一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置

1.本发明属于粉末火箭发动机燃烧室分级燃烧技术领域，具体涉及一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置。


背景技术：

2.粉末火箭发动机是一种新型火箭发动机，其推进剂采用易于收集、储存和运输的金属粉末颗粒和氧化性气体，具有响应快、安全性好、抗过载和环境适应能力强等优点，可实现推力精确调节和多脉冲工作。为了提高粉末火箭发动机的燃烧效率和燃烧稳定性，粉末火箭发动机燃烧室普遍采用分级燃烧技术(其中最为常见的是在传统一次进气结构发动机基础上增设了二次进气结构)和激光等离子体点火助燃技术。分级供气可有效延长粉末颗粒在燃烧室内滞留时间、增强燃烧室内的湍流强度，从而提高粉末火箭发动机的燃烧效率；激光等离子体点火助燃能够实现点火能量和时序精准可调、提高燃烧效率和稳定性；研究发现分级供气喷注方式、喷注速度、预燃段、补燃段的长径比和激光等离子体的参数等因素都会影响粉末发动机的燃烧特性。
3.由于目前对粉末火箭发动机的燃烧机理研究还不够成熟，研究方式以全尺寸发动机试车实验为主，实验成本高且周期长，不利于对粉末发动机的燃烧机理进行深入研究，以提高粉末发动机的燃烧效率和稳定性。
4.另外，现有的粉末火箭发动机试验装置多为有长度限制的传统一体化构型，对实验变量的控制有限，尤其是长径比和分级供气位置档位调整受限，需要根据实验需求进行定制采购，且不能重复利用，应用范围小，灵活性较差，导致实验成本高，试验周期长。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题:为解决现有粉末火箭发动机试验装置实用性低的问题，本发明提供一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，实现对粉末火箭发动机燃烧室中的推进剂燃烧特性进行多次研究，提高了推进剂燃烧效率、燃烧稳定性，降低了试验成本，缩短了试验周期，试验的灵活性得到提高。
6.本发明的技术方案是:一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，包括喷注组件、长度可调式燃烧室、紧固组件和喷管组件；所述长度可调式燃烧室为套筒结构，包括第一燃烧室3、第二燃烧室4和第三燃烧室5，三段燃烧室依次采用插接方式配合；第一燃烧室3侧壁开设径向孔，与激光等离子点火器连接，第二燃烧室4侧壁上且靠近一端处均布多个二次进气孔11；
7.所述喷注组件包括顶盖1、喷注盘2和二次进气装置，喷注盘2同轴安装在顶盖内，顶盖1与第一燃烧室3固定连接，顶盖侧壁上径向设置多个一次进气孔10，与氧化气体输送系统连接，顶盖内壁与喷注盘2中部外壁之间形成腔体，喷注盘大端上布设多个通孔，与所述腔体、一次进气孔10和第一燃烧室3腔室连通，形成氧化气体进入通道；喷注盘2上沿轴线开设中心通孔，中心通孔一端与硫化粉末输送系统连接，另一端与第一燃烧室3腔室连通；
多个二次进气装置16安装在所述二次进气孔11位置处，二次进气装置上进气通道与二次进气孔11贯通；
8.所述喷管组件包括喷管6和喉衬7；喷管6一端与第三燃烧室5固定连接，另一端固定在试车平台上；喉衬7安装于喷管6喉部，防止喷管喉部被高温燃气烧蚀；
9.所述第二燃烧室4两端分别通过紧固组件与顶盖1和喷管6连接。
