头部结构相同的三种大推力三组元火箭推力室的制作方法

本发明涉及头部结构相同的三种大推力三组元火箭推力室，属于使用三组元推进剂液氧煤油液氢的液体火箭发动机技术领域。

背景技术：

助推和一级火箭一般用密度比冲高和比冲较高的液氧煤油发动机。二级和上面级火箭一般用比冲高的氢氧发动机。现有的液氧煤油发动机和氢氧发动机都存在推力室结构复杂的问题。尤其是大推力火箭推力室的技术难度更大。

芯一级火箭则需要前期工作密度比冲高和中后期工作比冲高的合而为一发动机。本人曾经提出用于合而为一发动机的切换燃料推力室(zl201410246890.4和201710449991.5)，是由过氧化氢煤油较方便地切换成过氧化氢液氢。上世纪八十年代的前苏联提出过又一种切换燃料推力室，是由三组元推进剂液氧煤油液氢切断煤油剩余氢氧的方案。前苏联的切换燃料推力室结构很复杂，未见应用。

为了解决液氧煤油推力室难以解决的简化结构降低难度、多次重复使用、提高比冲等问题，本人经过研究提出了结构不复杂化的三组元推力室(201710449940.2)。燃烧用液氧煤油，推力室内冷却和隔板冷却用液氢。但是，这种推力室的比冲增加有限，有进出液管的再生冷却隔板结构较复杂。本人最近的发明(201711201099.1)是双组元推力室用排放再生冷却隔板，使得结构很简单。以此为参考，本发明基于采用有底座排放再生冷却隔板，提出不切换燃料的两种大推力三组元推力室和切换燃料的一种大推力三组元推力室。

本人上述发明中存在喷注器盘输液槽局部流速偏大的问题，本发明采取措施一并解决。

技术实现要素：

针对前苏联的三组元切换燃料推力室结构很复杂难以研制和本人提出的三组元推力室有待改进之处，为了能研制出结构简单和适用的液氧煤油液氢三组元推力室及相应的切换燃料推力室，本发明提出三种大推力三组元火箭推力室。

一种大推力三组元推力室，由头部、身部和隔板组成并焊接一体，头部和这三部分的连接件包括承力座、法兰盘、多孔内锥壳、外锥壳、涡轮排气引入管、第一承力连接件、第二承力连接件、第三承力连接件、连接集合环、喷注器盘、双排喷注孔弧段板组、单排喷注孔弧段板组、喷注径向板、内冷却环、搭接半环、头部煤油进入管和气氢输出管。头部是以厚的喷注器盘为主的高强度头部。身部是用液氢和煤油分段再生冷却和无冷却环带的第一种传统身部。隔板是有底座排放再生冷却隔板并用身部再生冷却转变的气氢冷却。从涡轮排气引入管进入的是液氧与少量氢进行燃烧产生温度不超过800k的富氧气。从气氢输出管输出的气氢可用作供应系统中产生驱动涡轮用气体的气体发生器的燃料。直径1.05-1.5m和厚度宜取10％直径的喷注器盘按等面积划分为中心圆形区、6个第一圈扇形区、12个第二圈扇形区和18个第三圈扇形区，并在各区内按同心圆双排或单排密集开有喷注富氧气的气轴向孔、隔板两边气轴向孔和小的气轴向孔。为了减轻盘的质量和便于加工这些孔，可以把各区内打孔处的厚度减薄一半左右。双排喷注孔弧段板组、单排喷注孔弧段板组和喷注径向板开有煤油自击对、煤油斜孔和煤油小轴向孔，用来喷注从头部煤油进入管进入的身部再生冷却后的煤油。一个煤油自击对与一个气轴向孔组成液气自击互击喷注单元或两个小倾角5-30度的煤油斜孔与一个气轴向孔组成液气互击喷注单元，一个煤油斜孔与一个小的气轴向孔组成外圈液气互击喷注单元。连接集合环开有一个煤油进入孔并设置煤油集合器。内冷却环沿圆周均匀开有气氢径向孔、小径向孔和用来喷注内冷却用气氢的环形缝隙。搭接半环上开有一个气氢输出孔并在其内侧形成气氢集合器。由此构成第一种用液氢和煤油分段冷却身部的300-600吨推力三组元推力室。

高强度头部是用第一承力连接件、第二承力连接件和第三承力连接件把承力和喷注的喷注器盘与富氧气整流和传力的多孔内锥壳焊接成一个整体。多孔内锥壳、外锥壳和涡轮排气引入管组成富氧气输入装置且并列传力。

