，成本低等優點。本發明提出了一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，包括火花塞、燃料接管嘴、氧氣接管嘴、燃料板、氧化劑板、頂層板、分流板A、分流板B、邊區冷卻劑流量調節固定裝置、邊區冷卻劑流量調節墊片、燃料噴嘴和殼體。其中燃料板、氧化劑板、頂層板、分流板A和分流板B組成層板結構；邊區冷卻劑流量調節固定裝置和邊區冷卻劑流量調節墊片稱為邊區冷卻劑流量調節裝置。所述的殼體為圓形結構，中心具有通孔a，通孔a內部順次焊接有分流板A、分流板B、燃料板和氧化劑板，頂層板與分流板A的上表面焊接相連，殼體的邊緣均勻分布有多個螺栓孔，通過螺栓孔可以將該層板式噴注器與其他部件進行固定。所述的頂層板中心具有通孔A，通孔A兩側對稱分布有通孔C和通孔B，通孔B和通孔C分別與燃料接管嘴和氧氣接管嘴相連接，且所述的通孔B與燃料接管嘴之間還連接有燃料接管嘴密封墊片，通孔C與氧氣接管嘴之間還連接有氧氣接管嘴密封墊片。所述的分流板A的中心具有階梯通孔D，階梯通孔D上部的孔徑與通孔A的孔徑相同，且階梯通孔D與通孔A同軸；階梯通孔D的兩側對稱分布有盲孔I和通孔E (冷卻劑分流孔與氧化劑分流孔屬于通孔E)。盲孔I的開孔方向為朝向頂層板方向，組裝層板式噴注器的層板結構時，盲孔I與通孔B相對，且盲孔I與通孔B同軸，在盲孔I的內側相鄰位置設置有通孔F，盲孔I與通孔F通過在分流板A平面方向的凹槽通道相連通。所述的通孔E 與頂層板上的通孔C位置相對，通孔E為雙層孔結構，頂層為連通孔，底層為冷卻劑分流孔和氧化劑分流孔通過頂層的連通孔可將氣流經底層的冷卻劑分流孔和氧化劑分流孔進行分流，組裝層板式噴注器的層板結構時，通孔E的連通孔與頂層板相對，冷卻劑分流孔和氧化劑分流孔與分流板B相對。所述的分流板B的中心具有通孔G，通孔G與通孔A和階梯通孔D同軸，通孔G的周圍具有環形腔A，組裝層板式噴注器的層板結構時，使環形腔A朝向分流板A，環形腔A的外側設置有盲孔X，盲孔X通過分流板B平面方向上的凹槽通道與環形腔A相連通，且盲孔 X與通孔F同軸；分流板B在環形腔A的底部沿周向均勻分布有多個通孔J ；分流板B與通孔E的冷卻劑分流孔和氧化劑分流孔相對的位置上，分別設置有通孔K1和通孔K2，通孔K1 與冷卻劑分流孔同軸，通孔K2與氧化劑分流孔同軸，使經冷卻劑分流孔流出的氣體通過通孔K1流出，使經氧化劑分流孔流出的氣體經過通孔K2流出。冷卻劑分流孔中通過螺紋連接有邊區冷卻劑流量調節固定裝置，所述的通孔K1與冷卻劑分流孔之間設置有邊區冷卻劑流量調節墊片，邊區冷卻劑流量調節墊片中心具有中心孔，該中心孔的尺寸可變，通過調節邊區冷卻劑流量調節墊片可以調節流入通孔K1中的氣體流量。所述的燃料板中心具有通孔M，通孔M與通孔G、通孔A和階梯通孔D同軸；通孔M 的外圍設置有環形腔B，組裝層板式噴注器的層板結構時，使環形腔B朝向分流板B，環形腔 A與環形腔B的半徑相等，環形腔B的外圍沿圓周方向均勻設置有多個與環形腔B相通的階梯通孔R，每個階梯通孔R均通過凹槽通道與環形腔B相連通。燃料板在階梯通孔R外側設置有環形腔C，環形腔C與分流板B上的通孔K1位置相對(即通孔Kl的軸線位于環形腔C 的腔上)，環形腔C的底部均勻的設置有多個通孔N，通孔N的個數優選為16個以上。燃料板上還設置有通孔L，使通孔L與通孔K2同軸。所述的氧化劑板中心具有階梯通孔P，階梯通孔P與通孔M同軸，階梯通孔P外圍沿圓周方向均勻分布有多個階梯通孔Q，階梯通孔Q與階梯通孔R同軸，且階梯通孔Q與階梯通孔R個數相等，使對應的每一個階梯通孔Q和每一個階梯通孔R能夠組合在一起，形成一個組合孔，進而使燃料噴嘴固定于階梯通孔Q和階梯通孔R形成的組合孔中，且燃料噴嘴使用溫差法裝配固定于該組合孔中。