一种无毒单组元发动机反应室及装配方法与流程

1.本发明涉及一种发动机反应室及装配方法，属于液体火箭发动机的技术领域。

背景技术：

2.二硝酰胺铵、硝酸羟胺无毒单组元发动机具有高能无毒的优点，对于具有直角转弯结构的无毒发动机，催化剂一般放置于前反应室内，空间的局限性导致催化剂装填量受限。另外，无毒推进剂经过前反应室反应后，气液固三相之间相互耦合，推进剂在后反应室直角转弯后，由于流动行程的不同，在靠近喷管出口侧的气态推进剂流动行程较短，就经过喷管喷出，这就导致了与远离喷管出口侧的气态推进剂燃烧反应速率不匹配，推力无法维持稳定。

技术实现要素：

3.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种无毒单组元发动机反应室及装配方法，解决了推进剂催化分解和燃烧反应效率较低的问题；另外，还进一步解决了无毒单组元发动机装填催化剂空间不足和使用率低的难题。
4.本发明的技术解决方案是：
5.一种无毒单组元发动机反应室，其特征在于：包括前反应室，内腔为直角转弯的后反应室，位于前反应室与后反应室之间的阻隔挡板，位于前反应室且贴在阻隔挡板上的阻隔隔网，位于后反应室的导流板、半圆导流网及导流挡板；其中，
6.前反应室的内部空腔装填催化剂，前反应室中远离后反应室的侧壁是反应室入口侧，与喷注器连接；
7.后反应室的内部空腔装填催化剂，后反应室中远离直角转弯、且与阻隔挡板的放置位置垂直的侧壁是反应室出口侧，与喷管连接；
8.导流板由呈三叉结构固定连接的三个槽板组成，三个槽板用于控制推进剂经催化反应后产生的气流在后反应室内的流动速度；
9.导流挡板贴于反应室出口侧的内壁，用于引导推进剂经催化反应后产生的气流排出后反应室的方向。
10.优选的，三个槽板分别是斜侧导流槽板、垂直导流槽板和支撑导流槽板；垂直导流槽板竖直固定于后反应室远离前反应室的内壁上；支撑导流槽板固定于后反应室远离反应室出口侧的内壁上；斜侧流槽板固定于后反应室靠近前反应室及出口侧的内壁夹角上。
11.优选的，所述斜侧导流槽板、垂直导流槽板和支撑导流槽板均为长方体，三个槽板的宽度相同。
12.优选的，所述斜侧导流槽板、垂直导流槽板和支撑导流槽板均在内部开设有若干个大小相同的长方形槽；其中，斜侧导流槽板内长方形槽宽度最小，支撑导流槽板内长方形槽宽度最大。
13.优选的，三个槽板的相交点位于前反应室和导流挡板的中心轴线延长线的相交位
置，垂直导流槽板和支撑导流槽板的内夹角为90
°
，斜侧导流槽板与垂直导流槽板、支撑导流槽板的内夹角均为135
°
。
14.优选的，所述导流挡板为圆柱体，沿轴向平分成两个半圆柱体，一半为实心半圆柱体，另一半为开设有若干通孔的开孔半圆柱体。
15.优选的，在开孔半圆柱体的端面开1～3排圆柱形通孔，每排6～30个，每排孔的轴线所在的平面与导流挡板的轴面平行或重合，任意两个孔圆心之间距离1-3mm。
16.优选的，在所述开孔半圆柱体的所有通孔的包络外侧，沿轴向开设2个圆弧通槽；每个圆弧通槽由4个圆弧面组成，在导流挡板任一横截面上，圆弧通槽上相对的两个圆弧圆心相同，一个圆心位于实心半圆柱体同一横截面上圆弧中点，另一个圆心位于横截面的中心点。
17.优选的，以实心半圆柱体横截面上圆弧中点为圆心，同一横截面上靠近开孔的第一个圆弧通槽的两条圆弧半径分别为r4和r5，第二个圆弧通槽的两条圆弧半径分别为r6和r7；其中r4、r5、r6、r7的关系满足公式：r7》r6》r5》r4，r
7-r6≥2mm，r
5-r4≥2mm，r
6-r5≥3mm。
18.优选的，以横截面的中心点为圆心，同一横截面上第一圆弧通槽的圆弧半径为r2，第二圆弧通槽的圆弧半径为r3；其中r2、r3的关系满足公式：r2＝r3。
19.优选的，所用的无毒推进剂为二硝酰胺铵或硝酸羟胺，覆盖推力20n-1000n。
