阅读说明：本技术 一种用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室 (Ceramic thrust chamber for monopropellant hydroxyl nitrate amino thruster ) 是由 陈君 张涛 刘瀛龙 汪旭东 汪凤山 陈阳 杨蕊 白松 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室,包括：放置台阶、催化前床、催化中床、催化后床、双圆弧喷管、前床挡板、中床挡板和后床挡板；其中,所述放置台阶的左端面与外部的密封垫片相连接,所述放置台阶的右端面与外部的喷注器进行活连接；所述催化前床的右端面与所述前床挡板的下端面相连接；所述催化中床的右端面与所述中床挡板的下端面相连接；所述催化后床的右端面与所述后床挡板的下端面相连接。本发明解决了硝酸羟胺基推力器对于一体化耐高温抗氧化轻质推力室的需求。(The invention discloses a ceramic thrust chamber for a monopropellant hydroxyl nitrate amino thruster, which comprises: placing steps, a catalytic front bed, a catalytic middle bed, a catalytic rear bed, a double-arc spray pipe, a front bed baffle, a middle bed baffle and a rear bed baffle; the left end face of the placing step is connected with an external sealing gasket, and the right end face of the placing step is movably connected with an external injector; the right end surface of the catalytic forebed is connected with the lower end surface of the forebed baffle; the right end face of the catalytic middle bed is connected with the lower end face of the middle bed baffle; the right end surface of the catalytic rear bed is connected with the lower end surface of the rear bed baffle. The invention solves the requirement of the hydroxylamine nitrate based thruster on an integrated high-temperature-resistant oxidation-resistant light thrust chamber.)

一种用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室

技术领域

本发明属于液体火箭发动机的单组元催化分解推力器领域，尤其涉及一种用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室。

背景技术

对于硝酸羟胺(HAN)推进系统设计，发动机绝热燃烧温度过高是需要重点解决的关键问题之一，同时，HAN燃烧的很大一部分产物具有强氧化性，给燃烧室的材料也带来了很大危害，一些诸如高温合金等材料，又在高温下缺少足够的强度。目前，单组元肼发动机普遍采用镍基高温合金作为喷管材料。镍基高温合金的耐温能力有限，一般长期可靠工作限定发动机的最高燃烧温度，镍基高温合金长期工作的温度通常不超过1100℃，极限为1200℃。因为喷管材料的耐温限制，使得HAN推进剂的高性能不能得到充分发挥。SiBCN系非晶陶瓷材料在满足轻质耐高温抗氧化的前提下，当燃烧温度达到1200℃以上后，其组织及力学性能、抗氧化性能和热物理性能等的变化都会对发动机长时间连续稳定工作起着重要的影响。

同时，对于HAN基推力器在常温启动条件下，催化床的结构对于推进剂催化分解的初期和中后期的要求不同，催化床的结构设计将直接影响发动机的启动和稳定工作过程。传统的催化床结构已经不再适用，需要重新以高可靠性、低成本和轻量化的理念，设计具有长寿命模块化的催化床结构，使得发动机、推进剂和催化剂之间具有高匹配性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室，解决了液体火箭发动机对于高可靠性轻质低成发动机的设计需要。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室，包括：放置台阶、催化前床、催化中床、催化后床、双圆弧喷管、前床挡板、中床挡板和后床挡板；其中，所述放置台阶的左端面与外部的密封垫片相连接，所述放置台阶的右端面与外部的喷注器进行活连接；所述催化前床的右端面与所述前床挡板的下端面相连接；所述催化中床的右端面与所述中床挡板的下端面相连接；所述催化后床的右端面与所述后床挡板的下端面相连接。

上述用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室中，所述催化前床的直径为D，所述催化中床的直径为D,所述催化后床的直径为D，其中，D、D和D的关系满足公式：D₂₁-D₃₁≥3mm，D₃₁-D₄₁≥3mm。

上述用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室中，所述催化前床的外端直径为D，所述催化前床的壁厚为D₂₂，所述催化中床的壁厚为D₃₂,所述催化后床的壁厚为D₄₂，其中，D₂₂、D₃₂和D₄₂的关系满足公式：D₂₁+D₂₂＝D₃₁+D₃₂＝D₄₁+D₄₂＝D。

上述用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室中，所述催化前床的长度为L₂₃，所述催化中床的长度为L₃₃,所述催化后床的壁厚为L₄₃，其中，L₂₃、L₃₃和L₄₃的关系满足公式：L₂₃-L₃₃≥30mm，L₃₃-L₄₃≥10mm。

上述用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室中，所述放置台阶的直径为D₁₁，D₁₁、D₂₁和D的关系满足公式：D₁₁-D≥6mm，D-D₂₁≥4mm。

上述用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室中，所述双圆弧喷管的喉径为D₅₂，所述双圆弧喷管的出口直径为D₅₃，其中，D₅₂和D₅₃的关系满足公式：D₅₃/D₅₂＝10。

