双组元氧化亚氮发动机的制作方法

本发明涉及动力设备技术领域，具体而言，涉及一种双组元氧化亚氮发动机。

背景技术：

近来自增压的火箭推进剂越来越受到研究人员兴趣。具体来说，氧化亚氮作为一种用于火箭自增压液体氧化剂。氧化亚氮在室温下具有大约730psi（5.03mpa）的饱和蒸气压（pv）。氧化亚氮的一些重要热力学性质见表1。这使得氧化亚氮成为一种有吸引力的火箭动力系统推进剂，因为它可以从贮箱中排出，而不需要复杂的增压系统或涡轮泵(因此称为自增压)。氧化亚氮易存储，相对无毒，易于控制。因此，对于目前发射系统中通常使用的传统的氧化剂和单组元推进剂（如液氧（lox）、四氧化二氮（n2o4）、肼（n2h4）），它通常被认为是一种安全的替代品。

表1n2o的重要热力学性质

然而，应该指出，与所有推进剂一样，氧化亚氮的使用也有其相关的风险，因此应始终加以考虑。具体来说，氧化亚氮分解属于放热反应。在某些情况下，连续分解反应会导致压力容器压力升高导致爆炸。这类爆炸过去曾在火箭动力系统中发生过，甚至造成人员死亡。然而，在适当预防措施和控制的情况下，可以安全地使用氧化亚氮作为火箭推进剂。

用于控制卫星轨道或姿态控制等的常规发动机可分为单组元发动机(使用单一推进剂)和双组元发动机(使用含有氧化剂和燃料的推进剂)。

图1显示了常规双组元发动机示意图。该发动机1通过将例如肼(n2h4)或甲基肼（mmh），氧化剂如氧化亚氮（n2o4）分别通过电磁阀2，电磁阀5输送到燃烧室3，使燃料与氧化剂在燃烧室3中掺混、燃烧，产生高温燃气，从发动机1喷管喷出，产生推力。

上述常规发动机使用剧毒推进剂。因此，由这些发动机组成的动力系统在地面上工作时，环境保护和安全处理是必不可少。目前世界各国研究人员一直致力于开发能够使用低毒性或无毒性推进剂液体发动机。

此外，目前肼是用作卫星和航天器姿态控制单组元发动机主流推进剂，该推进剂具有高冰点（约1℃）的问题。当卫星或航天器在低温空间环境中使用时，必须对整个推进剂供给系统提供加热或者隔热装置，防止在低温环境中肼结冰，使得发动机工作失效。

氧化亚氮可以很好解决上述问题，并且氧化亚氮可以与很多烃类燃料反应，例如乙醇、甲烷、丙烷等。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种双组元氧化亚氮发动机，能够降低并最终消除液体推进剂的毒性，并提高动力系统的低温环境适应性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双组元氧化亚氮发动机，包括：推力室，所述推力室包括相互连通的分解室和燃烧室，所述分解室的容积小于所述燃烧室的容积，所述分解室内放置有催化剂，所述燃烧室上设置有第一推进剂入口和第二推进剂入口；加热装置，所述加热装置用于对所述分解室内的催化剂进行加热。

进一步地，所述加热装置为电加热装置。

进一步地，所述加热装置包括：加热器，所述加热器套设在所述分解室的外周；供电线圈，所述供电线圈用于对所述加热器供电。

进一步地，所述分解室上设置有第一入口和第二入口，所述第一入口设置在所述分解室远离所述燃烧室的一端，所述第二入口设置在所述分解室靠近所述燃烧室的一端。

进一步地，所述加热器采用耐氧化材料制备而成，所述耐氧化材料表面涂覆有高耐热性材料。

进一步地，所述耐氧化材料为sic。

进一步地，所述高耐热性材料为陶瓷。

进一步地，所述双组元氧化亚氮发动机还包括喷注器，所述喷注器设置在所述燃烧室靠近所述分解室的一端，所述第一推进剂入口、所述第二推进剂入口以及所述第二入口均与所述喷注器的入口连接。

应用本发明的技术方案，本发明的双组元氧化亚氮发动机可用于安装在火箭、卫星、航天器等中，并用于控制其轨道或姿态控制的动力系统，并且该推进剂可以在常温、低温下储存，从而能够降低并最终消除液体推进剂的毒性，并提高发动机的低温环境适应性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示意性示出了现有的双组元发动机的剖视图；

图2示意性示出了本发明的双组元氧化亚氮发动机的剖视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、推力室；11、分解室；12、燃烧室；121、第一推进剂入口；122、第二推进剂入口；131、第一入口；132、第二入口；20、加热装置；21、加热器；22、供电线圈；30、喷注器；40、催化剂。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

参见图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种双组元氧化亚氮发动机。氧化亚氮在不久的将来有可能实现低温环境约为223.15k深空探索任务。氧化亚氮的冰点为183k。

氧化亚氮作为推进剂用于双组元发动机与肼类单组元发动机工作原理相同，都需要对催化剂进行加热，在发动机工作过程中，为了防止催化剂内外温度梯度变化过大，导致催化剂产生局部应力，催化剂破损。此外，双组元发动机的情况下，当使用高饱和蒸气压氧化亚氮时，可以通过加注液体温度，获得不同的增压气体系统，即使燃料的饱和蒸气压不太高，也可以通过使用氧化亚氮气体的蒸气压来作为燃料增压气体，从而降低系统部件的数量和设计难度。为实现双组元发动机工作，氧化亚氮与烃类燃料相结合需要点火装置实现燃烧。