10.进一步的，所述二次进气孔11为锥形孔，所述二次进气装置16一端为与二次进气孔11相匹配的锥形结构，另一端为板状结构，用于将二次进气装置固定在第二燃烧室4侧壁上，板状结构上设有柱状凸块，沿凸块中心线开设进气通道。
11.进一步的，所述喷注盘2为三阶状回转体结构，小径段外壁上设有凸块，嵌入在顶盖1小径孔内壁开设的卡槽中，喷注盘小径段伸出部固定连接在试车平台上；喷注盘2中心通孔且与第一燃烧室3腔室连通的一端为锥形，使得硫化粉末以锥形扩散方式喷入第一燃烧室内。
12.进一步的，所述紧固组件为长螺栓螺母组件，第二燃烧室4两端法兰盘分别通过多个螺栓螺母组件与顶盖1和第三燃烧室5的法兰盘连接。
13.进一步的，还包括卡环8，卡环安装在第一燃烧室3和第三燃烧室5外壁上且分别与第二燃烧室两端接触，用于紧固第二燃烧室4，防止试验过程中第二燃烧室轴向窜动；所述卡环8由两个台阶状半环铰接而成，两个半环两端设置带有通孔的耳片，通过螺栓将卡环与第一燃烧室或第三燃烧室固定；卡环内台阶面上设有环形凹槽，用于安装o型密封圈进行气封。
14.进一步的，所述长度可调式燃烧室和喷管内壁贴附有绝热层，防止高温燃气温度过高导致燃烧室或喷管壳体失强。
15.发明效果
16.本发明将粉末火箭发动机燃烧室进行模块化设计，实现了各零部件的重复使用，提高了试验灵活性，缩短了试验周期；当试验装置出现损坏时，仅需更换损坏零部件以降低试验成本。
17.相对于现有技术，本发明具体有益效果如下：
18.(1)本发明中燃烧室采用三段式结构，三段燃烧室通过套装方式配合，通过调节三段燃烧室之间的配合长度，实现燃烧室预燃段和补燃段长径可调，且操作简单。
19.(2)本发明中通过在第二燃烧室外壁且靠近一端处安装二次进气装置，通过反转第二燃烧室安装方向实现二次进气安装位置的调节，增大了燃烧室预燃段与补燃段长径比范围，并且可以根据更换不同的二次进气装置以调节二次进气角度和流量，提高了试验的灵活性。
20.(3)本发明中燃烧室、喷管前部以及喉衬内部套有绝热层或耐烧蚀部件，用于隔离高温燃气以减少对外部壳体的传热作用，多次实验时只需更换绝热层或耐烧蚀部件，实现了燃烧室壳体和喷管壳体的重复使用。
21.(4)本发明中各部件通过螺栓组件连接固定，并辅以o型圈进行封密，操作简单、拆卸组装快速。
22.(5)本发明在第一燃烧室外壁设置激光等离子点火器接口，不仅可以实现点火功能，而且具有实现助燃功能，有效提高了发动机推进剂的燃烧效率和稳定性。
附图说明
23.图1是本发明的整体装配图；
24.图2是图1的左视结构图；
25.图3是图2的a-a向剖视图；
26.图4是图1中喷注盘结构三视图；
27.图5是图3的b处局部放大图；
28.图6是图1中二次进气装置的半剖图。
29.图中：1-顶盖，2-喷注盘，3-第一燃烧室，4-第二燃烧室，5-第三燃烧室，6-喷管，7-喉衬，8-卡环，9-流化粉末喷注孔，10-一次进气孔，11-二次进气孔，12-激光等离子体点火器接口，13-o型密封圈，14-绝热层，15-喷管绝热层，16-二次进气装置。
具体实施方式
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非明确具体的限定。
32.参照图1-图6；本实施例提出一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，为了实现粉末火箭发动机试验灵活性、提高试验效率，该发动机试验装置包括喷注组件、可调式燃烧室、喷管组件和紧固组件，可调式燃烧两端分别与喷注组件和喷管组件通过紧固组件连接，内部腔体连通；
