一种镁凝胶二氧化碳发动机转让专利
申请号 : CN202110008417.2
文献号 : CN112796907B
文献日 : 2021-12-14
发明人 : 马虎 , 应卓君 , 李龙飞 , 王丹
申请人 : 南京理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种镁凝胶二氧化碳发动机,包括从上向下依次同轴连接的喷注器(1)、燃烧室(3)、连接外套(4);其特征在于,所述喷注器(1)上端同轴的固连有内针栓(1‑1),内针栓(1‑1)位于喷注器(1)上端的空腔内,与喷注器(1)之间形成环形的预混通道(1‑7‑1),预混通道(1‑
7‑1)用于混合形成初始泡状流;所述内针栓(1‑1)底部沿径向均布有多个与预混通道(1‑7‑
1)连通的针栓孔(1‑1‑1),以流通辅助雾化气体;所述内针栓(1‑1)顶部设有辅助雾化气接头(1‑4),用于接通辅助雾化气;所述喷注器(1)径向连接有液体推进剂接头(1‑5),液体推进剂接头(1‑5)与预混通道(1‑7‑1)连通;
所述预混通道(1‑7‑1)下端设有圆环结构,圆环结构内腔内设有依次固连的中心体(1‑
7‑4)和旋流器(1‑2);所述中心体(1‑7‑4)与圆环结构之间设有与预混通道(1‑7‑1)连通的环形槽(1‑7‑2);旋流器(1‑2)与圆环结构之间设有与环形槽(1‑7‑2)连通的整流腔(1‑7‑
3);所述旋流器(1‑2)下端中心设有旋流室(1‑2‑2),旋流室(1‑2‑2)正对喷嘴盘(1‑3)的中心通孔(1‑3‑2),中心通孔(1‑3‑2)用于流通镁凝胶气泡悬浮液;所述喷注器1底座沿径向均布多对气体推进剂接头(1‑6);所述气体推进剂接头(1‑6)与圆环结构外部的环形空腔(1‑
7‑6)连通,用于接通二氧化碳;
所述喷嘴盘(1‑3)固定在喷注器(1)底座下端;所述喷嘴盘(1‑3)以中心通孔(1‑3‑2)为中心沿周向均布有多个切向的气体通孔(1‑3‑3),所述气体通孔(1‑3‑3)与环形空腔(1‑7‑
6)连通;所述中心通孔(1‑3‑2)连通燃烧室(3);所述连接外套(4)内同轴的设有喷管(5)。
2.根据权利要求1所述的镁凝胶二氧化碳发动机,其特征在于,所述针栓孔(1‑1‑1)的数量为x个,4≤x≤12。
3.根据权利要求1所述的镁凝胶二氧化碳发动机,其特征在于,所述喷管(5)为锥形喷管。
4.根据权利要求3所述的镁凝胶二氧化碳发动机,其特征在于,所述喷管5入口(5‑1)半锥角为20°‑45°,出口5‑3半锥角为10°‑15°。
5.根据权利要求1所述的镁凝胶二氧化碳发动机,其特征在于,燃烧室3的侧壁设有测压螺纹孔(3‑1)。
6.根据权利要求1所述的镁凝胶二氧化碳发动机,其特征在于,所述气体推进剂接头(1‑6)为两对共四个。
7.根据权利要求1所述的镁凝胶二氧化碳发动机,其特征在于,所述气体通孔(1‑3‑3)的切向角度α和个数m满足:‑45°≤α≤45°,10≤m≤30。
8.根据权利要求1所述的镁凝胶二氧化碳发动机,其特征在于,所述燃烧室(3)底部设有圆形凸环,所述连接外套(4)上端设有环槽;所述燃烧室(3)底部圆形凸环与连接外套(4)的环槽定位。
9.根据权利要求1所述的镁凝胶二氧化碳发动机,其特征在于,所述液体推进剂接头(1‑5)和辅助雾化气接头(1‑4)均为DN6焊接直通,气体推进剂接头(1‑6)为DN10焊接直通。
说明书 :
一种镁凝胶二氧化碳发动机
技术领域
背景技术
以期实现未来火星探测的采样返回和载人登火的目标。
的火星探测器发动机大多采用自燃推进剂组合,需在出发时携带所有氧化剂和燃料,没有
充分利用火星资源。在火星大气中二氧化碳的占比最高,达95%,由于大气稀薄,并且昼夜
温差大,环境条件恶劣,对推进系统提出了严峻挑战;此外,火星还拥有较大的重力,在探测
器减速或上升的过程中,需携带大量推进剂供给推进系统,对于花费了巨大成本的远距行
星飞船来说,降低了飞船的有效载荷,因而迫切需要开发可以利用火星大气资源的新型发
动机。
料,以悬浮物的形式大量弥散在有机溶剂中,形成一种新型的镁凝胶推进剂,与纯金属粉末