20.一种无毒单组元发动机反应室装配方法，包括：
21.(s1)前反应室与后反应室通过电子束进行圆周焊接；
22.(s2)半圆导流网与导流挡板的开孔半圆柱体进行点焊，焊点数50-70，相邻两个焊点的间隔≤3mm；
23.(s3)将导流挡板按其中心轴线与导流板的垂直导流槽板垂直、与阻隔挡板平行的相对位置放置，并且导流挡板的实心半圆柱体相对于开孔半圆柱体更靠近前反应室；导流挡板放置准确后与后反应室进行激光圆周焊接，焊缝深度0.2-0.3mm；
24.(s4)将催化剂填充于后反应室，安装导流板，将催化剂放置于垂直导流槽板与支撑导流槽板之间的空腔、垂直导流槽板与斜侧导流槽板之间的空腔内；
25.(s5)继续装填催化剂，放置在支撑导流槽板与斜侧导流槽板之间的空腔内；
26.(s6)将阻隔隔网点焊到阻隔挡板上，焊点数20-60，相邻两个焊点的间隔≤5mm；
27.(s7)将已完成焊接的阻隔挡板放入到前反应室内，阻隔挡板与前反应室进行圆周点焊，焊点数40～60，相邻两个焊点的间隔≤5mm；
28.(s8)在前反应室内装填催化剂。
29.本发明与现有技术相比的优点在于：
30.1)本发明有效解决了原有无毒单组元发动机反应室在直角转弯处由于空腔存在所导致的能量损失，由原来只在前反应室内装填前床和后床催化剂，改进为前反应室内装填前床催化剂，而在后反应室内装填后床催化剂，有效解决结构一定条件下催化剂的装填量不足和使用率低的难题。
31.2)本发明创造性地设计了半实心半开孔的导流挡板、三叉型的导流板，通过两者的配合，解决无毒推进剂催化分解和燃烧反应效率较低的问题，实现无毒推进剂在直角转弯处不同曲率半径下其流动速率与催化分解和燃烧反应速率相匹配，提升在直角转弯处燃烧的稳定性，避免出现大燃烧压力波动的出现。
32.3)本发明公开了无毒单组元发动机反应室的装配方法，操作性强，解决无毒发动机反应室内催化剂、挡板和导流板等的有效安装问题。
附图说明
33.图1为本发明结构示意图；
34.图2为本发明实施例导流挡板圆端面示意图；
35.图3为本发明实施例导流板结构示意图。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合说明书附图对本发明做进一步详细的说明。
37.一种无毒单组元发动机反应室，如图1所示，包括前反应室1，内腔为直角转弯的后反应室2，位于前反应室1与后反应室2之间的阻隔挡板3，位于前反应室1并贴在阻隔挡板3的阻隔隔网4，位于后反应室空腔内的导流板5、导流挡板6及半圆导流网7。其中，前反应室1中远离后反应室2的侧壁是反应室入口侧，与喷注器连接，接收喷注器传来的无毒推进剂，如二硝酰胺铵、硝酸羟胺。后反应室2中远离直角转弯、且与阻隔挡板3的放置位置垂直的侧壁是反应室出口侧，与喷管连接，输出推进剂经催化反应后产生的气流，覆盖推力20n-1000n。
38.为了提升催化剂装填量和使用率，充分利用内腔为直角转弯的后反应室2，在后反应室2的内部空腔内装填催化剂，改变现有技术中因后反应室的直角转弯结构特点而只能在前反应室1同时装填前床催化剂和后床催化剂的情况，实现在前反应室1装填前床催化剂、后反应室2装填后床催化剂，有效加大了催化剂的装填量。同时，本发明设计了导流板5，克服了在后反应室2装填催化剂后无法完全解决气流在直角转弯处流动汇聚的难题，引导推进剂经催化反应后产生的气流行进方向，控制不同转弯半径下气流的流动速度。
39.导流板5由三个槽板组成，如图3所示，分别是斜侧导流槽板51、垂直导流槽板52和支撑导流槽板53。三个槽板呈三叉结构固定连接，垂直导流槽板52竖直固定于后反应室2远离前反应室的内壁上；支撑导流槽板53固定于后反应室2远离反应室出口侧的内壁上；斜侧流槽板51固定于后反应室2靠近前反应室1及出口侧的内壁夹角上。优选的，三个槽板的相交点位于前反应室1和导流挡板6的中心轴线延长线的相交位置，斜侧导流槽板51与垂直导流槽板52、支撑导流槽板53的内夹角均为135