33.可调式燃烧室包括第一燃烧室、第二燃烧室和第三燃烧室，三段燃烧室依次插接配合第一燃烧室侧壁设有径向孔，与激光等离子体点火器连接，第二燃烧室侧壁且靠近一端处径向开设多个二次进气孔11；
34.所述喷注组件包括顶盖1、喷注盘2和二次进气装置，喷注盘2同轴安装于顶盖内，顶盖侧壁上径向设置多个一次进气孔10，与外部氧化气体输送系统连接，顶盖内壁与喷注盘2中部外壁之间形成间隙，喷注盘大端上轴向开设多个通孔，通孔两端与所述间隙和第一燃烧室腔体连通，形成氧化气体进入通道；喷注盘2端面沿轴线开设中心通孔，中心通孔一端与硫化粉末输送系统连接，另一端与第一燃烧室3腔体连通；二次进气装置安装在二次进气孔位置处。试验时，通过调节三段燃烧室之间的配合长度，或通过反转第二燃烧室安装方向调节二次进气装置位置，实现燃烧室预燃段与助燃段长径比可调，提高了粉末火箭发动机试验的灵活性。
35.本实施例以预燃段长径比为控制变量的mg/co2火箭发动机试验为例，其中mg为金属粉末颗粒，co2为氧化气体，镁粉与二氧化碳燃烧反应产生组分为氧化镁、凝相碳、co的两相燃烧产物，并释放出大量的热。根据实验设计压强及成本，顶盖1、喷注盘2、燃烧室壳体、
卡环8和喷管6壳体均采用345钢材料加工而成。
36.参照图1；该燃烧室试验装置包括顶盖1、喷注盘2、第一燃烧室3、第二燃烧室4、第三燃烧室5、喷管6、喉衬7、卡环8、长螺栓组件和二次进气装置16。第一燃烧室3、第二燃烧室4和第三燃烧室5为套筒结构，三段燃烧室依次套接配合，实现燃烧室长度可调；喷注盘2同轴安装在顶盖内，顶盖1与第一燃烧室3固定连接，喷注盘端面与第一燃烧室端部密封配合；喷管6与第三燃烧室5固定连接；第二燃烧室4两端分别通过长螺栓组件与顶盖和第三燃烧室5可拆卸连接；喉衬7安装在喷管喉部避免高温燃气与喷管造成损坏；燃烧室内壁及喷管内壁还贴附有绝热层，避免高温燃气传热给燃烧室或喷管壳体造成壳体失强；第一燃烧室3和第三燃烧室5外壁上且位于第二燃烧室端部处，还安装有卡环8，用于将第二燃烧室两端固定，防止轴向移动。
37.参照图2和图3；所述顶盖1为回转体状，端面设有法兰盘，法兰盘上周向开设多个安装孔，用于通过长螺栓组件将顶盖与第一燃烧室法兰盘固定连接；顶盖中部沿轴线开设多阶孔，小径孔段与喷注盘2小径段外壁上配合，且内壁上开设有与喷注盘2小径段外壁上凸块配合的卡槽；顶盖外壁上周向设置多个柱状凸台，本实施例中均布设置4个，柱状凸台上沿轴线开设通孔，作为一次进气孔10，与二氧化碳输送系统连接，顶盖内壁与喷注盘2外壁形成腔室，一次进气孔10与所述腔室连通。顶盖内腔台阶面上还设置环形凹槽，用于安装o型密封圈13。
38.参照图4；所述喷注盘2整体为三阶状，小径段外壁上设有凸块，嵌入在顶盖1小径孔中卡槽中，喷注盘小段伸出部通过套接方式固定连接在试车平台上，喷注盘2中部沿轴线开设通孔，作为硫化粉末喷注孔9，硫化粉末喷注孔9一端与硫化镁粉末输送系统连接，另一端与第一燃烧室3内腔连通。喷注盘中部外壁与顶盖1大段内壁形成腔室，喷注盘大端上轴向设置多个通孔，与第一燃烧室贯通，顶盖侧壁上开设的多个一次进气孔10与所述腔室和所述通孔连通，形成二氧化碳进入通道。所述喷注盘中部台阶面和大端两侧端面上均开设环形凹槽，用于安装o型密封圈。
