一种针栓喷注器与周向分布式多点电火花点火器一体化装置

本发明涉及液体火箭发动机推进系统，具体涉及一种针栓喷注器与周向分布式多点电火花点火器一体化装置，适用于需要由外源电火花能量建立初始火核的双组元推进剂发动机。

背景技术：

1、针栓喷注器具有调节范围较宽、结构紧凑以及能够通过针栓几何控制喷雾形态等特点，其通常利用位于中心的针栓构件与位于外侧的环形壳体构成两路推进剂通道，其中一路推进剂经环形狭缝形成轴向流膜，另一路推进剂由针栓内部通道经周向喷孔向外喷出。两路推进剂在针栓端部附近相交、破碎、雾化并进一步混合。

2、双组元推进剂的电火花点火并非仅由电极间能够发生击穿所决定。电弧需要出现在两路推进剂已经形成适宜局部组成并能够建立火核的区域。如果放电位置过于靠近第一推进剂的连续液膜或射流核心，电极表面可能受到液体润湿，放电通道也可能因液滴撞击和强制对流而淬熄；如果放电位置位于第二推进剂射流核心或远离两路推进剂的交汇区域，则局部氧化剂与燃料比例可能不利于火核形成。因而，点火电极的位置需要与喷注器产生的局部混合层建立明确的几何对应关系。

3、现有技术采用独立安装的火花塞或火炬点火器，点火器通常需要穿过燃烧室壁并在喷注器下游占据一定空间。该类布置容易造成点火位置偏离针栓周向混合环，且单个点火源形成的火核需要沿较长周向距离传播后才能覆盖整个喷注区域。对于直径较小而周向连续的针栓混合层，在多个周向位置形成火核有利于缩短火焰周向合并距离，但多个放电点也会增加馈电、绝缘、密封以及热端防护的复杂度。与此同时，针栓喷注器端部空间同时受到环形液膜、径向或斜向射流以及下游回流燃气的共同占用，可供点火器布置的空间有限。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是在针栓喷注器端部空间受限、两路推进剂流动方向相互交叉且存在燃烧热环境的条件下，提供一种针栓喷注器与周向分布式多点电火花点火器一体化装置，将多个点火单元直接围绕针栓端部设置，使多个固定放电位置与针栓喷注器形成的周向混合区域保持确定的几何对应关系。

2、技术方案：本发明的一种针栓喷注器与周向分布式多点电火花点火器一体化装置，包括外环形壳体、与外环形壳体同轴配合的针栓本体以及针栓本体上沿周向均匀布置的若干点火单元；外环形壳体与针栓本体之间形成有第一推进剂环形流道，第一推进剂环形流道的下游端形成有环绕针栓本体的环形喷注狭缝，环形喷注狭缝能够使第一推进剂沿轴向下游方向形成环形流膜；针栓本体上设置有连通第一推进剂环形流道的第一推进剂入口；针栓本体内设置有第二推进剂中心流道，第二推进剂中心流道的下游端由与针栓本体连续成形的整体封底封闭；针栓本体的承压壁上沿周向均匀设置有若干连通第二推进剂中心流道的第二推进剂斜喷孔，以使喷出的第二推进剂射流与所述环形流膜相交并在针栓本体的下游外周形成周向分布的推进剂混合区域；第一推进剂和第二推进剂分别为氧化剂和燃料，构成需要由外源点火能量建立初始火核的推进剂组合；

3、各点火单元分别对应所述推进剂混合区域的不同周向混合扇区；点火单元包括高压导体、灌封绝缘层、无机绝缘馈通、高压针直杆、楔形热端、本体接地锥和接地热端；高压导体设置在针栓本体承压壁中沿轴向延伸的埋线通道内；灌封绝缘层用于隔开高压导体与埋线通道内壁；无机绝缘馈通由针栓本体承压壁内延伸至所述推进剂混合区域的上游侧；高压针直杆在无机绝缘馈通内沿单一斜直轴线延伸并与高压导体的热端导电连接；楔形热端设置于高压针直杆的下游端并沿与高压针直杆的轴线垂直的方向朝向接地热端伸出；本体接地锥设置在针栓本体底部，并沿单一直线朝向楔形热端收敛；接地热端设置于本体接地锥的末端；楔形热端与对应的接地热端之间形成开放放电气隙，开放放电气隙的放电路径横穿所述推进剂混合区域；各高压导体分别连接相互独立的高压输出通道；针栓本体构成各点火单元共用的接地回路。

4、进一步地，点火单元与第二推进剂斜喷孔周向错开。

5、进一步地，灌封绝缘层由经脱气处理的绝缘灌封材料通过真空辅助灌注形成，灌封绝缘层在点火单元的热端上游终止；无机绝缘馈通覆盖位于灌封绝缘层下游的高压针直杆，使有机灌封材料不直接暴露于环形喷注狭缝、第二推进剂斜喷孔的出口及所述推进剂混合区域。