第一种传统身部以喉部下游处为界分为前段和后段。前段用从液氢进入管进入的液氢进行再生冷却，在受热变成气氢后流入气氢集合器。后段用从身部煤油进入管进入的煤油进行再生冷却，在受热提高温度后从身部煤油输出管流向头部煤油进入管。该身部是从铣直槽、铣螺旋槽、直管束式、螺旋管束式、波纹板钎焊等传统结构中选择而成。

有底座排放再生冷却隔板由整体底座、第一周向隔板、第二周向隔板、第三周向隔板、6块第一径向隔板、12块第二径向隔板和18块第三径向隔板组成各区面积基本相等的37区隔板并焊为一体。各隔板的高度相同宜取80-100mm和随着隔板序号增加而增大的宽度宜取10-20mm。各隔板单排或双排均匀开有随着隔板宽度不同而直径不同的细长轴向孔，隔板十字交叉处的周向隔板上和外圈径向隔板的最外边开有小孔径细长轴向孔。整体底座设置与各隔板尺寸相配的氢输送槽组并设置外侧壁用来与连接集合环焊接固定。第一周向隔板内半径r与径向隔板长度h的近似关系式为r＝0.61h。且可不用整体的底座。

喷注器盘的喷注面开有用双排喷注孔弧段板组翻边焊封闭的宽周向槽组、用单排喷注孔弧段板组翻边焊封闭的窄周向槽组及用喷注径向板翻边焊封闭的3条窄径向槽。还开有用37区隔板的整体底座焊接封死的隔板下面环形槽组和隔板下面径向槽组，且随着隔板序号的增大而增加槽的宽度。

承力座和喷注器盘的中央设置电点火器用管道，用来在推力室点火起动时把电点火器产生的火炬引入推力室内。液氢进入推力室内的时间宜早于火炬进入时间0.1-0.2秒，液氧进入推力室内的时间宜晚于火炬进入时间0.1-0.2秒，煤油进入推力室内的时间宜晚于液氧进入时间0.1-0.2秒。

第一种大推力三组元推力室的第一种传统身部取消身部煤油进入管和身部煤油输出管，并把液氢进入管的位置由喉部下游移至靠近喷管出口处而成为全用液氢再生冷却和无冷却环带的第二种传统身部。由此构成第二种全用液氢再生冷却身部的300-600吨推力三组元推力室。

第二种大推力三组元推力室的头部煤油进入管上焊接一个煤油三通管。在气氢输出管上焊接一个气氢三通管。煤油三通管和气氢三通管之间设置一个气氢阀门。切换燃料时在切断煤油三通管中的煤油流动后，间隔0.1秒至0.3秒开启气氢阀门。使得气氢进入煤油管路从煤油自击对、煤油斜孔和煤油小轴向孔喷入推力室与富氧气燃烧。为了不使切换燃料后的气氢流速过大，喷注器盘的最外圈径向槽可改用最大深度不大于15％盘直径的外圈斜底径向槽。由此构成第三种切换燃料转氢氧的300-600吨前期推力三组元推力室。

对于第一、二、三种大推力三组元推力室，有底座排放再生冷却隔板中的37区隔板增加第四周向隔板和24块第四径向隔板而成为61区隔板。直径1.5-1.9m的喷注器盘增加24个第四圈扇形区。增加第四承力连接件。由此构成分段冷却或全用液氢冷却身部乃至切换燃料的600-1000吨推力三组元推力室。

对于第一、二、三种大推力三组元推力室，有底座排放再生冷却隔板中的37区隔板取消第三周向隔板和18块第三径向隔板而成为19区隔板。直径0.85-1.05m的喷注器盘取消18个第三圈扇形区。取消第三承力连接件。由此构成分段冷却或全用液氢冷却身部乃至切换燃料的200-300吨推力三组元推力室。

应当说明，第二、三种大推力三组元推力室全用液氢再生冷却身部时，为了确保冷却效果需要设法增大液氢流量。推力室可以选用分区多的隔板，以增加隔板端部氢氧燃烧的比例。还可以加大从环形缝隙喷注内冷却用气氢的流量。

本发明三种大推力三组元火箭推力室的有益效果和优点是：

1.采用喷注器面外燃烧是液氧煤油和隔板端面外燃烧是氢氧的技术，既简化结构，又有抑制高频不稳定燃烧的分区作用。可取消点火燃料点火而改为更简单的电点火器点火。推力室头部有厚的喷注器盘、2-4个承力连接件、有气体整流作用的多孔内锥壳、并列传力和气体集合用的双锥壳及用大量减少零件数的直流喷注器。身部取消三道冷却环带。隔板采用取消进液管、出液管和端头并把双层钎焊改为单壁打孔的有底座排放再生冷却隔板。推力室结构简单得多和通用性好，技术难度较小，便于又快又好地研制低成本发动机。

