本发明公开了一种多次起动推力室头部结构及推力室，多次起动推力室头部结构中，在承力锥保持锥形向上收缩构型前提下，通过对二孔座的紧凑化设计，采用非接触电子束焊或激光焊代替对二孔座的传统氩弧焊或法兰连接，使得液氧顶盖、承力锥和加强肋能够实现一体化设计，本发明在一体式顶盖内部设置了一体式加强结构单元，利用多个加强肋对一体式顶盖的各部分形成了有效加强，同时满足减重的需求。与传统分体式焊接结构相比，本发明有效减少了焊缝数量和焊接热输入，减少了焊接检测后的焊接工序，同时减小了对喷注器变形的影响，本发明适用于氢氧火箭发动机，特别适用于，有2次以上起动要求的氢氧火箭发动机及其他液体火箭发动机。
1.一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，包括一体式顶盖(1)，喷注器组件，氢集合器(5)和二孔座(2)；
一体式顶盖(1)包括一体成型的承力锥，氧腔顶盖和一体式加强结构单元；承力锥顶端设有用于与发动机机架连接的法兰，法兰上设有作为焊接窗口的工艺孔，承力锥为中空结构，承力锥底端与氧腔顶盖连接，氧腔顶盖设有凸台，一体式顶盖(1)内部设有一体式加强结构单元；
一体式顶盖(1)和喷注器组件焊接后，氢集合器(5)焊接于一体式顶盖(1)和喷注器组件外部；
二孔座(2)包括一体成型的安装底座和位于安装底座上方的主体部分，安装底座直径φA大于主体部分直径φB，且小于法兰所设工艺孔直径φC，电子束或激光束由工艺孔入射，避开主体部分到达安装底座与氧腔顶盖所设凸台的连接部位，实现二孔座(2)与一体式顶盖(1)的电子束或激光焊接，组成完整的推力室头部结构。
2.根据权利要求1所述的一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，安装底座直径φA与主体部分直径φB的差值大于电子束焊或激光焊的焊缝宽度，工艺孔直径φC与安装底座直径φA的差值大于电子束焊或激光焊的焊缝宽度。
3.根据权利要求1所述的一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，所述一体式加强结构单元包括设于承力锥内壁的锥面加强肋(14)，设于氧腔顶盖上表面的顶盖外表面加强肋(16)，以及连接锥面加强肋(14)和顶盖外表面加强肋(16)的竖直筋(15)；所述顶盖外表面加强肋(16)包括径向加强肋和周向弧形加强肋。
4.根据权利要求3所述的一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，所述竖直筋(15)一端与锥面加强肋(14)连接的位置位于锥面加强肋(14)长度的 处，竖直筋(15)另一端与顶盖外表面加强肋(16)中的径向加强肋一端连接，径向加强肋的另一端延伸至氧腔顶盖所设凸台。
5.根据权利要求3或4所述的一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，所述各顶盖外表面加强肋(16)中的周向加强筋厚度相等；各锥面加强肋(14)厚度相等。
6.根据权利要求3或4所述的一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，所述一体式顶盖(1)的承力锥侧壁设有氧进口和位于氧进口两侧的2个操作窗(13)，所述2个操作窗(13)用于实现火药点火器(12)在二孔座(2)上的的安装与更换，所述顶盖外表面加强肋(16)中的周向弧形加强肋一端与径向加强肋连接，另一端延伸至操作窗(13)。
7.根据权利要求6所述的一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，所述顶盖外表面加强肋(16)中，位于操作窗(13)两侧的径向加强筋的夹角β比操作窗(13)所占弧度所对应的圆心角大2～5°；
8.根据权利要求6所述的一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，所述顶盖外表面加强肋(16)中，周向弧形加强肋的肋高从与径向加强肋连接的一端到延伸至操作窗(13)的一端逐渐减小，其占据的圆心角小于位于操作窗(13)两侧的径向加强筋的夹角β的一半。
