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专利名称：一种涡流冷气自吸热姿控发动机和推力控制方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210320446.7

专利申请（专利权）人：贵州航天朝阳开云优惠体育网页版入口有限责任公司
权利人地址：贵州省遵义市汇川区大连路航天高新技术产业园区内

专利发明（设计）人：发明人:陈宗,任站阳,谢彪,丁洋,伍家威,韦春花

专利摘要：本发明公开了一种涡流冷气自吸热姿控发动机和推力控制方法，姿控发动机包括吸热头、换热结构和推力室。吸热头位于发动机的最前端；换热结构与推力室同轴连接固定，并且一端与吸热头刚性连接，另一端呈毛刷状结构悬浮在推力室内部。高压气体由推力室的切向入口进入推力室，在推力室内形成内、外两层温度不同的涡流，其中，内层涡流温度

主权利要求：
1.一种涡流冷气自吸热姿控发动机，其特征在于：包括，
推力室(3)，所述推力室(3)包括带有空腔的圆柱壳体，圆柱壳体的一个底面封闭，另一个底面与锥形喷管收缩段的入口端连接，圆柱壳体上设置有进气口，且进气口的进气方向沿着圆柱壳体外圆的切线方向，高压气体经进气口进入推力室(3)，所述高压气体的温度等于环境温度；
吸热头(1)，所述吸热头(1)位于推力室(3)外侧；
换热结构(2)，所述换热结构(2)设置在推力室(3)圆柱壳体的空腔内，且换热结构(2)位于以推力室(3)圆柱壳体轴线为中心轴线的圆柱面内部，换热结构(2)经导热结构件与吸热头(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种涡流冷气自吸热姿控发动机，其特征在于：所述进气口有两个，且分布在圆柱壳体封闭端底面外圆的直径线两端。
3.根据权利要求1所述的一种涡流冷气自吸热姿控发动机，其特征在于：所述吸热头(1)位于姿控发动机的最前端并置于环境中。
4.根据权利要求1所述的一种涡流冷气自吸热姿控发动机，其特征在于：所述吸热头(1)具有大的比表面积。
5.根据权利要求1所述的一种涡流冷气自吸热姿控发动机，其特征在于：所述换热结构(2)与吸热头(1)通过热管同轴连接，且热管的轴线与推力室(3)圆柱壳体的轴线重合。
6.根据权利要求5所述的一种涡流冷气自吸热姿控发动机，其特征在于：所述换热结构(2)包括换热翅片，换热翅片分布在多个垂直于热管轴线方向间隔排列的平面内，且在每一个平面内换热翅片均以热管轴线为中心呈径向放射状分布。
7.一种采用权利要求1、2、3、4、5或6所述涡流冷气自吸热姿控发动机的推力控制方法，其特征在于：包括，使进入推力室(3)空腔内的高压气体形成涡流，所述涡流包括内层涡流和外层涡流，内层涡流位于外层涡流内侧且温度低于环境温度，外层涡流的温度高于环境温度；
通过吸热头(1)和换热结构(2)加热内层涡流，加热后的内层涡流与外层涡流混合后通过锥形喷管排出产生推力。
8.根据权利要求7所述的推力控制方法，其特征在于：所述高压气体的温度为300K，所述内层涡流的温度为250K～280K，所述外层涡流的温度为350K～400K。
9.根据权利要求7所述的推力控制方法，其特征在于：改变换热结构(2)的换热效率，进而改变内层涡流的升温速率，从而控制推力大小变化的响应速率。