°
，垂直导流槽板52和支撑导流槽板53的内夹角为90
°
。
40.三个槽板均为长方体，在各槽板上开设若干个相同的长方体通槽，无毒推进剂通过槽空隙流动。斜侧导流槽板51长度为l1，宽度为l4，其内的长方形通槽长度为l7，宽度为l8；垂直导流槽板52长度为l2，宽度为l5，其内的长方形槽长度为l9，宽度为l
10
；支撑导流槽板53长度为l3，宽度为l6，其内的长方形槽长度为l
11
，宽度为l
12
。三个槽板的厚度以能够稳定支撑气流流动为原则。为了增加转弯半径小气流的流动阻力并保证具有足够的强度，延长气流在后反应室的停留时间，斜侧导流板的开孔宽度相比与垂直导流板和支撑导流板的开孔宽度要更短；同时，为了降低转弯半径大气流的流动阻力并保证具有足够的强度，减少气流在后反应室的停留时间，支撑导流板的开孔宽度相比于垂直导流板和斜侧导流板要更
长。上述各数据之间的关系满足公式：l1》l2》l3，l4＝l5＝l6，l7》l9＝l
11
，l8《l
10
《l
12
。
41.在保证推进剂流体良好通过性的前提下，为了维持火焰的稳定性，避免燃烧压力出现高的不稳定波动的出现，设计了形状为圆柱体的导流挡板6，导流挡板的圆端面如图2所示。沿圆柱体轴向平分成两个半圆柱体，一半为实心半圆柱体，另一半为开设有若干通孔的开孔半圆柱体。开孔半圆柱体内有多层孔，在开孔半圆柱体的端面开1～3排圆柱形通孔，每排6～30个，每排孔的轴线所在的平面与导流挡板的轴面平行或重合，任意两个孔圆心之间距离1-3mm。在综合考虑导流挡板6开孔对流动速率、燃烧反应速率和火焰传播速率影响的条件下，将开孔半圆柱体放置于远离前反应室的一侧。气流经导流板导出后，到达导流挡板，由于直角转弯的结构特点，在靠近喷管出口侧的气态推进剂流动行程较短，通过导流挡板端实心部分的阻挡，增加了气流与后床催化剂反应的时间，使得推进剂和催化剂有足够的反应时间；同时远离喷管出口侧的气态推进剂流动行程较长，其与催化剂接触时间较长，这样就可以使推进剂和催化剂有足够的反应时间，这样气流就可以在导流挡板的开孔半圆柱体端汇聚，经过通孔排出，进入喷管。
42.为了避免气流在后反应室内承受较大离心力而出现应力集中的现象，在开孔半圆柱体所有通孔的包络外侧，沿轴向开设2个圆弧通槽，保证气流具有足够的流通面积，实现流通顺利进行。同时，开设圆弧通槽还可以降低不同转弯半径的气流之间的扰动力，使转弯半径大的气流通过导游挡板的圆弧通槽，与通过导流挡板开孔的转弯半径小的气流有效汇合，以保证在喷管缩段能够有效汇聚，减少不必要的能量损失。每个圆弧通槽由4个圆弧面组成，在导流挡板任一横截面上，圆弧通槽上相对的两个圆弧圆心相同，一个圆心位于实心半圆柱体同一横截面上圆弧中点，另一个圆心位于横截面的中心点。其中，以实心半圆柱体同一横截面上圆弧中点为圆心，靠近开孔的第一个圆弧通槽的两条圆弧半径分别为r4和r5，第二个圆弧通槽的两条圆弧半径分别为r6和r7；r4、r5、r6、r7的关系满足公式：r7》r6》r5》r4，r
7-r6≥2mm，r
5-r4≥2mm，r
6-r5≥3mm。以横截面的中心点为圆心，第一圆弧通槽的圆弧半径为r2，第二圆弧通槽的圆弧半径为r3；r2、r3的关系满足公式：r2＝r3。
