一种基于电点火和预燃室引燃的绿色液体发动机点火方法与流程

1.本发明涉及应用新型绿色无毒液体推进剂的空间发动机的冷启动技术领域，尤其涉及一种基于电点火和预燃室引燃相耦合的绿色液体发动机点火方法。


背景技术：

2.绿色无毒液体推进剂指以相对于传统肼类推进剂而言，具有安全无毒、密度比冲高等优点的新型推进剂，其中硝酸羟胺(han)和二硝酰胺铵(adn)是目前最有发展前景的新型绿色无毒液体推进剂。
3.目前应用新型绿色无毒液体推进剂的空间发动机的点火方法基本采用催化点火的方式，但是在发动机启动前需要对催化床进行长时间的保温预热，这不仅无法实现发动机的冷启动，而且预热过程耗能巨大。传统催化点火还存在高温失活的缺点，即在推进剂被点燃后释放大量热量使发动机内部达到极高的温度，催化床在高温影响下催化性能急剧下降甚至出现失活的状况，催化剂高温失活的缺点大大缩短了空间发动机的寿命。电点火技术是新兴的绿色无毒液体推进剂点火技术，但是由于电点火技术发展不成熟，点火能量较低，很难实现大流量推进剂的点火工作，这导致电点火技术很难在大推力发动机上实现应用。
4.目前，传统的单组元推进剂主要是无水肼，但是无水肼具有毒性大、储存和操作成本高的缺点，因此国内外积极发展新型绿色无毒液体推进剂。现有技术中的一种传统空间发动机的结构示意图如图1所示，主要包括三个部分：催化床、燃烧室和喷管，其中催化床包括前床和后床两部分。在发动机工作过程中，推进剂经喷嘴喷入发动机中，在已预热的催化床的催化作用下，迅速发生催化分解反应，并释放化学能产生高温高压气体，最后充分反应后由喷管膨胀喷出从而产生推力。
5.预燃室是大型闭式火箭发动机的主要部件之一，常用于产生燃气工质以驱动涡轮或增压贮箱，或用于分级燃烧循环发动机以提高效率。现有技术中的一种氢氧火箭预燃室的结构示意图如图2所示，氢氧火箭的预燃室主要由供应系统、喷注器及燃烧室组成。氢、氧两路推进剂供应系统具有相同的结构。喷注器采用同轴直流式喷嘴，内孔喷氧，环缝喷氢。燃烧室为圆柱形，出口接燃气通道和声速喷嘴。在发动机工作过程中，预燃室中的燃料点火燃烧后，压力迅速上升，促使燃烧产物和部分未燃燃料进入主燃烧室，从而引燃主燃烧室中的燃料。
6.目前，现有技术中的单组元空间推进器到的点火方法的缺点包括：通过催化点火的方式进行点火启动，但是催化点火存在催化床高温失活、点火前催化床需保温预热耗能大等问题，从而限制了空间发动机性能的提升。目前电点火技术发展处于开始阶段，电点火本身点火能量小的缺陷导致电点火技术无法为大流量大推力的推进系统提供有效的点火保障。另外，目前现有的预燃室基本采用双组元燃料混合掺混后发生化学反应实现着火燃烧的设计，这种设计需要额外布置供推进剂连接管路和气瓶，冗杂的结构，增加了预燃室的设计难度和发动机整机的重量。