6、进一步地，无机绝缘馈通采用具有贯通内孔的直圆柱形管，所述直圆柱形管的下游端保持开口；直圆柱形管朝向接地热端的一侧设有与所述贯通内孔连通的侧向开口，楔形热端经所述侧向开口伸出。

7、进一步地，高压针直杆下游端朝向接地热端的一侧设有横向插孔；楔形热端包括插入所述横向插孔内的插入柄以及从高压针直杆侧部伸出的楔形短边；所述楔形短边的末段按照设定角度收敛至放电刃口，所述放电刃口具有端部圆角。

8、进一步地，高压针直杆的冷端设置有轴向插孔，高压导体插入所述轴向插孔。

9、进一步地，接地热端包括插入本体接地锥的热端安装部的同轴插孔内的插入柄和露出所述热端安装部的圆锥形端部，所述圆锥形端部具有顶端圆角；接地热端与本体接地锥构成可拆换的插接结构。

10、理想锐尖虽然能够增强局部电场，但尖端半径过小会使电弧根部集中并加快热端退蚀；大面积钝电极又会提高击穿电压并增加对喷雾的遮挡。点火电极需要在电场集中、机械强度、耐烧蚀性和流动干扰之间取得平衡，并使可承受电弧根作用的耐高温材料覆盖实际热端区域。本发明楔形热端和圆锥接地热端均具有受控的尖端圆角，既能够利用电场集中作用降低规定间隙相对于邻近钝表面的击穿倾向，又避免采用理论零半径锐尖所导致的局部热流和退蚀过度集中。

11、进一步地，本体接地锥由针栓本体的金属实体连续伸出形成。

12、接地针载体由针栓本体连续伸出并与针栓本体构成同一金属实体，可避免独立接地针载体松动或接触电阻增大，并无需设置遮挡下游喷雾的附加接地支架。

13、进一步地，所述高压输出通道具有独立储能和独立开关器件；各高压输出通道根据点火控制策略分别触发或在同一点火窗口内按预定顺序触发。

14、进一步地，高压导体采用ni200材料，针栓本体和高压针直杆采用gh4169高温合金或具有相近低温强度、高温强度和加工性能的高温合金，无机绝缘馈通采用纯度不低于99.5%的氧化铝陶瓷，楔形热端和接地热端采用铱或铱基耐烧蚀导电材料。

15、点火热端采用可拆换的耐烧蚀嵌件，在不更换整个针栓本体的情况下即可对受到电弧根作用的热端进行检查和更换，有利于试验阶段的维护和参数迭代。

16、进一步地，以第二推进剂斜喷孔的孔轴与针栓本体外圆面的交点为混合参考位置，以局部径向向外方向和轴向下游方向的几何合成方向为混合层中线方向，开放放电气隙的中心位于混合参考位置沿混合层中线方向的下游侧，开放放电气隙的方向与混合层中线方向垂直或近似垂直。

17、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

18、（1）本发明将多个点火单元与针栓喷注器进行一体化设计，使规定放电位置与由该针栓喷注器形成的周向混合区域保持确定的几何对应关系。相较于独立点火器布置方案，本发明实现了结构简化及燃烧室空间节约。周向多点火器布置保证了点火的速度和均匀性。

19、（2）如多个放电间隙简单并联在同一高压导体上时，各间隙的实际击穿电压会受到电极尖端半径、间隙误差、局部压力、介质组分、液滴润湿以及表面状态的影响。起始击穿电压较低的间隙可能首先释放储能，使其他间隙得不到足够的击穿电压。因此，仅通过设置多个几何间隙并不能当然地获得多个有效放电点。本发明多个点火单元由相互独立的高压导体供电，能够降低多个气隙简单并联时因其中一个气隙优先击穿而使其他气隙得不到有效放电能量的风险。

20、（3）如将高压导线沿针栓外表面布置，可能占用第一推进剂环形狭缝和第二推进剂喷孔附近的流动空间，并使导线绝缘层直接暴露于低温推进剂、燃烧热流和电弧跟踪环境。若高压导线穿过独立密封件后再引至热端，还会增加零件数量和泄漏界面。本发明将高压导体设置在针栓承压壁内，热端采用无机绝缘馈通，有利于减少外露导线对第一推进剂环形流膜和第二推进剂斜射流的遮挡，并使有机灌封材料与推进剂出口及燃烧热区保持距离。

21、（4）点火电极的形状同样影响装置的可制造性和工作稳定性。由多段圆柱或多次折弯构成的高压针会形成较多连接界面，容易出现同轴度偏差、端面接触不连续和悬臂刚度不足。独立安装的接地针如果仅通过小尺寸盲孔或下游环形支架固定，还可能因热循环、振动或局部烧蚀产生松动，且附加支架会遮挡喷雾。本发明中高压针由冷端连接位置至热端采用单一斜直杆，仅在末端通过90°楔形热端改变放电方向，能够减少折点、端面对接和长悬臂结构，有利于提高电极定位的一致性。