氧化劑板在階梯通孔P的一側具有盲孔Y，組裝層板式噴注器的層板結構時，盲孔Y與燃料板相對，且盲孔Y與通孔L同軸，在階梯通孔P的外圍具有環形腔D，通過環形腔D使盲孔Y與每一個階梯通孔Q連通。氧化劑板的側壁成階梯狀與殼體內壁形成環形腔E，環形腔E與燃料板上的通孔N位置相對，通孔N與環形腔E距離中心的長度相等。在環形腔E的底部沿周向均勻分布有多個通孔T，用于流通冷卻劑，使從通孔T流出的冷卻劑沿殼體的內壁邊緣流出，用于冷卻。火花塞依次穿過通孔A、階梯通孔 D、通孔G、通孔M和階梯通孔P，且火花塞與分流板的階梯通孔D之間連接有火花塞密封墊片。本發明具有的優點和積極效果在于(1)本發明提出的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，通過五塊層板對燃料與氧化劑進行分流控制，布局緊湊，結構簡單，燃料與氧化劑流通通道的容積小，有利于提高發動機響應特性；(2)本發明提出的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，具有邊區冷卻劑流量調節裝置，根據試驗要求，可以方便調節冷卻劑氧氣流量；(3)本發明提出的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，采用傳統機加工工藝，成本低，符合小推力發動機試驗研究的特點。
圖1本發明提出的氣氧圖2本發明提出的氣氧圖3本發明提出的氣氧圖4本發明提出的氣氧圖5本發明提出的氣氧圖6本發明提出的氣氧圖7本發明提出的氣氧圖中1-螺栓孔 2-火花塞3-燃料接管嘴 4-氧氣接管嘴5-頂層板 6-燃料接管嘴密封7-火花塞密封墊片8-氧氣接管嘴密封墊片墊片9-邊區冷卻劑流量調10-邊區冷卻劑流量11-分流板A12-分流板B節固定裝置調節墊片
13--燃料板14-殼體15-燃料噴嘴16-氧化劑板
η17--通孔A18- 通孔C19-通孔B20-階梯通孔υ
21--冷卻劑分流孔22-氧化劑分流孔23-通孔F24-盲孔I
25--通孔G26--通孔J27--環形腔A28-通孔K1
29--通孔K230-盲孔X31--通孔M32-環形腔B
33--階梯通孔R34--環形腔C35-通孔N36-通孔L
37--階梯通孔P38--環形腔D39-階梯通孔Q40-盲孔Y
41--通孔T
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明
/甲烷小推力發動機層板式噴注器的主視圖； /甲烷小推力發動機層板式噴注器的剖面圖； /甲烷小推力發動機層板式噴注器的頂層板主視圖； /甲烷小推力發動機層板式噴注器的分流板A主視圖； /甲烷小推力發動機層板式噴注器的分流板B主視圖； /甲烷小推力發動機層板式噴注器的燃料板主視圖； /甲烷小推力發動機層板式噴注器的氧化劑板主視圖。
本發明提出了一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，如圖1和圖2所示，主要包括火花塞2、燃料接管嘴3、氧氣接管嘴4、燃料板13、氧化劑板16、頂層板5、分流板 All、分流板B12、邊區冷卻劑流量調節固定裝置9、邊區冷卻劑流量調節墊片10、燃料噴嘴 15和殼體14。其中燃料板13、氧化劑板16、頂層板5、分流板All和分流板B12組成層板結構。所述的殼體14為圓形結構，中心具有通孔a，通孔a內部順次焊接有分流板All、 分流板B12、燃料板13和氧化劑板16，頂層板5與分流板All的上表面焊接相連，殼體14的邊緣均勻分布有多個螺栓孔1，通過螺栓孔1可以將該層板式噴注器與其他部件進行固定。