2.液氢的冷却性能好，用作身部和隔板的再生冷却剂及推力室内冷却剂的效果很好。有效弥补了煤油冷却性能有限且会结焦的缺点，使得一次性使用的液氧煤油推力室有望变成重复使用多达50次的三组元推力室。

3.液氢的分子量很小。受热成气氢用作内冷却剂的边区比冲高。用作隔板冷却剂在隔板端部外与隔板两边富氧气燃烧产生很高的比冲。根据氢氧燃烧部分的比例大小，三组元推力室比液氧煤油推力室的比冲可增加20-50秒。切换燃料变氢氧的比冲增加100秒以上。

4.采用燃料流路和喷注器先后用两种不同燃料的切换燃料转氢氧模式，有别于前苏联的两路关一路燃料模式。不会烧蚀身部、隔板和喷注器盘，不会发生冻住煤油的问题，不会使气体发生器、涡轮泵和系统工况有大的变化。这种切换燃料模式既简单可靠又较易实现。切换燃料前后的燃料喷注孔面积不变，会使喷注氢燃料的流量比煤油流量小得多，但氢氧比液氧煤油的混合比大三倍左右和比冲高，所以推力下降不会太多。

5.喷注器盘和隔板的各区面积基本相等，多达19、37和61区。每区产生的推力一般不大于16吨，抑制高频不稳定燃烧的效果好，并增大氢氧燃烧的比例。喷注器盘的外圈径向槽多达12、18和24条和槽宽最大可取到17mm并在需要时可设置外圈斜底径向槽，由此解决喷注器盘输液槽局部流速偏大的问题。

总之，本发明的三组元推力室是集中液氧煤油推力室和氢氧推力室的优点于一身。尤其通过切换燃料更成为先进的合而为一推力室。当然，三组元推力室会增加一路供应系统。切换燃料会发生短暂的推力下降。这都不是大问题。

本发明的三种大推力三组元推力室，适用于载人登月登火星火箭、多次重复使用火箭、经济适用火箭和空天飞行器的发动机。不切换燃料的两种三组元推力室用于助推级和一级发动机。切换燃料的一种三组元推力室用于芯一级发动机。

附图说明

图1第一种用液氢和煤油分段冷却身部的300-600吨推力三组元推力室简图

图2头部侧视剖面图

图3喷注器盘和隔板组合图的六分之一

图4喷注器盘背面视图的六分之一

图5隔板整体底座简图的六分之一

图6第三种切换燃料转氢氧的200-300吨前期推力三组元推力室头部侧视剖面图

图7200-300吨推力三组元推力室的喷注器盘和隔板组合图的六分之一

图8200-300吨推力三组元推力室的多孔内锥壳简图的四分之一

具体实施方式

图1至图8是本发明头部结构相同的三种大推力三组元火箭推力室的优选实施例。

如图1至图5所示，一种大推力三组元推力室，由头部1、身部2和隔板3组成并焊接一体，头部1和这三部分的连接件包括承力座4、法兰盘5、多孔内锥壳6、外锥壳7、涡轮排气引入管8、第一承力连接件9、第二承力连接件9a、第三承力连接件9b、连接集合环10、喷注器盘11、双排喷注孔弧段板组12、单排喷注孔弧段板组12a、喷注径向板13、内冷却环14、搭接半环15、头部煤油进入管16和气氢输出管17。头部1是以厚的喷注器盘11为主的高强度头部1a。身部2是用液氢和煤油分段再生冷却和无冷却环带的第一种传统身部2a。隔板3是有底座排放再生冷却隔板3a并用身部2再生冷却转变的气氢冷却。从涡轮排气引入管8进入的是液氧与少量氢进行燃烧产生温度不超过800k的富氧气。直径1.05-1.5m和厚度宜取10％直径的喷注器盘11按等面积划分为中心圆形区18、6个第一圈扇形区19、12个第二圈扇形区19a和18个第三圈扇形区19b。各区内按同心圆双排或单排密集开有喷注富氧气的气轴向孔20、隔板两边气轴向孔20a和小的气轴向孔20b且宜减薄一半此处的盘厚度。双排喷注孔弧段板组12、单排喷注孔弧段板组12a和喷注径向板13开有煤油自击对21、煤油斜孔22和煤油小轴向孔23用来喷注从头部煤油进入管16进入的身部2再生冷却后的煤油。一个煤油自击对21与一个气轴向孔20组成液气自击互击喷注单元或两个小倾角5-30度的煤油斜孔22与一个气轴向孔20组成液气互击喷注单元及一个煤油斜孔22与一个小的气轴向孔20b组成外圈液气互击喷注单元。连接集合环10开有一个煤油进入孔24并设置煤油集合器25。内冷却环14沿圆周均匀开有气氢径向孔26、小径向孔27和用来喷注内冷却用气氢的环形缝隙28。搭接半环15上开有一个气氢输出孔29并在其内侧形成气氢集合器30。由此构成第一种用液氢和煤油分段冷却身部的300-600吨推力三组元推力室。