9.根据权利要求6所述的一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，所述顶盖外表面加强肋(16)中，位于氧进口两侧的径向加强筋的厚度大于其余径向加强筋的厚度；所述径向加强肋延伸至氧腔顶盖所设凸台一端的高度与凸台外檐圆角上端平齐。
10.根据权利要求1所述的一种多次起动推力室头部结构，其特征在于，所述一体式加强结构单元为4组，俯视视角下每两组相邻的加强结构单元均为对称分布。
11.一种多次起动推力室，其特征在于，包含权利要求1‑10任一项所述的一种多次起动推力室头部结构。
一种多次起动推力室头部结构及推力室
技术领域
[0001] 本发明属于液体火箭发动机技术领域，特别涉及一种多次起动推力室头部结构及推力室。
背景技术
[0002] 氢氧火箭发动机以液氢、液氧作为推进剂，具有高比冲、无污染等优点，是当今世界上面级发动机、深空探测器等采用的主流推进技术之一。工作时，燃料氢和氧化剂液氧分别经氢头腔和氧头腔分配至喷嘴，氢、氧在喷嘴出口区域混合后燃烧将化学能转化为热能和压力势能，进而将燃烧产物经过喉部和喷管挤压排出产生推力。
[0003] 氢氧火箭发动机头部多配备上百、甚至几百个喷嘴，由于头部组件中的众多喷嘴钎焊缝等焊缝担负着阻隔氢氧提前见面的功能，需要在喷注器进行详尽的焊缝等检测，以确保氢氧不发生串腔爆炸、喷嘴环缝满足设计要求不发生局部烧蚀。现役发动机通常需要将火药喷管、喷嘴、一底和二底组装钎焊形成喷注器组件，再进行后续焊接加工形成头部。发动机头部结构较为复杂，这一拆分步骤导致喷注器钎焊检测后仍有较多的焊接工序会导致喷注器产生变形，带来喷嘴环缝等设计指标保证的困难。
[0004] 上面级氢氧火箭发动机通常要求具有多次点火起动功能，目前常见的方案是采用2个火药点火器安装于设有2个安装口的二孔座来实现多次起动。考虑空间布局的紧凑性，需利用头部氧顶盖和承力锥之间的内部狭小空间来安装火药点火器。又因二孔座的体积相对单次点火转接座更大，传统上面级氢氧火箭发动机需将承力锥和液氧顶盖分体设计，以便于二孔座与液氧顶盖进行焊接或法兰对接面的焊后加工。另外，传统承力锥为了保证可焊性，多设计外置分体焊接肋。这又进一步引入了焊接工序导致喷注器进一步变形，对喷注器产品质量产生不利的影响。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种多次起动推力室头部结构及推力室，多次起动推力室头部结构中，在承力锥保持锥形向上收缩构型前提下，通过对二孔座的紧凑化设计，采用非接触电子束焊或激光焊代替对二孔座的传统氩弧焊或法兰连接，使得液氧顶盖、承力锥和加强肋能够实现一体化设计，本发明在一体式顶盖内部设置了一体式加强结构单元，利用多个加强肋对一体式顶盖的各部分形成了有效加强，同时满足减重的需求。与传统分体式焊接结构相比，本发明有效减少了焊缝数量和焊接热输入，减少了焊接检测后的焊接工序，同时减小了对喷注器变形的影响，本发明适用于氢氧火箭发动机，特别适用于，有2次以上起动要求的氢氧火箭发动机及其他液体火箭发动机。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 本发明一种多次起动推力室头部结构，包括一体式顶盖，喷注器组件，氢集合器和二孔座；
[0008] 一体式顶盖包括一体成型的承力锥，氧腔顶盖和一体式加强结构单元；承力锥顶端设有用于与发动机机架连接的法兰，法兰上设有作为焊接窗口的工艺孔，承力锥为中空结构，承力锥底端与氧腔顶盖连接，氧腔顶盖设有凸台，一体式顶盖内部设有一体式加强结构单元；
[0009] 一体式顶盖和喷注器组件焊接后，氢集合器焊接于一体式顶盖和喷注器组件外部；
[0010] 二孔座包括一体成型的安装底座和位于安装底座上方的主体部分，安装底座直径φA大于主体部分直径φB，且小于法兰所设工艺孔直径φC，电子束或激光束由工艺孔入射，避开主体部分到达安装底座与氧腔顶盖所设凸台的连接部位，实现二孔座与一体式顶盖的电子束或激光焊接，组成完整的推力室头部结构。