具体来说，本实施例中的双组元氧化亚氮发动机包括推力室10和加热装置20。

其中，推力室10包括相互连通的分解室11和燃烧室12，分解室11的容积小于燃烧室12的容积，分解室11内放置有催化剂40，燃烧室12上设置有供氧化亚氮进入的第一推进剂入口121和供其他烃类燃料进入的第二推进剂入口122；加热装置20用于对分解室11内的催化剂40进行加热。

本发明中的催化剂40为能够高效地将氧化亚氮分解成气态氧和气态氮的物质。例如，催化剂40载体为使用具有铝、镁和铑的催化剂。可选地，本发明中的催化剂40还可以适当地使用铑、钌和钯等贵金属，催化剂载体选自sio2或al2o3。使用这些催化剂，氧化亚氮可在接近100％效率下分解成气态氧和气态氮。本发明中的催化剂40设计成蜂窝或者多孔形式，该催化剂形式可以催化分解氮氧化物含量2%-3%的混合气体。

优选地，本发明中的发动机中使用以氧化铝作为载体的铑催化剂，其中氧化铝载体呈现陶瓷蜂窝结构。氧化亚氮具有稳定的化学性质，少量吸入不会对人体造成伤害，而且还被批准为食品添加剂。氧化亚氮被用于单组元发动机的推进剂时，通过催化分解产生燃气均是无毒。基于氧化亚氮的饱和蒸气压相对较高（例如，在-223.15k时约为0.64mpa，309k约为7.25mpa），在常规发动机中使用氧化亚氮作为推进剂时，可以不需要使用增压气体，氧化亚氮自身可以用作增压气体。

本发明双组元氧化亚氮发动机，其通过燃料和氧化亚氮掺混、燃烧，产生推力。由于与常规双组元氧化亚氮发动机中使用毒性的四氧化二氮（n2o4）/肼（n2h4）的推进剂不同，氧化亚氮/烃类燃料相结合不具有正常温度下自燃的特性，因此需要提供额外的点火装置。点火方式可以采用气态含氧高温燃气或者采用氧化亚氮催化分解气体与燃料混合、燃烧产生的高温燃烧气体。因此，如果利用催化分解少量氧化亚氮所产生的热能够点燃燃料与氧化亚氮混合物，则可减少点火装置和所需的点火器的推进剂，使得结构简单，减重，控制程序简化。

结合图2所示，本实施例中的燃烧室12上设置有供氧化亚氮进入的第一推进剂入口121和供其他烃类燃料进入的第二推进剂入口122，用于分别将氧化亚氮和燃料供给到燃烧室12。点火装置能量源是通过氧化亚氮自身分解实现，具体采用加热装置20加热分解室11内的催化剂40分解氧化亚氮来提供点火能量。

优选地，本实施例中的加热装置20为电加热装置，便于与火箭上的发电系统连接实现加热功能，且便于控制。当然，在本发明的其他实施例中的，还可以将加热装置20设置为其他便于操控的加热设备，只要是在本发明的构思下的其他变形方式，均在本发明的保护范围之内。

加热装置20包括加热器21和供电线圈22，其中，加热器21套设在分解室11的外周；供电线圈22用于对加热器21供电。

为了便于向分解室11内输送推进剂氧化亚氮，分解室11上设置有第一入口131和第二入口132，第一入口131设置在分解室11远离燃烧室12的一端，第二入口132设置在分解室11靠近燃烧室12的一端。

分解室11上设置有第一入口131，用于将氧化亚氮从第一入口131输送到分解室11，经过催化分解之后与燃烧室12连通。在分解室11内提供少量的分解催化剂40，在此过程中，供电线圈22通电，加热器21工作，加热催化剂40，从而实现氧化亚氮的催化分解。加热器21采用耐氧化材料制备而成，耐氧化材料表面涂覆有高耐热性材料。优选地，耐氧化材料为sic材料，高耐热性材料为陶瓷材料。碳化硅（sic）具有较高的抗氧化性和耐热性，适用温度可达1600°c左右，便于满足发动机的使用环境，提高发动机的使用寿命。

本发明的分解室11靠近燃烧室12的一端设置有第二入口132，便于向分解室11内输送燃气，与分解室11内分解的气体混合、燃烧，产生高温燃气用于燃烧室12的点火源。

本发明的双组元氧化亚氮发送机的工作如下：首先，在分解室11中，高温催化分解燃气与燃料混合，产生的高温燃烧气体输送到燃烧室12中。同时，在燃烧室12中，氧化亚氮和燃料分别从第一推进剂入口121和第二推进剂入口122供给在燃烧室12中进行掺混、燃烧，从发动机尾部的喷管喷出，产生推力。

本实施例中的双组元氧化亚氮发动机还包括喷注器30，该喷注器30设置在燃烧室12靠近分解室11的一端，第一推进剂入口121、第二推进剂入口122以及第二入口132均与喷注器30的入口连接。实际工作的过程中，推进剂均通过喷注器30进入燃烧室12。

相对于以往采用液氧（lox）、四氧化二氮（n2o4）、肼（n2h4）作为推进剂的结构而言，本实施例中的双组元氧化亚氮发动机能够降低并最终消除液体推进剂的毒性，并提高氧化亚氮发动机的低温环境适应性。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：。

本发明的双组元氧化亚氮发动机可用于安装在火箭、卫星、航天器等中，并用于控制其轨道或姿态控制的动力系统，并且该推进剂可以在常温、低温下储存，从而能够降低并最终消除液体推进剂的毒性，并提高发动机的低温环境适应性。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。