上述用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室中，所述前床挡板的直径为D₅₁，在其中心开有若干个直径为D₅₂的第一圆柱孔，相邻两个第一圆柱孔之间间距为1mm，所述前床挡的厚度为1mm。

上述用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室中，所述中床挡板的直径为D₆₁，在其中心开有直径为D₅₂的第二圆柱孔，相邻两个第二圆柱孔之间间距为1mm，所述中床挡板的厚度为1.5mm。

上述用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室中，所述后床挡板的直径为D₇₁，在其中心开有直径为D₅₂的第三圆柱孔，相邻两个第三圆柱孔之间间距为1mm，所述后床挡板的厚度为2mm。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过建立催化前床、催化中床和催化后床的结构，可用于不同量级HAN基发动机用陶瓷推力室设计，有效解决了HAN基发动机在催化分解和燃烧过中氧化性产物和高温环境对于发动机机身材料的选择问题，实现了满足HAN发动机推力室在低温下重复点火、高温下的耐氧化性等苛刻需求；

(2)本发明通过将建立陶瓷推力室的结构，有效解决了HAN基发动机推力室传统用金属材料如铂铑合金、铼铱合金等，存在密度大且成本较高的劣势，采用具有组织稳定性、抗高温蠕变和抗氧化的SiBCN陶瓷材料制造的陶瓷推力室实现了HAN基推进剂在陶瓷推力室内催化分解和稳定燃烧，而且价格相对低廉，密度低，并且可实现长期稳定工作。在单组元推力器产品中，具有很好的市场推广性；

(3)本发明通过将将催化前床、催化中床、催化后床和双圆弧喷管通过一体化成型技术实现SiBCN陶瓷推力室结构，突破传统单组元推力器研制过程中喷注器和推力室、催化床和喷管需要电子束焊、扫描CT等工序，同时降低了HAN基发动机推力室，尤其是对于大推力发动机推力室研制过程中，催化床、喷管和喷注器等关键部件之间协同设计的费用，且可满足整机低成本轻质化的需求。可广泛应用于HAN基单组元发动机用星载发动机、运载火箭和战略战术导弹弹头等武器装备动力系统。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室的剖面图；

图2是本发明实施例提供的前床挡板的剖面示意图；

图3是本发明实施例提供的中床挡板的剖面示意图；

图4是本发明实施提供的后床挡板的剖面示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室的剖面图。如图1所示，该用于单组元硝酸羟胺基推力器的陶瓷推力室包括：放置台阶1、催化前床2、催化中床3、催化后床4、双圆弧喷管5、前床挡板6、中床挡板7和后床挡板8。其中，

放置台阶1的左端面11与外部的密封垫片相连接，右端面12与外部的喷注器进行活连接；催化前床2右端面与前床挡板6的下端面61相连接；催化中床3右端面与中床挡板7的下端面71相连接；所述催化后床4右端面与后床挡板8的下端面81相连接。

具体的，所述催化前床一端与上游喷注器通过电子束焊相连，另一端与催化中床一端相连，催化中床一端与催化后床一端相连，催化后床的另一端与双圆弧喷管相连，所述放置台阶一端与石墨密封垫相连，另一端与金属托架相连，两者结合以实现发动机密封的效果，所述催化前床右端面与前床挡板的下端面相连接；所述催化中床右端面与中床挡板的下端面相连接；所述催化后床右端面与后床挡板的下端面相连接。

放置台阶1、催化前床2、催化中床3、催化后床4、前床挡板5、中床挡板6、后床挡板7和双圆弧喷管8的材料均为SiBCN陶瓷材料。好处为：硝酸羟胺基推力器自身催化分解和燃烧过程中具有燃烧温度高且很大一部分产物具有强氧化性的特定，这对于推力室的设计和材料的选取带来了很大的挑战。目前，单组元肼发动机普遍采用镍基高温合金材料耐温能力有限，严重制约了硝酸羟胺基推力器性能的发挥。而选择耐高温-抗氧化的低成本轻量化SiBCN陶瓷材料则具有优异的组织稳定性、抗高温蠕变和抗氧化等性能，而且价格相对低廉，密度低，这完全可以满足硝酸羟胺基推力器的设计需求。

如图1所示，催化前床2的直径为D₂₁，所述催化中床3的直径为D₃₁,所述催化后床4的直径为D₄₁，其中，D₂₁、D₃₁和D₄₁的关系满足公式：D₂₁-D₃₁≥3mm，D₃₁-D₄₁≥3mm。好处为：在常温启动条件下，催化床的结构对于推进剂催化分解的初期和中后期的要求不同，催化床的结构设计和尺寸将直接影响发动机的启动和稳定工作过程。该设计可以满足硝酸羟胺基推进剂实现良好的催化分解效率和燃烧稳定性。