所述的頂層板5中心具有通孔A17，如圖3所示，通孔A17兩側對稱分布有通孔C18 和通孔B19，通孔B19和通孔C18分別與燃料接管嘴3和氧氣接管嘴4相連接，且所述的通孔B19與燃料接管嘴3之間還連接有燃料接管嘴密封墊片6，通孔C18與氧氣接管嘴4之間還連接有氧氣接管嘴密封墊片8。所述的分流板All的中心具有階梯通孔D20，如圖4所示，階梯通孔D20部(即朝向頂層板方向的部分)的孔徑與通孔A17的孔徑相同，且階梯通孔D20與通孔A17同軸；階梯通孔D20的兩側對稱分布有盲孔IM和通孔E (冷卻劑分流孔與氧化劑分流孔統屬于通孔E)。盲孔124的開孔方向為朝向頂層板5方向，組裝層板式噴注器的層板結構時，盲孔 124與通孔B19相對，且盲孔124與通孔B19同軸，在盲孔124的內側相鄰位置設置有通孔 F23，盲孔IM與通孔F23通過在分流板All平面方向的凹槽通道相連通。所述的通孔E與頂層板5上的通孔C18位置相對，通孔E為雙層孔結構，頂層為連通孔，底層為冷卻劑分流孔21和氧化劑分流孔22。通過頂層的連通孔可將氣流經底層的冷卻劑分流孔21和氧化劑分流孔22進行分流，組裝層板式噴注器的層板結構時，通孔E的連通孔與頂層板5相對，冷卻劑分流孔21和氧化劑分流孔22與分流板B12相對。所述的分流板B12的中心具有通孔G25，如圖5所示，通孔G25與通孔A17和階梯通孔D20同軸，通孔G25的周圍具有環形腔A27，組裝層板式噴注器的層板結構時，使環形腔A27朝向分流板Al 1，環形腔A27的外側設置有盲孔X30，盲孔X30通過分流板B12平面方向上的凹槽通道與環形腔A27相連通，且盲孔X30與通孔F23同軸；分流板B12在環形腔 A27的底部沿周向均勻分布有多個通孔J26，通孔J26的個數優選為12個以上；分流板B12 與通孔E的冷卻劑分流孔21和氧化劑分流孔22相對的位置上，分別設置有通孔KfS和通孔KJ9，通孔KfS與冷卻劑分流孔21同軸，通孔K2與氧化劑分流孔22同軸，使經冷卻劑分流孔21流出的氣體通過通孔KfS流出，使經氧化劑分流孔22流出的氣體經過通孔KJ9流出。冷卻劑分流孔21中通過螺紋連接有邊區冷卻劑流量調節固定裝置9，所述的通孔KfS 與冷卻劑分流孔21之間設置有邊區冷卻劑流量調節墊片10，邊區冷卻劑流量調節墊片10 中心具有中心孔，該中心孔的尺寸可變，通過調節邊區冷卻劑流量調節墊片10可以調節流入通孔KfS中的氣體流量。所述的燃料板13中心具有通孔Μ31，如圖6所示，通孔Μ31與通孔G25、通孔Α17和階梯通孔D20同軸；通孔Μ31的外圍設置有環形腔Β32，組裝層板式噴注器的層板結構時， 使環形腔Β32朝向分流板Β12，環形腔Α27與環形腔Β32的半徑相等，環形腔Β32的外圍沿圓周方向均勻設置有多個與環形腔Β32相通的階梯通孔R33，每個階梯通孔R33均通過凹槽通道與環形腔Β32相連通，階梯通孔R33的個數優選為6個以上。燃料板13在階梯通孔R33外側設置有環形腔C34，環形腔C34與分流板B上的通孔KfS位置相對(即通孔Kl的軸線位于環形腔C的腔上)，環形腔C34的底部均勻的設置有多個通孔N35，通孔N35的個數優選為16個以上。燃料板13上還設置有通孔L36，使通孔L36與通孔KJ9同軸。所述的氧化劑板16中心具有階梯通孔P37，如圖7所示，階梯通孔P37與通孔M31 同軸，階梯通孔P37外圍沿圓周方向均勻分布有多個階梯通孔Q39，階梯通孔Q39與階梯通孔R33同軸，且階梯通孔Q39與階梯通孔R33個數相等，使對應的每一個階梯通孔Q39和每一個階梯通孔R33能夠組合在一起，形成一個組合孔，進而使燃料噴嘴固定于階梯通孔Q39 和階梯通孔R33形成的組合孔中，且燃料噴嘴15使用溫差法裝配固定于該組合孔中。