[0011] 进一步的，安装底座直径φA与主体部分直径φB的差值大于电子束焊或激光焊的焊缝宽度，工艺孔直径φC与安装底座直径φA的差值大于电子束焊或激光焊的焊缝宽度。
[0012] 进一步的，一体式加强结构单元包括设于承力锥内壁的锥面加强肋，设于氧腔顶盖上表面的顶盖外表面加强肋，以及连接锥面加强肋和顶盖外表面加强肋的竖直筋；所述顶盖外表面加强肋包括径向加强肋和周向弧形加强肋。
[0013] 进一步的，所述竖直筋一端与锥面加强肋连接的位置位于锥面加强肋长度的处，竖直筋另一端与顶盖外表面加强肋中的径向加强肋一端连接，径向加强肋的另一端延伸至氧腔顶盖所设凸台。
[0014] 进一步的，所述各顶盖外表面加强肋中的周向弧形加强筋厚度相等；各锥面加强肋厚度相等。
[0015] 进一步的，所述一体式顶盖的承力锥侧壁设有氧进口和位于氧进口两侧的2个操作窗，所述2个操作窗用于实现火药点火器在二孔座上的的安装与更换，所述顶盖外表面加强肋中的周向弧形加强肋一端与径向加强肋连接，另一端延伸至操作。
[0016] 进一步的，所述顶盖外表面加强肋中，位于操作窗两侧的径向加强筋的夹角β比操作窗所占弧度所对应的圆心角大2～5°；
[0017] 进一步的，所述顶盖外表面加强肋中周向弧形加强肋自与径向加强肋连接的一端至延伸至操作窗的一端的肋高逐渐减小，其占据的圆心角小于位于操作窗两侧的径向加强筋的夹角β的一半。
[0018] 进一步的，所述顶盖外表面加强肋中，位于氧进口两侧的径向加强筋的厚度大于其余径向加强筋的厚度；所述径向加强肋延伸至氧腔顶盖所设凸台一端的高度与凸台外檐圆角上端平齐。
[0019] 进一步的，所述一体式加强结构单元为4组，俯视视角下每两组相邻的加强结构单元均为对称分布。
[0020] 一种多次起动推力室，包含上述一种多次起动推力室头部结构和推力室尾部结构。
[0021] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0022] (1)本发明一种多次起动推力室头部结构，针对传统结构焊接工序多、热输入大的问题，对二孔座进行了紧凑化设计，使非接触电子束焊或激光焊能够代替传统氩弧焊或法兰连接实现二孔座在氧腔顶盖上的安装，解决氧腔顶盖、承力锥和加强肋必须分体设计的问题，使氧腔顶盖、承力锥和加强肋能够一体加工成型，有效提高了加工精度和工艺灵活性，降低了生产成本；
[0023] (2)本发明一种多次起动推力室头部结构中，一体式顶盖内设有一体式加强结构单元，与传统外置加强肋相比结构更紧凑，可避免传统外置焊接肋必须在推力室头身对接后进行焊接的麻烦；
[0024] (3)本发明一种多次起动推力室头部结构中，对一体式加强结构单元的具体结构和尺寸进行了设计，使一体式加强结构单元同时满足减重及强度的需求；
[0025] (4)本发明一种多次起动推力室头部结构，可减少喷注器焊接检测后的头部焊接工序和热输入，减小头部产品设计指标的保证难度，提高发动机的工作可靠性。
附图说明
[0026] 图1为本发明一种多次起动推力室头部结构示意图，其中(a)为整体示意图，(b)为一体式顶盖及二孔座示意图；图中，1为一体式顶盖，2为二孔座，3为火药喷管，4为二底，5为氢集合器，6为一底；7为氢腔；8为喷嘴；9为氢喷嘴环缝；10为燃烧室；11为氧腔；12为火药点火器，13为操作窗；
[0027] 图2为本发明一体式顶盖结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为图(a)A‑A方向的剖视图；图中4为锥面加强肋，15为竖直筋，16为顶盖外表面加强肋。
具体实施方式