如图2所示，大推力三组元推力室，高强度头部1a是用第一承力连接件9、第二承力连接件9a和第三承力连接件9b把承力和喷注的喷注器盘11与富氧气整流和传力的多孔内锥壳6焊接成一个整体。多孔内锥壳6、外锥壳7和涡轮排气引入管8组成富氧气输入装置且并列传力。

如图1和图2所示，大推力三组元推力室，第一种传统身部2a以喉部下游处为界分为前段31和后段32。前段31用从液氢进入管33进入的液氢进行再生冷却并在受热变成气氢后流入气氢集合器30。后段32用从身部煤油进入管34进入的煤油进行再生冷却并在受热提高温度后从身部煤油输出管35流向头部煤油进入管16。

如图2、图3和图5所示，大推力三组元推力室，有底座排放再生冷却隔板3a由整体底座36、第一周向隔板37、第二周向隔板37a、第三周向隔板37b、6块第一径向隔板38、12块第二径向隔板38a和18块第三径向隔板38b组成各区面积基本相等的37区隔板3a3并焊为一体。各隔板的高度相同宜取80-100mm和随着隔板序号增加而增大的宽度宜取10-20mm。各隔板单排或双排均匀开有随着隔板宽度不同而直径不同的细长轴向孔39。隔板十字交叉处的周向隔板上和外圈径向隔板的最外边开有小孔径细长轴向孔39a。整体底座36设置与各隔板尺寸相配的氢输送槽组40并设置外侧壁41用来与连接集合环10焊接固定。

如图2至图5所示，大推力三组元推力室，喷注器盘11的喷注面开有用双排喷注孔弧段板组12翻边焊封闭的宽周向槽组42、用单排喷注孔弧段板组12a翻边焊封闭的窄周向槽组42a及用喷注径向板13翻边焊封闭的3条窄径向槽43。还开有用37区隔板3a3的整体底座36焊接封死的隔板下面环形槽组44和隔板下面径向槽组45且随着隔板序号的增大而增加槽的宽度。

如图2和图3所示，大推力三组元推力室，承力座4和喷注器盘11的中央设置电点火器用管道46用来在推力室点火起动时把电点火器产生的火炬引入推力室内。液氢进入推力室内的时间宜早于火炬进入时间0.1-0.2秒。液氧进入推力室内的时间宜晚于火炬进入时间0.1-0.2秒。煤油进入推力室内的时间宜晚于液氧进入时间0.1-0.2秒。

如图1所示，大推力三组元推力室，第一种传统身部2a取消身部煤油进入管34和身部煤油输出管35并把液氢进入管33的位置由喉部下游移至靠近喷管出口处而成为全用液氢再生冷却和无冷却环带的第二种传统身部2b。由此构成第二种全用液氢冷却身部的300-600吨推力三组元推力室。

如图2和图6所示，大推力三组元推力室，头部煤油进入管16上焊接一个煤油三通管47。在气氢输出管17上焊接一个气氢三通管48。煤油三通管47和气氢三通管48之间设置一个气氢阀门49。切换燃料时在切断煤油三通管47中的煤油流动后间隔0.1秒至0.3秒开启气氢阀门49使得气氢进入煤油管路从煤油自击对21、煤油斜孔22和煤油小轴向孔23喷入推力室与富氧气燃烧。喷注器盘11的隔板下面径向槽组45可改用最大深度不大于15％盘直径的外圈斜底径向槽50。由此构成第三种切换燃料转氢氧的300-600吨前期推力三组元推力室。

如图2、图3和图5所示，大推力三组元推力室，有底座排放再生冷却隔板3a中的37区隔板3a3增加第四周向隔板37c和24块第四径向隔板38c而成为61区隔板3a4。直径1.5-1.9m的喷注器盘11增加24个第四圈扇形区19c。增加第四承力连接件9c。由此构成分段冷却或全用液氢冷却身部乃至切换燃料的600-1000吨推力三组元推力室。

如图2、图6、图7和图8所示，大推力三组元推力室，有底座排放再生冷却隔板3a中的37区隔板3a3取消第三周向隔板37b和18块第三径向隔板38b而成为19区隔板3a2。直径0.85-1.05m的喷注器盘11取消18个第三圈扇形区19b。取消第三承力连接件9b。由此构成分段冷却或全用液氢冷却身部乃至切换燃料的200-300吨推力三组元推力室。