推进剂相比,其又具有某些液体推进剂的特性,比如更易实现推力调整,燃料输送更为稳
定,能保证多次启动等,应用前景较好。含镁颗粒凝胶推进剂利用火星大气中的二氧化碳作
为氧化剂,为飞行器提供动力,实现原位资源利用(ISRU),提升飞行器的有效载荷。由于含
金属颗粒的凝胶推进剂的粘度极大,体现出非牛顿流体性质,采用传统喷嘴对其进行雾化,
会面临雾化细度不足、喷嘴堵塞、颗粒沉降等问题。
发明内容
相燃烧的充分性和流动的均匀性。
间形成环形的预混通道,预混通道用于混合形成初始泡状流;所述内针栓底部沿径向均布
有多个与预混通道连通的针栓孔,以流通辅助雾化气体;所述内针栓顶部设有辅助雾化气
接头用于接通辅助雾化气;所述喷注器径向连接有液体推进剂接头,液体推进剂接头与预
混通道连通;
有与环形槽连通的整流腔;所述旋流器下端中心设有旋流室,旋流室正对喷嘴盘的中心通
孔,中心通孔用于流通镁凝胶气泡悬浮液;所述喷注器底座沿径向均布多对气体推进剂接
头;所述气体推进剂接头与圆环结构外部的环形空腔连通,用于接通二氧化碳;
外套内同轴的设有喷管。
破碎,另一方面也阻止了高温燃气与壁面相接触,起到涡流冷却的效果;采用内外混旋流气
泡雾化的方式增强对含金属悬浮物凝胶推进剂的雾化效果,并采用可替换的燃烧室和耐热
锥形喷管,保证两相燃烧的充分性和流动的均匀性。
于其他较低粘度推进剂如煤油等的雾化和掺混。
附图说明
具体实施方式
性差异较大的常温推进剂喷注和燃烧,并可满足较长的工作时间。下面根据图1‑13详细描
述本发明实施例的一种镁凝胶二氧化碳发动机。
用DN6焊接直通;液体推进剂接头1‑5安装在喷注器1小直径圆柱侧壁处,数量为1,采用DN6
焊接直通;喷注器1底座1‑7沿径向均布多对气体推进剂接头1‑6,采用DN10焊接直通;所述
气体推进剂接头1‑6与底座1‑7圆环结构外部的环形空腔1‑7‑6连通,用于接通二氧化碳;燃
烧室3通过法兰同轴固定在喷注器1下方;喷管5同轴置于连接外套4内,并由连接外套4的法
兰端与燃烧室3同轴相连。
内设置螺钉与旋流器1‑2螺纹孔相固连;喷注器1底部沿周向开有均布的法兰孔1‑3‑1,喷嘴
盘1‑3以螺纹连接的方式与喷注器1相固连。内针栓1‑1、喷嘴盘1‑3与喷注器1之间设有密封
环2密封。
碳,且10≤m≤30,‑45°≤α≤45°。喷嘴盘1‑3以螺纹连接的方式沿周向开有均布的法兰孔1‑
3‑1与喷注器1相固连。
后初始泡状流通过底座1‑7中心体1‑7‑4周围的环形槽1‑7‑2进入底座1‑7下方整流腔1‑7‑
3,然后由旋流器1‑2的切向孔1‑2‑1进入旋流室1‑2‑2,最后通过喷嘴盘1‑3中心通孔1‑3‑2
喷入燃烧室3;气态氧化剂由气体推进剂接头1‑6进入喷注器底座1‑7,经喷注器底座1‑7下
方环形腔1‑7‑6后由喷嘴盘1‑3的喷孔1‑3‑3进入燃烧室3。
在中心构成一个较大的低速回流区以稳定火焰;气体经喷孔1‑3‑3沿圆周切向喷出后会在
燃烧室3内形成高速旋转涡流,在与旋流锥形液膜的高速剪切的作用下加速其破碎雾化,并
且沿燃烧室3内侧壁螺旋向下流动,以涡流冷却的方式降低燃烧室3内侧壁温度,中心通孔
1‑3‑2直径 气体喷孔1‑3‑3直径 可根据使用工况和实验结果调整液孔直
径,气孔直径、个数和角度优化流场结构。
环槽轴向定位,且凸环与环槽之间设有密封环6密封。
型是为满足两相流喷管的设计要求。喉部5‑2处直径为3‑30mm,可满足100‑1000N级发动机
的实验要求。
燃烧室,经高能火花塞点火燃烧后形成的两相流燃气从喷管喷出。凝胶气泡破碎及相间的
高速旋流可有效实现镁凝胶与二氧化碳的掺混燃烧;燃烧室整体采用热沉材料,且从喷嘴
盘喷出的高速旋转涡流能阻止高温燃气与壁面接触,能有效改善燃烧室侧壁面的温度上
升。本发明采用的推进剂种类属新型推进剂,与一般的液体、固体(粉末)推进剂不同,是一
种在有机溶剂碳酸二甲酯(DMC)中加入镁颗粒形成的镁凝胶悬浮液,粘度和张力极大,因而
也需采用新的喷注方式,如本发明所采用的是内外混旋流气泡雾化来保证其雾化和掺混。
此外,燃烧室头部(喷嘴盘)气体喷口喷出的高速涡流一方面进一步加速镁凝胶在喷嘴外的
破碎,另一方面也阻止了高温燃气与壁面相接触,起到涡流冷却的效果。