43.装配上述无毒单组元发动机反应室的方法：首先，将前反应室1与后反应室2通过电子束进行圆周焊接，构成反应室大部段；在导流挡板6的开孔半圆柱体端面上点焊半圆导流网7，为了保证半圆导流网与导流挡板焊接有足够的强度和点焊具有较好的操作性，焊点数50-70，相邻两个焊点的间隔≤3mm；其次，将完成点焊操作的导流挡板6按要求放置，其中心轴线与导流板5的垂直导流槽板52垂直、与阻隔挡板3平行，并且导流挡板6的实心半圆柱体相对于开孔半圆柱体更靠近前反应室1。导流挡板6放置好后与后反应室2完成激光圆周焊接，焊缝深度0.2-0.3mm；再次，将后床催化剂填充于后反应室2，安装导流板5，将催化剂放置于垂直导流槽板52与支撑导流槽板53之间的空腔、垂直导流槽板52与斜侧导流槽板51之间的空腔内。继续装填后床催化剂，放置在支撑导流槽板53与斜侧导流槽板51之间的空腔内，并通过低频晃动机实现后反应室2内的后床催化剂装填密实；第四，将阻隔隔网4点焊到阻隔挡板3上，焊点数20～60，相邻两个焊点的间隔≤5mm；第五，将已完成点焊的阻隔挡板3放入到前反应室1内，其中阻隔隔网4面向前反应室1，完成阻隔挡板3圆周点焊，焊点数40～60，相邻两个焊点的间隔≤5mm；最后，在前反应室内1装填前床催化剂，并通过低频晃动机实现前床催化剂装填密实，完成反应室的整个装配过程。
44.以下通过具体实施方式结合附图对本发明进行详细说明：
45.基于本发明提出的无毒单组元发动机反应室，制造了无毒单组元发动机反应室。其中，导流板5的斜侧导流槽板51长度l1为20mm，宽度l4为14mm，在其内开有若干长方形槽，长度l7为18mm，宽度l8为6.5mm；垂直导流槽板52长度l2为18mm，宽度l5为14mm，在其内开有若干长方形槽，长度l9为16mm，宽度l
10
为8.125mm；支撑导流槽板53长度l3为17mm，宽度l6为14mm，在其内开有若干长方形槽，长度l
11
为16mm，宽度l
12
为13mm。导流挡板6的开孔半圆柱体布置1排15个圆柱形通孔，孔的轴线所在的平面与导流挡板的轴面平行，任意两个孔圆心之间距离1mm。导流挡板6的开孔半圆柱体上的通槽，两个通槽中心距离为3mm。
46.装配方法采用如下方式：
47.1)前反应室1与后反应室2通过电子束进行圆周焊接；
48.2)半圆导流网7与导流挡板6表面点焊半圆导流网，焊点数50，相邻两个的间隔1mm；
49.3)将导流挡板6按其中心轴线与导流板5的垂直导流槽板52垂直、与阻隔挡板3平行的相对位置放置。安装好相对位置后，通过激光与后反应室2完成激光圆周焊接，焊缝深度0.2mm；
50.4)将后床催化剂填充于后反应室2内，然后将导流板5的垂直导流板52竖直放入到卡槽后，之后将导流板的斜侧导流板51斜着插入到后反应室2内；
51.5)在支撑导流板53与斜侧导流板51的空腔内装填剩余的后床催化剂，并通过低频晃动机实现后床催化剂装填密实；
52.6)将阻隔隔网4点焊到阻隔挡板3上，焊点数20，相邻两个的间隔2mm，且点焊位置离阻隔挡板3开孔位置1mm；
53.7)将完成焊接的阻隔挡板3放入到前反应室1内，将阻隔隔网4靠近前反应室1壁面处，完成圆周点焊，焊点数40，相邻两个的间隔2mm；
54.8)在前反应室1内装填前床催化剂，并通过低频晃动机实现前床催化剂装填密实。
55.此反应室以硝酸羟胺为无毒推进剂，前反应室1装填前床催化剂55g，后反应室2内装填后催化剂72g，提供60n的推力。相较于原有的不含导流板5与导流挡板6的结构，只能在前反应室装填前床催化剂18g、后床催化剂31g的情况，本发明前床催化剂相较于之前提高207.5％，后床催化剂装填量相较于之前提高132.3％，同时还大幅提高了推进剂的催化分解反应效率和燃烧反应效率。
56.以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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。
57.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