氧化劑板16在階梯通孔P37的一側具有盲孔W0，組裝層板式噴注器的層板結構時，盲孔Y40與燃料板13相對，且盲孔Y40與通孔L36同軸，在階梯通孔P37的外圍具有環形腔D38，通過環形腔D38使盲孔Y40與每一個階梯通孔Q39連通。氧化劑板16的側壁成階梯狀與殼體 14內壁形成環形腔E，環形腔E與燃料板13上的通孔N35位置相對，通孔N35與環形腔E 距離氧化劑板16的中心的長度相等。在環形腔E的底部沿周向均勻分布有多個通孔T41， 通孔T41的個數優選為20個以上，用于流通冷卻劑，使從通孔T41流出的冷卻劑沿殼體14 的內壁邊緣流出，用于冷卻。火花塞2依次穿過通孔Al7、階梯通孔D20、通孔G25、通孔M31 和階梯通孔P37，且火花塞2與分流板All的階梯通孔D20之間連接有火花塞密封墊片7。如圖2所示，燃料從燃料接管嘴4進入層板式噴注器中依次通過頂層板的通孔 B19、分流板All上的盲孔124、分流板All上的通孔F23、分流板B12上的盲孔X30、分流板 B12上的環形腔A27、分流板B12上的通孔J26、燃料板13上的環形腔B32、燃料板13上的階梯通孔R33，從燃料板13的階梯通孔R33中最終進入燃料噴嘴15，形成燃料流通通道。氧氣從氧氣接管嘴4進入頂層板的通孔C18，再通過分流板Al 1上的通孔E中的冷卻劑分流孔 21和氧化劑分流孔22形成兩股氣流，一股用作冷卻劑，另一股用作氧化劑。作為冷卻劑的氧氣由冷卻劑分流孔22順次進入分流板B12上的通孔Kf8、燃料板13上的環形腔C34、燃料板13上的通孔Ν35、環形腔Ε、氧化劑板16上的通孔Τ41，最后從燃燒室前端沿壁面切向進入燃燒室起冷卻作用，形成冷卻劑流通通道；作為氧化劑的氧氣由分流板All上的氧化劑分流孔21順次進入分流板B12上的通孔KJ9、燃料板13上的通孔L36、氧化劑板16上的環形腔D38、氧化劑板16上的階梯通孔Q39與燃料噴嘴15之間的間隙，最后在階梯通孔 Q39末端與燃料混合，形成氧化劑流通通道。本發明提出的氣氧/甲烷層板式噴注器最大的特點是采用五層板結構對燃料與氧化劑進行分流控制，將燃料與氧化劑由各自的接管嘴直接輸送到燃料與氧化劑同軸的噴嘴中，使燃料與氧化劑更加快速、充分的混合和霧化，有利于提高燃燒效率，改善發動機的響應特性；而且可以通過改變五塊層板上的燃料與氧化劑流通通道，調整燃料板上階梯通孔R33與氧化劑板上的階梯通孔Q39的孔徑及排列方式，增加噴嘴個數，提高霧化性能。由于本發明提出的氣氧/甲烷層板式噴注器的層板結構的孔徑和燃料噴嘴都較小，層板式噴注器的層板結構即頂層板5、分流板All、分流板B12、燃料板13和氧化劑板 16，可以通過沿垂直于層板結構的方向安裝定位銷釘定位，將五層層板結構進行定位，以保證位置精度。
權利要求
1.一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，其特征在于包括火花塞、燃料接管嘴、氧氣接管嘴、燃料板、氧化劑板、頂層板、分流板A、分流板B、邊區冷卻劑流量調節固定裝置、邊區冷卻劑流量調節墊片、燃料噴嘴和殼體；所述的殼體中心具有通孔a，通孔a內順次焊接有分流板Α、分流板B、燃料板和氧化劑板，頂層板與分流板A的上表面焊接相連；頂層板中心具有通孔A，通孔A兩側對稱分布有通孔B和通孔C，通孔B與燃料接管嘴相連接，通孔C與氧氣接管嘴相連接；所述的分流板A中心具有階梯通孔D，階梯通孔D的兩側對稱分布有盲孔I和通孔E ； 盲孔I與通孔B同軸，在盲孔I的一側設置有通孔F，盲孔I與通孔F通過凹槽通道相通；通孔E與頂層板上的通孔C位置相對，通孔E為雙層孔結構，頂層為連通孔，底層為冷卻劑分流孔和氧化劑分流孔；所述的分流板B中心具有通孔G，通孔G的周圍具有環形腔A，環形腔 A的外側設置有盲孔X，盲孔X與環形腔A相通，且盲孔X與通孔F同軸，分流板B在環形腔 