39.参照图3；第一燃烧室3、第二燃烧室4和第三燃烧室5为套筒结构，第二燃烧室两端分别与第一燃烧室3和第五燃烧室5插接方式紧密配合，可根据试验长径比设计要求，调整三段燃烧室之间的配合长度。三段燃烧室内壁贴附有绝热层14，优选为高硅氧绝热层，隔离高温燃气对燃烧室壳体的传热作用，保证不因温度过高而导致壳体失强。第二燃烧室两端均设有法兰盘，第一燃烧室和第三燃烧室一端设有法兰盘，第二燃烧室4两端法兰盘分别与顶盖1和喷管6上的法兰盘通过多个长螺栓螺母组件进行紧固连接。燃烧室端面上设有环形凹槽，用于安装o型密封圈13，确保燃烧室处于密封状态。第一燃烧室3外壁设有柱状凸台，沿柱状凸台轴线开设通孔，作为激光等离子体点火器接口12，接入激光等离子点火器。
40.参照图3、图5和图6；第二燃烧室4外壁且靠近一端位置处周向均布多个通孔，为二次进气孔12，二次进气孔12上安装有二次进气装置16，本实施例中二次进气孔12为锥形孔，二次进气装置上设有与二次进气孔配合的锥形结构，二次进气装置上进气孔与二次进气孔12连通，并接入二氧化碳供气系统。二次进气之前为燃烧室预燃段，二次进气之后为燃烧室助燃段，由于二次进气孔位置靠近第二燃烧室一端，因此试验时通过反转安装第二燃烧室4，即可实现二次进气位置调整，使得燃烧室预燃段与助燃段长径比得到调整。另外，可根据试验要求调整二次进气装置16上进气孔的设置角度或孔径通过更换二次进气装置调
整二次进气角度和流量，提高燃烧效率，增强试验灵活性。
41.在第一燃烧室3和第三燃烧室5外壁上且靠近第二燃烧室端面处还套有卡环8，用于紧固第二燃烧室4，防止试验过程中第二燃烧室轴向窜动。所述卡环8由两个台阶状半环铰接而成，半环端两端设有台通孔的耳片，通过螺栓将燃烧室外壁紧固，卡环内台阶面上设有环状凹槽，凹槽内放置有o型密封圈13进行气封。
42.所述喷管6两端为漏斗状，喷管一端设置有耳片，通过螺栓与第三燃烧室5法兰盘固定连接；喷管中部内壁嵌有喉衬7，喉衬7采用碳复合材料或难熔金属；喷管另一端通过套接方式固定于试车平台上，确保发动机试车时不产生强烈的振动。喷管6内壁附有喷管绝热层15，用于隔离高温燃气以减少对喷管壳体的传热作用，多次实验后只需更换绝热层或喉衬，实现了喷管的重复使用，节约了成本。
43.本实施例的工作过程为：二氧化碳旋流气体通过顶盖1上的一次进气孔10进入顶盖内壁与喷注盘2外壁形成的腔室内，再通过喷注盘大端轴向开设的8个通孔进入燃烧室内；流化镁粉末通过喷注盘2上的硫化镁粉末喷注孔9以锥形扩散方式喷射进入第一燃烧室的预燃段，与二氧化碳气体充分混合，在激光等离子点火器的高温辐射和助燃下发生剧烈燃烧反应，产生高温高压两相燃气；再进入二次进气后的补燃段，燃气进一步充分反应，最后通过喷管6膨胀做功排出，产生反向推力。
44.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，其特征在于，包括喷注组件、长度可调式燃烧室、紧固组件和喷管组件；所述长度可调式燃烧室为套筒结构，包括第一燃烧室(3)、第二燃烧室(4)和第三燃烧室5，三段燃烧室依次采用插接方式密封配合；第一燃烧室(3)侧壁开设径向孔，与激光等离子点火器连接，第二燃烧室4侧壁上且靠近一端处均布多个二次进气孔11；所述喷注组件包括顶盖(1)、喷注盘(2)和二次进气装置(16)，喷注盘(2)同轴安装在顶盖内，顶盖1与第一燃烧室(3)固定连接，顶盖侧壁上径向设置多个一次进气孔(10)，与氧化气体输送系统连接，顶盖内壁与喷注盘(2)中部外壁之间形成腔体，喷注盘大端上布设多个通孔，与所述腔体、一次进气孔(10)和第一燃烧室(3)腔室连通，形成氧化气体进入通道；喷注盘(2)上沿轴线开设中心通孔，中心通孔一端与硫化粉末输送系统连接，另一端与第一燃烧室(3)腔室连通；多个二次进气装置(16)安装在所述二次进气孔(11)位置处，二次进气装置上进气通道与二次进气孔(11)贯通；所述喷管组件包括喷管(6)和喉衬(7)；喷管(6)一端与第三燃烧室(5)固定连接，另一端固定在试车平台上；喉衬(7)安装于喷管(6)喉部，防止喷管喉部被高温燃气烧蚀；所述第二燃烧室(4)两端分别通过紧固组件与顶盖(1)和喷管(6)连接。