10.根据权利要求7所述的推力控制方法，其特征在于：改变吸热头(1)的比表面积，进而改变内层涡流的升温速率，从而控制推力大小变化的响应速率。 说明书 : 一种涡流冷气自吸热姿控发动机和推力控制方法技术领域[0001] 本发明涉及航天小推力姿轨控冷气发动机，尤其是一种涡流冷气自吸热姿控发动机及其推力控制方法。背景技术[0002] 高压冷气发动机因其结构简单、成本低、可靠性高而成为姿控发动机家族的重要组成部分，但其推进剂总温较低导致推进性能弱于其他姿控发动机，继而导致高压冷气发动机的应用受限。某些工程作业中，常采用单组元发动机替代冷气发动机。然而，单组元发动机的设计难度、技术复杂度与可靠性等问题提升了发动机系统的安全隐患。[0003] 现有技术中，一般选择高温废气用作推进剂来提升高压冷气发动机的推进性能，对于高压冷气发动机而言，这种改进方式不仅需要携带额外热源，而且导致高压冷气发动机的工作受到热源工况的限制。发明内容[0004] 为了解决上述问题，本发明旨在提供一种涡流冷气自吸热姿控发动机和推力控制方法，在无需额外热源的条件下，提高发动机的推力，且整个发动机设计结构简单，总冲一定的条件下能够减少推进剂质量，进一步能够控制推力大小变化的响应速率。[0005] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：[0006] 一种涡流冷气自吸热姿控发动机，包括，[0007] 推力室，所述推力室包括带有空腔的圆柱壳体，圆柱壳体的一个底面封闭，另一个底面与锥形喷管收缩段的入口端连接，圆柱壳体上设置有进气口，且进气口的进气方向沿着圆柱壳体外圆的切线方向，高压气体经进气口进入推力室，所述高压气体的温度等于环境温度；[0008] 吸热头，所述吸热头位于推力室外侧；[0009] 换热结构，所述换热结构设置在推力室圆柱壳体的空腔内，且换热结构位于以推力室圆柱壳体轴线为中心轴线的圆柱面内部，换热结构经导热结构件与吸热头相连。[0010] 作为一种选择，所述进气口有两个，且分布在圆柱壳体封闭端底面外圆的直径线两端。[0011] 作为一种选择，所述吸热头位于姿控发动机的最前端并置于环境中。[0012] 作为一种选择，所述吸热头具有大的比表面积。[0013] 作为一种选择，所述换热结构与吸热头通过热管同轴连接，且热管的轴线与推力室圆柱壳体的轴线重合。[0014] 进一步，所述换热结构包括换热翅片，换热翅片分布在多个垂直于热管轴线方向间隔排列的平面内，且在每一个平面内换热翅片均以热管轴线为中心呈径向放射状分布。[0015] 一种采用前述涡流冷气自吸热姿控发动机的推力控制方法，包括，[0016] 使进入推力室空腔内的高压气体形成涡流，所述涡流包括内层涡流和外层涡流，内层涡流位于外层涡流内侧且温度低于环境温度，外层涡流的温度高于环境温度；[0017] 通过吸热头和换热结构加热内层涡流，加热后的内层涡流与外层涡流混合后通过锥形喷管排出产生推力。内层涡流经过换热后温度得以提升，与外层涡流混合后形成的气流温度高于进入推力室的高压气体温度，从而提升了发动机的推进性能。[0018] 作为一种选择，所述高压气体的温度为300K，所述内层涡流的温度为250K～280K，所述外层涡流的温度为350K～400K。[0019] 作为一种选择，改变换热结构的换热效率，进而改变内层涡流的升温速率，从而控制推力大小变化的响应速率。例如，改变换热结构的类型、材质、在推力室中的位置，又或者换热结构与内层涡流的体积比例等，这些措施均可改变内层涡流的换热效率，从而改变内层涡流的升温效率，进而控制达到最大(最小)推力的响应时间，满足不同场合的需求。[0020] 作为一种选择，改变吸热头的比表面积，进而改变内层涡流的升温速率，从而控制推力大小变化的响应速率，满足不同场合的需求。