A的底部均勻分布有多個通孔J，分流板B上設置有通孔K1和通孔K2，通孔K1與冷卻劑分流孔同軸，通孔K2與氧化劑分流孔同軸；冷卻劑分流孔中通過螺紋連接有邊區冷卻劑流量調節固定裝置，通孔K1與冷卻劑分流孔之間設置有邊區冷卻劑流量調節墊片；所述的燃料板中心具有通孔M,通孔M周圍設置有環形腔B，環形腔B的周圍均勻設置有多個與環形腔B相通的階梯通孔R ；且在環形腔B外側還設置有環形腔C，環形腔C與通孔K1位置相對，環形腔C的底部均勻的設置有多個通孔N ；燃料板上還設置有通孔L ；所述的氧化劑板中心設置有階梯通孔P，在通孔M的外圍均勻的分布有與階梯通孔R個數相等的階梯通孔Q，階梯通孔Q與階梯通孔R同軸，燃料噴嘴固定于階梯通孔Q和階梯通孔R形成的組合孔中，在其中一個階梯通孔P的外側具有盲孔Y，盲孔Y與通孔L同軸，階梯通孔P外圍具有環形腔D，通過環形腔D使盲孔Y與階梯通孔Q連通；氧化劑板的側壁成階梯狀與殼體內壁形成環形腔E，環形腔E與燃料板上的通孔N位置相對，在環形腔E的底部沿周向均勻分布有多個通孔T ；通孔A、階梯通孔D、通孔G、通孔M和階梯通孔P均兩兩同軸，火花塞依次穿過通孔A、階梯通孔D、通孔G、通孔M和階梯通孔P。
2.根據權利要求1所述的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，其特征在于 所述的邊區冷卻劑流量調節墊片中心具有中心孔，通過調節邊區冷卻劑流量調節墊片的中心孔孔徑調節流入通孔K1中的氣體流量。
3.根據權利要求1所述的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，其特征在于 所述的環形腔A與環形腔B的半徑相等。
4.根據權利要求1所述的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，其特征在于 所述的通孔B與燃料接管嘴之間連接有燃料接管嘴密封墊片，所述的通孔C與氧氣接管嘴之間連接有氧氣接管嘴密封墊片。
5.根據權利要求1所述的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，其特征在于 所述的火花塞與分流板A的階梯通孔D連接有火花塞密封墊片。
6.根據權利要求1所述的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，其特征在于 所述的通孔L與通孔K2同軸。
7.根據權利要求1所述的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，其特征在于 所述的盲孔X與通孔F同軸。
8.根據權利要求1所述的一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，其特征在于所屬的頂層板、分流板Α、分流板B、燃料板和氧化劑板通過沿垂直于各層層板結構的方向安裝定位銷釘定位進行定位。
全文摘要
本發明提出了一種氣氧/甲烷小推力發動機層板式噴注器，主要包括火花塞、燃料接管嘴、氧氣接管嘴、燃料板、氧化劑板、頂層板、分流板A、分流板B、邊區冷卻劑流量調節固定裝置、邊區冷卻劑流量調節墊片、燃料噴嘴和殼體，該層板式噴注器具有邊區冷卻劑流量調節固定裝置，根據試驗要求，可以調節冷卻劑氧氣流量。本發明提出的層板式噴注器布局緊湊，結構簡單，燃料噴嘴密度高，有利于提高燃燒效率，燃料和氧化劑流通通道容積小，有利于提高發動機響應特性。
文檔編號F02K9/52GK102400815SQ20111006635
公開日2012年4月4日 申請日期2011年3月18日 優先權日2011年3月18日
發明者俞南嘉, 李家文, 蔡國飆 申請人:北京航空航天大學