2.如权利要求1所述的一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，其特征在于，所述二次进气孔(11)为锥形孔，所述二次进气装置(16)一端为与二次进气孔11相匹配的锥形结构，另一端为板状结构，用于将二次进气装置固定在第二燃烧室4侧壁上，板状结构上设有柱状凸块，沿凸块中心线开设进气通道。3.如权利要求1所述的一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，其特征在于，所述喷注盘(2)为三阶状回转体结构，小径段外壁上设有凸块，嵌入在顶盖(1)小径孔内壁开设的卡槽中，喷注盘小径段伸出部固定连接在试车平台上；喷注盘(2)中心通孔且与第一燃烧室(3)腔室连通的一端为锥形，使得硫化粉末以锥形扩散方式喷入第一燃烧室内。4.如权利要求1所述的一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，其特征在于，所述紧固组件为长螺栓螺母组件，第二燃烧室(4)两端法兰盘分别通过多个螺栓螺母组件与顶盖1和第三燃烧室(5)的法兰盘连接。5.如权利要求1所述的一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，其特征在于，还包括卡环(8)，卡环安装在第一燃烧室(3)和第三燃烧室(5)外壁上且分别与第二燃烧室(4)两端接触，用于紧固第二燃烧室，防止试验过程中第二燃烧室轴向窜动；所述卡环(8)由两个台阶状半环铰接而成，两个半环两端设置带有通孔的耳片，通过螺栓将卡环与第一燃烧室或第三燃烧室固定；卡环内台阶面上设有环形凹槽，用于安装o型密封圈进行气封。6.如权利要求1所述的一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，其特征在于，所述长度可调式燃烧室和喷管(6)内壁贴附有绝热层，防止高温燃气温度过高导致燃烧室或喷管壳体失强。

技术总结
本发明提出一种基于分级供气和激光助燃的粉末发动机燃烧室试验装置，包括喷注组件、长度可调式燃烧室、紧固组件和喷管组件；长度可调式燃烧室由三段筒状燃烧室采用插接方式连接而成。喷注组件的顶盖内嵌有喷注盘，顶盖侧壁径向设置多个一次进气孔，与氧化气体输送系统连接，顶盖内壁与喷注盘外壁之间形成腔体，与喷注盘大端布设的多个通孔及燃烧室腔室连通；喷注盘上开设中心通孔，两端分别与硫化粉末输送系统和第一燃烧室腔室连通。第一燃烧室侧壁开设激光等离子点火器接口，第二燃烧室侧壁均布多个二次进气孔，燃烧室两端分别与喷注组件和喷管组件固定连接。本发明采用模块化设计实现了燃烧室长径比可调，提高了试验灵活性，缩短了试验周期。缩短了试验周期。缩短了试验周期。


技术研发人员：刘殊远 程群力 王佩佩 韩陆洋 刘林林 胡松启
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/6/3