[发明专利]一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机

说明书

本发明公开了一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机，由缸体、活塞、推力室、单向阀座和螺塞组成。单向阀座端头与控制阀连接，缸体、单向阀座和推力室螺纹连接，活塞在缸体内往复移动；活塞与缸体之间形成一个环腔和圆柱腔，环腔通过泄出口与外界相通作为低压腔，圆柱腔为高压腔。活塞中芯腔装有催化剂，活塞端头设置多排喷注孔。将气动柱塞泵与推力室结合成一体，通过推进剂催化分解产生气体驱动柱塞泵，利用活塞不平衡面积产生的压力差形成正反馈增压效应，利用不平衡面积形成压力差的气动柱塞泵形成自增压脉冲工作方式，大幅提高发动机推力室室压和降低推进剂贮箱供应压力，从而有效地提高发动机性能、降低结构重量。

技术领域

本发明涉及火箭发动机设计技术领域，具体地说，涉及一种用于卫星、运载火箭上面级或空间飞行器的姿态控制用单组元发动机。

背景技术

卫星、运载火箭上面级或空间飞行器大都需要设置姿态控制发动机以保持和控制飞行姿态，采用可催化分解产生燃气的单组元作为推进剂的姿态控制发动机因其系统相对简单，且具有高于冷气推进的性能，在国际上已得到广泛的应用，如美国的半人马座D H2O2辅助推进系统、同步通信卫星SyncomⅡ、SyncomⅢ和“晨鸟”飞行器的姿轨控系统等。这些单组元催化分解姿控发动机均采用挤压供应方式，需配备高压气源、减压阀或压调器等以维持较高的推进剂贮箱供应压力，系统相对较为复杂，且由于贮箱压力越高则需要的气源容积越大，系统结构重量越大，这些姿控发动机的室压一般都相对较低，只有1～2Mpa，发动机性能偏低。

为取消挤压式推进系统的气瓶，美国Lawrence Livemore国家实验室2002年提出了一种带柱塞泵的过氧化氢气体发生器循环(AIAA2002-3702)，其基本原理是利用柱塞泵后部分推进剂催化分解产生气体一方面驱动柱塞泵，另一方面引入贮箱给贮箱增压。柱塞泵增压后供应一个或多个带催化剂床的推力室。柱塞泵的增压压力则通过一个可调节气体流量的调节器来控制。驱动柱塞泵的气体最终排出到外界。这种单组元推进系统方案可避免高压气瓶的使用，实现推进系统的轻量化，但存在不足之处在于两方面问题：其一是由于驱动柱塞泵的气体直接排出到外界，存在一定的能量损失，且系统压力越高，能量损失越大；其二是需要设置工作于高温高压气体介质的流量调节器，实现高可靠性和安全性难度较大，这是制约该推进系统所能达到压力水平的一个主要因素，公布的试验最高压力不超过5Mpa。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种气动柱塞自增压单组元脉冲工作姿控发动机，该姿控发动机将气动柱塞泵与推力室有机地结合成一个整体，通过推进剂催化分解产生气体驱动柱塞泵，利用活塞不平衡面积产生的压力差形成正反馈增压效应；通过利用不平衡面积形成压力差的气动柱塞泵形成自增压脉冲工作方式，大幅提高发动机推力室室压和降低推进剂贮箱供应压力，从而有效地提高发动机性能、降低结构重量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括缸体、活塞、推力室、单向阀座、钢珠、弹簧和螺塞，其特征在于单向阀座端头连接控制阀，缸体、单向阀座和推力室通过螺纹连接，活塞可在缸体内往复移动；活塞与缸体之间形成一个大径为D、小径为d的环腔和一个直径为d的圆柱腔，环腔通过泄出口通外界，为低压腔，直径为d的圆柱腔为高压腔；活塞中芯腔装催化剂，由带小孔的螺塞封住，活塞端头设置有多排喷注孔；燃烧室达到稳定状态的压力由下式确定:

式中，ξ为从圆柱腔到燃烧室的等效流阻系数，p_o为圆柱腔压力，p_e为外界环境压力，A_t为推力室喉部面积，p_c为燃烧室压力，q_m为进入燃烧室的推进剂流量，RT_c、Γ为燃烧室内燃气的热力参数；根据上式可推出:

当真空环境条件下则