技术实现要素：

7.本发明的实施例提供了一种基于电点火和预燃室引燃的绿色液体发动机点火方法，利用电点火技术和预燃室引燃技术相耦合实现了空间发动机中大流量绿色无毒推进剂的引燃，以有效地实现大推力发动机的点火工作。
8.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
9.一种基于电点火和预燃室引燃的绿色液体发动机点火方法，将预燃室布置在发动机的主燃烧室前端的两侧，预燃室通过连接管路与主燃烧室连接，所述方法包括：
10.预燃室的推进剂供给系统运行，小流量的绿色无毒液体推进剂经雾化喷嘴被注入到预燃室中，所述小流量的推进剂通过电点火技术被点燃，产生高温引燃火焰；
11.所述高温引燃火焰通过连接管路喷入主燃烧室中，主燃烧室的推进剂供给系统运行，大流量的绿色无毒液体推进剂经雾化喷嘴喷入主燃烧室中，所述大流量的推进剂被所述高温引燃火焰引燃，产生的高温高压气体通过主燃烧室上的喷管喷出，从而产生推力。
12.优选地，在所述连接管路上设置有电磁阀控制连接管路的单向开关，在所述预燃室中的推进剂通过电点火技术被点燃产生高温引燃火焰后，电磁阀控制所述单向开关开启。
13.优选地，所述预燃室中电点火方法包括电阻点火、电弧点火、电解点火和电热点火。
14.优选地，所述方法包括：小流量的绿色无毒离子推进剂经雾化喷嘴喷入预燃室的内部，被雾化的推进剂流经电点火区域与电极接触，通电后在电流热效应和电解效应的作用下被加热电解，蒸发分解的产物之间发生化学反应并释放热量，推进剂被点燃，产生高温火焰引燃，高温火焰引燃通过预燃室出口连接管路进入预燃室和主燃烧室的连接管路，再通过连接管路进入到主燃烧室中。
15.优选地，所述电极采用柱状电极针或网状电极等结构，电极的数量根据发动机实际设计情况改变。
16.由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例方法采用预燃室引燃和电点火相结合的方式，通过预燃室中电点火方法预先点燃的小流量绿色无毒液体推进剂产生的高温燃气，进一步引燃主燃烧室中大流量的新型绿色无毒液体推进剂，以小引大，实现了大推力绿色无毒空间发动机的点火工作，具有快响应、全天候启动的优点。
17.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为现有技术中的一种传统空间发动机的结构示意图；
20.图2为现有技术中的一种氢氧火箭预燃室的结构示意图；
21.图3为本发明实施例提供的一种基于电点火和预燃室引燃的绿色液体发动机点火
方法的实现原理图；
22.图4为本发明实施例提供的一种预燃室中电点火结构示意图。
23.图中包括：推进剂1、高温引燃火焰2、预燃室3、主燃烧室4、喷管5、主燃烧室出口连接管路6、连接管路7、雾化喷嘴8、电极9、电点火区域10和预燃室出口连接管路11。
具体实施方式
24.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
25.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
26.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
27.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
28.本发明主要利用基于电点火和预燃室引燃相耦合的方式来解决使用绿色无毒液体推进剂的空间发动机使用过程中无法实现冷启动、催化剂高温失活和单独电点火方法无法实现大流量推进剂点燃的问题。本发明先在预燃室中采用新型电点火的方法实现小流量绿色无毒液体推进剂的着火，再通过预燃室中推进剂着火产生的高温火焰引燃主燃烧室中的推进剂喷雾。
29.本发明实施例提供的一种基于电点火和预燃室引燃的发动机绿色无毒液体推进剂方法的实现原理图如图3所示。本发明实施例的发动机主要包括：预燃室3和主燃烧室4两部分，预燃室3的作用是为主燃烧室4的点火工作提供引燃火焰。
30.预燃室3布置在发动机的主燃烧室4前端的两侧，通过连接管路7与主燃烧室4连接，连接管路7上设置有电磁阀控制连接管路的单向开关。在发动机工作过程中，预燃室3的推进剂供给系统首先运行，小流量的推进剂1经雾化喷嘴被注入到预燃室3中，推进剂通过电点火技术被点燃，产生高温引燃火焰2，电磁阀控制单向开关开启，高温引燃火焰2通过预燃室3和主燃烧室4的连接管路7喷入主燃烧室4中。主燃烧室4的推进剂供给系统运行，大流量的推进剂1经雾化喷嘴喷入主燃烧室4中，然后被预燃室3中喷出的高温火焰引燃2，实现了大流量推进剂的点燃工作。主燃烧室4中的大量的推进剂1被引燃后，产生的高温高压气体通过喷管5上的主燃烧室出口连接管路6喷出，从而产生推力。
31.图4为本发明实施例提供的一种预燃室3中电点火结构示意图。预燃室3中电点火
方法有多种，包括电阻点火、电弧点火、电解点火和电热点火等。本方案实施过程中，预燃方式采用新型电点火方式，电点火方式可以依据发动机实际工作情况采用电阻点火、电弧点火、电解点火和电热点火等方式，小流量的绿色无毒离子推进剂1经雾化喷嘴8喷入预燃室3的内部，被雾化的推进剂流经电点火区域10与电极9接触，通电后在电流热效应和电解效应的作用下被加热电解，蒸发分解的产物之间迅速发生化学反应并释放大量热量，推进剂的温度迅速升高后被点燃。被点燃的推进剂1产生大量高温燃气，此高温燃气作为主燃烧室4的推进剂的高温火焰引燃2，高温火焰引燃2通过预燃室出口连接管路11进入预燃室3和主燃烧室4的连接管路7，再通过连接管路7进入到主燃烧室4中。其中电极9可以采用柱状电极针或网状电极等结构，电极的数量可以根据发动机实际设计情况灵活改变。电点火技术和预燃室引燃技术相耦合实现了空间发动机中大流量绿色无毒推进剂的引燃和点火。
32.综上所述，本发明实施例方法采用预燃室引燃和电点火相结合的方式，通过预燃室中电点火方法预先点燃的小流量绿色无毒液体推进剂产生的高温燃气，进一步引燃主燃烧室中大流量的新型绿色无毒液体推进剂，以小引大，实现了大推力绿色无毒空间发动机的点火工作，具有快响应、全天候启动的优点。从而解决使用预热催化剂催化点火方法无法实现发动机冷启动以及发动机运行中催化剂高温失活的问题，并且利用预燃室火焰引燃主燃烧室大流量推进剂喷雾的方案，实现了大推力发动机的点火工作，从而进一步提高空间发动机的性能。
33.本发明中整机点火装置采用新型电点火方式，不再采用传统的催化床催化燃烧的方式，不仅避免了催化剂高温失活的问题，而且能实现大流量推进剂的点火工作。另外，利用此发明中新型电点火方式的点火速度响应快的特点，显著的降低了发动机的启动时间，而且避免了采用催化点火方式需对推进剂保温的问题，实现了空间发动机的冷启动，并显著降低了能耗。
34.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
35.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
36.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。