[0028] 下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0029] 在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0030] 本发明的目的在于提供一种多次起动推力室头部结构，可用于氢氧火箭发动机头部，解决传统结构喷注器焊接检测后的焊接工序多、变形影响大的问题。本发明一种多次起动推力室头部结构，在承力锥保持锥形向上收缩构型前提下，通过对二孔座2的紧凑化设计，同时采用非接触电子束焊或激光焊代替二孔座2的传统氩弧焊(或法兰连接)，使得液氧顶盖、承力锥和加强肋能够实现一体化设计。如图1(a)，新设计的一体式顶盖1是传统的氧腔顶盖、承力锥、加强肋和氧进口等的集合体。发动机生产过程中，首先将火药喷管3、二底4、喷嘴8和一底6装配、焊接组成喷注器组件。然后进行钎焊缝质量检测，以确保氢腔7内介质不会通过二底4与喷嘴8之间的钎焊缝泄漏，进而产生氢氧串腔风险。氢喷嘴环缝9检测合格后，将一体式顶盖1与喷注器组件组装并通过内外两道焊缝焊接成一体，以形成封闭的氧腔11。氧腔11的内外两道焊缝检测合格后，先后焊接氢集合器5和二孔座2形成推力室头部。
发动机工作时，推力室安装两个火药点火器12以实现2次起动，氧通过氧腔11分配至若干个喷嘴8进入燃烧室10与通过氢腔7和氢喷嘴环缝9供应的氢混合，进而稳定燃烧产生推力。
[0031] 本发明二孔座2为三通转接头，经过紧凑化设计，确保一体式顶盖1所设工艺孔直径φC>安装底座直径φA>主体部分直径φB，且φA与φB及φC的差值略大于电子束焊或激光焊焊缝的宽度，使得最后进行紧凑空间内二孔座2非接触式电子束焊或激光焊接成为可能。
[0032] 如图1(b)，一体式顶盖1是液氧顶盖、承力锥和加强肋的集合体，整体呈中空的锥形结构。一体式顶盖1顶端设有法兰和工艺孔，法兰用于推力室与发动机机架连接；工艺孔的内径为φC，工艺孔一方面可以减重，更主要是为电子束焊或激光焊提供焊接窗口。一体式顶盖1的氧进口两侧设有操作窗13用于火药点火器12的安装与更换等。一体式顶盖1中承力锥的锥面内壁设有内置锥面加强肋14，与传统外置加强肋相比结构更紧凑，可避免传统外置焊接肋必须在推力室头身对接后进行焊接的麻烦。
[0033] 如图2(a)，氧腔11外表面，即氧腔顶盖上表面设有顶盖外表面加强肋16，顶盖外表面加强肋16包括径向加强肋和沿周向延伸至操作窗13的周向弧形加强肋。
[0034] 锥面加强肋14、顶盖外表面加强肋16和竖直筋15组成一体式加强结构单元，如图2，竖直筋15位于R1和R2之间、周向弧度γ范围内，一体式加强结构单元由氧腔顶盖外表面贯通延伸至承力锥内表面。
[0035] 各一体式加强结构单元种顶盖外表面加强肋16的轴向加强肋为等厚设计，其厚度为δ3，向操作窗13延伸的弧度所对应的圆心角为α。为减重周向弧形加强肋设计为非等高结构，从弧度γ范围外开始其高度由h1逐渐减小为h2。
[0036] 如图2(b)，一体式加强结构单元的径向中截面呈长筒靴造型，长筒靴的脚尖部分(即顶盖外表面加强肋16中径向加强肋一端)延伸至氧腔顶盖中心的圆形凸台，其高度与凸台外檐圆角R3上端平齐，即h3＝R3。
[0037] 如图2(a)，一体式加强结构单元共4组，俯视视角看呈上下左右对称布局，顶盖外表面加强肋16中的径向加强肋在操作窗13侧的夹角为β，具体取值比操作窗所占弧度所对应圆心角大2～5°。为控制顶盖外表面加强肋16重量，使α<β/2。为弥补氧进口侧锥面缺口的结构减弱效果，靠近氧进口侧的2组径向加强肋的厚度δ2大于另一侧的径向加强肋的厚度δ1。
[0038] 一体式顶盖1可采用3D打印、铸造等工艺进行一体加工成型，再进行头部后续焊接等，具有零件数量少、焊接变形影响小等优势。
[0039] 本发明一种多次起动推力室头部结构可减少喷注器焊接检测后的头部焊接工序和热输入，减小头部产品设计指标的保证难度，提高发动机的工作可靠性。本发明可用于有2次以上起动要求的氢氧火箭发动机推力室头部，还可以推广应用到其他有2次以上起动要求的液体火箭发动机。
[0040] 以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0041] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