如图1所示，催化前床2的外端直径为D，催化前床2的壁厚为D₂₂，催化中床3的壁厚为D₃₂,催化后床4的壁厚为D₄₂，其中，D₂₂、D₃₂和D₄₂的关系满足公式：D₂₁+D₂₂＝D₃₁+D₃₂＝D₄₁+D₄₂＝D。。随着燃烧反应的逐渐启动，催化中床、催化后床将承受着较高燃烧温度和热量回浸效应的冲击，因此，该设计可以维持燃烧压力波动小且可以满足足够的强度要求。

如图1所示，催化前床2的长度为L₂₃，催化中床3的长度为L₃₃,催化后床4的壁厚为L₄₃，其中，L₂₃、L₃₃和L₄₃的关系满足公式：L₂₃-L₃₃≥30mm，L₃₃-L₄₃≥10mm。在常温启动时，催化前床需要满足硝酸羟胺基推进剂在前床快速分解；而催化中床则需要缓解冲刷力，把火焰维持在催化床前端,降低对催化剂寿命的影响，而催化后床对流阻特性和燃烧反应的稳定起着重要的作用。因此，该设计可以实现催化床不同区域对于催化分解和燃烧反应的需求，有利于实现推力室长寿命模块化的设计需求。

如图1所示，放置台阶1的直径为D₁₁，D₁₁、D₂₁和D的关系满足公式：D₁₁-D≥6mm，D-D₂₁≥4mm。在高温强氧化的催化分解和燃烧反应环境下，大于2mm的壁面后续一方面可以实现有效的换热效果，另一方面可以使得催化前床具有足够的强度。同时，放置台阶的设计有利于实现推力室与上游喷注器之间的可靠连接。

如图1所示，双圆弧喷管5的喉径为D₅₂，所述双圆弧喷管5的出口直径为D₅₃，其中，D₅₂和D₅₃的关系满足公式：D₅₃/D₅₂＝10。当面积比相同时，采用双圆弧喷管相较于锥形喷管及特型喷管的长度较短，可以实现良好的燃气扩张，同时合适的扩张比，可以满足喷管效率增大，比冲损失减小。

如图2所示，前床挡板6的直径为D₅₁，在其中心开有若干个直径为D₅₂的第一圆柱孔，相邻两个第一圆柱孔之间间距为1mm，前床挡板6的厚度为1mm。本实施例将前床挡板安装催化前床和催化中床之间，一方面满足催化剂的装填需求，另一方面可以实现足够的流通通道和足够的强度，以实现流量控制并维持良好的燃烧稳定性，

如图3所示，中床挡板7的直径为D₆₁，在其中心开有直径为D₅₂的第二圆柱孔，相邻两个第二圆柱孔之间间距为1mm，中床挡板7的厚度为1.5mm。本实施例将中床挡板安装催化中床和催化后床之间，可以降低推进剂催化分解和燃烧反应过程中对于催化剂寿命的影响，同时随着燃烧反应的逐渐启动，需要相较于前床挡板，需要增加中床挡板的厚度，以实现水利冲刷和火焰传播过程中中床挡板能够提供足够的强度支撑。

如图4所示，后床挡板8的直径为D₇₁，在其中心开有直径为D₅₂的第三圆柱孔，相邻两个第三圆柱孔之间间距为1mm，后床挡板8的厚度为2mm。本实施例将后床挡板安装催化后床和双圆弧喷管之间，可以实现流动和燃烧的稳定性，同时随着燃烧反应和热回浸效应的共同影响，需要相较于中床挡板，需要增加后床挡板的厚度，以满足后床挡板能够满足在高温条件下具有足够的强度和耐冲刷能力。

本实施例通过建立催化前床、催化中床和催化后床的结构，可用于不同量级HAN基发动机用陶瓷推力室设计，有效解决了HAN基发动机在催化分解和燃烧过中氧化性产物和高温环境对于发动机机身材料的选择问题，实现了满足HAN发动机推力室在低温下重复点火、高温下的耐氧化性等苛刻需求。

本实施例通过将建立陶瓷推力室的结构，有效解决了HAN基发动机推力室传统用金属材料如铂铑合金、铼铱合金等，存在密度大且成本较高的劣势，采用具有组织稳定性、抗高温蠕变和抗氧化的SiBCN陶瓷材料制造的陶瓷推力室实现了HAN基推进剂在陶瓷推力室内催化分解和稳定燃烧，而且价格相对低廉，密度低，并且可实现长期稳定工作。在单组元推力器产品中，具有很好的市场推广性；

本实施例通过将将催化前床、催化中床、催化后床和双圆弧喷管通过一体化成型技术实现SiBCN陶瓷推力室结构，突破传统单组元推力器研制过程中喷注器和推力室、催化床和喷管需要电子束焊、扫描CT等工序，同时降低了HAN基发动机推力室，尤其是对于大推力发动机推力室研制过程中，催化床、喷管和喷注器等关键部件之间协同设计的费用，且可满足整机低成本轻质化的需求。可广泛应用于HAN基单组元发动机用星载发动机、运载火箭和战略战术导弹弹头等武器装备动力系统。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。