技术特征：

1.一种无毒单组元发动机反应室，其特征在于：包括前反应室，内腔为直角转弯的后反应室，位于前反应室与后反应室之间的阻隔挡板，位于前反应室且贴在阻隔挡板上的阻隔隔网，位于后反应室的导流板、半圆导流网及导流挡板；其中，前反应室的内部空腔装填催化剂，前反应室中远离后反应室的侧壁是整个反应室入口侧，与喷注器连接；后反应室的内部空腔装填催化剂，后反应室中远离直角转弯、且与阻隔挡板的放置位置垂直的侧壁是整个反应室出口侧，与喷管连接；导流板由呈三叉结构固定连接的三个槽板组成，三个槽板用于控制推进剂经催化反应后产生的气流在后反应室内的流动速度；导流挡板贴于反应室出口侧的内壁，用于引导推进剂经催化反应后产生的气流排出后反应室的方向。2.如权利要求1所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：三个槽板分别是斜侧导流槽板、垂直导流槽板和支撑导流槽板；垂直导流槽板竖直固定于后反应室远离前反应室的内壁上；支撑导流槽板固定于后反应室远离反应室出口侧的内壁上；斜侧流槽板固定于后反应室靠近前反应室及出口侧的内壁夹角上。3.如权利要求2所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：所述斜侧导流槽板、垂直导流槽板和支撑导流槽板均为长方体，三个槽板的宽度相同。4.如权利要求3所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：所述斜侧导流槽板、垂直导流槽板和支撑导流槽板均在内部开设有若干个大小相同的长方形槽；其中，斜侧导流槽板内长方形槽宽度最小，支撑导流槽板内长方形槽宽度最大。5.如权利要求2所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：三个槽板的相交点位于前反应室和导流挡板的中心轴线延长线的相交位置，垂直导流槽板和支撑导流槽板的内夹角为90
°
，斜侧导流槽板与垂直导流槽板、支撑导流槽板的内夹角均为135
°
。6.如权利要求1所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：所述导流挡板为圆柱体，沿轴向平分成两个半圆柱体，一半为实心半圆柱体，另一半为开设有若干通孔的开孔半圆柱体。7.如权利要求6所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：在开孔半圆柱体的端面开1～3排圆柱形通孔，每排6～30个，每排孔的轴线所在的平面与导流挡板的轴面平行或重合，任意两个孔圆心之间距离1-3mm。8.如权利要求7所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：在所述开孔半圆柱体的所有通孔的包络外侧，沿轴向开设2个圆弧通槽；每个圆弧通槽由4个圆弧面组成，在导流挡板任一横截面上，圆弧通槽上相对的两个圆弧圆心相同，一个圆心位于实心半圆柱体同一横截面上圆弧中点，另一个圆心位于横截面的中心点。9.如权利要求8所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：以实心半圆柱体横截面上圆弧中点为圆心，同一横截面上靠近开孔的第一个圆弧通槽的两条圆弧半径分别为r4和r5，第二个圆弧通槽的两条圆弧半径分别为r6和r7；其中r4、r5、r6、r7的关系满足公式：r7>r6>r5>r4，r
7-r6≥2mm，r
5-r4≥2mm，r
6-r5≥3mm。10.如权利要求9所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：以横截面的中心点为圆心，同一横截面上第一圆弧通槽的圆弧半径为r2，第二圆弧通槽的圆弧半径为r3；其中r2、
r3的关系满足公式：r2＝r3。11.如权利要求1所述的无毒单组元发动机反应室，其特征在于：所用的无毒推进剂为二硝酰胺铵或硝酸羟胺，覆盖推力20n-1000n。12.一种无毒单组元发动机反应室装配方法，其特征在于：包括：(s1)前反应室与后反应室通过电子束进行圆周焊接；(s2)半圆导流网与导流挡板的开孔半圆柱体进行点焊，焊点数50-70，相邻两个焊点的间隔≤3mm；(s3)将导流挡板按其中心轴线与导流板的垂直导流槽板垂直、与阻隔挡板平行的相对位置放置，并且导流挡板的实心半圆柱体相对于开孔半圆柱体更靠近前反应室；导流挡板放置准确后与后反应室进行激光圆周焊接，焊缝深度0.2-0.3mm；(s4)将催化剂填充于后反应室，安装导流板，将催化剂放置于垂直导流槽板与支撑导流槽板之间的空腔、垂直导流槽板与斜侧导流槽板之间的空腔内；(s5)继续装填催化剂，放置在支撑导流槽板与斜侧导流槽板之间的空腔内；(s6)将阻隔隔网点焊到阻隔挡板上，焊点数20-60，相邻两个焊点的间隔≤5mm；(s7)将已完成焊接的阻隔挡板放入到前反应室内，阻隔挡板与前反应室进行圆周点焊，焊点数40～60，相邻两个焊点的间隔≤5mm；(s8)在前反应室内装填催化剂。

技术总结

一种无毒单组元发动机反应室及装配方法，其中，无毒单组元发动机反应室包括前反应室，内腔为直角转弯的后反应室，位于前反应室与后反应室之间的阻隔挡板，位于前反应室且贴在阻隔挡板上的阻隔隔网，位于后反应室的导流板、半圆导流网及导流挡板。本发明有效解决了无毒单组元发动机反应室中推进剂催化分解和燃烧反应效率较低的问题，同时也解决了装填催化剂空间不足和使用率低的难题，并给出了无毒单组元发动机反应室的装配方法。元发动机反应室的装配方法。元发动机反应室的装配方法。