[0021] 与现有技术相比，本发明的姿控发动机在推力室切向入射高压气体，使得高压气体在推力室内分层形成冷涡流(温度低于环境温度的内层涡流)和热涡流(温度高于环境温度的外层涡流)，分层后的冷涡流吸收来自吸热头的环境热量，进而提高推进剂总温度和发动机性能，本发明具有以下优势：[0022] (1)在无需额外热源的条件下，比冲与推力性能得到提升；[0023] (2)总冲一定时可减少5％～15％的推进剂质量；[0024] (3)结构简单，改进措施少，工艺加工难度低，实用性强；[0025] (4)吸热头放置于外界环境中，推力室内的涡流效应导致内层涡流的温度低于环境温度，换热结构作为吸热头与低温的内层涡流的换热媒介，热量从吸热头传递给低温的内层涡流，此过程是自发的，形成了“自吸热”；[0026] (5)通过改变换热结构和吸热头的特性，进而改变内层涡流的升温速率，最终控制推力变化的响应速率。附图说明[0027] 图1为本发明涡流冷气自吸热姿控发动机的示意图；[0028] 图2为本发明涡流冷气自吸热姿控发动机的剖面图；[0029] 图中，1?吸热头；2?换热结构；3?推力室。具体实施方式[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。[0031] 如图1和图2所示，本实施例中的涡流冷气自吸热姿控发动机包括吸热头1、毛刷换热结构2和推力室3。本实施例中的推力室3等效于涡流管，通过涡流效应将压缩气体进行能量分离，产生不同分布区域、不同温度的气流，通过对内层温度较低的气流加热，然后再与外层温度较高的气流混合形成高于进气温度的气流，最终通过喷管产生推力。[0032] 吸热头1位于发动机最前端，置于环境温度中进行热交换。换热结构2与推力室3同轴连接固定，并且一端与吸热头1刚性连接的同时形成热传导，另一端呈毛刷状结构(例如翅片结构，形成很大的换热面积)悬浮在推力室3内部。吸热头1具备大的比表面积，能够在环境充分换热。与环境温度相同的高压气体由推力室3的切向进气口进入推力室3(如图1和图2中推力室3左端底面外圆处的两个切向入口管道)，气流受惯性力与离心力作用在推力室3内分层为低于环境温度的内层涡流与高于环境温度的外层涡流。换热结构2将吸热头1的热量传递给低温的内层涡流，内层涡流与外层涡流混合后产生更高总温的气流，后经推力室3和锥形喷嘴排出产生推力。[0033] 推力室3由一个一端封闭的空腔圆柱壳体与一个锥形喷管组成，推力室3的进气口为切向入口(即图1和图2中推力室3圆柱壳体封闭底面外圆直径线两端)，目的是使高压气体切向进入推力室3内，实现气流分层，形成温度不同的内层涡流和外层涡流。[0034] 与环境温度相同的高压气体(约300K)由推力室3的切向进气口进入推力室3，气流受惯性力与离心力作用分为内、外两层涡流。其中，运动在推力室3圆柱壳体中心轴线附近的内层涡流绝热膨胀并将热量传递给外层涡流，导致内层涡流温度低于环境温度(约250K～280K)，而外层涡流温度高于环境温度(约350K～400K)。同时，换热结构2作为热量传递媒介，将吸热头1的热量传递给低温的内层涡流，实现了对推进剂的加热。[0035] 本实施例中，换热结构2采用的是管翅式结构，圆柱形的热管结构从推力室3内腔中延伸到推力室3外侧，热管的一端为翅片结构，与内层涡流进行换热，热管的另一端为吸热头1，与环境进行换热。翅片结构悬浮在推力室3内部，翅片的分布位置、体积和材质既要求保证换热效率，又不能影响内层涡流的膨胀。本实施例中，换热结构2位于内层涡流区域的中心，沿着内层涡流的流向延伸，翅片的外径位于内层涡流和外层涡流交界内部。作为一种选择，推力室3切向进气口附近一段长度区域内的换热结构2上不设置翅片，从而让入射的高压气体形成稳定的内层涡流和外层涡流，避免翅片对入射气体形成涡流产生影响。作为一种选择，热管外侧的翅片上模拟内层涡流的流动路径设计流道(即通过数值模拟计算出内层涡流的流动路径，然后在翅片上相应位置加工出该流道)，确保内层涡流沿着翅片上的流道顺利流动，减少流阻。

专利地区：贵州

专利申请日期：2022-03-29

专利公开日期：2024-10-15

专利公告号：CN114922745B