專利名稱：一種氧化亞氮單組元推力器及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天器微推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化亞氮單組元推力器及其設(shè) 計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，世界航天界興起了發(fā)展微型航天器的熱 潮。微小衛(wèi)星具有體積小、質(zhì)量輕、發(fā)射靈活、反應(yīng)快速、研制周期短以及功能密度比和性價(jià) 比高等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于通信、導(dǎo)航、偵察、遙感、地球環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象等領(lǐng)域，應(yīng)用前 景十分廣闊。發(fā)展微小衛(wèi)星技術(shù)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防建設(shè)具有重要意義，積極開展微型 航天器研制已經(jīng)成為必然。微推進(jìn)系統(tǒng)主要用于微型航天器的姿態(tài)控制、精確定位、位置保持、阻力補(bǔ)償、軌 道機(jī)動(dòng)等方面。微推進(jìn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星編隊(duì)飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一，它具有集成化程度 高、體積小、質(zhì)量輕、成本低、響應(yīng)速度快、推力(或沖量脈沖)小、功耗低和可靠性高等特 點(diǎn)。微推進(jìn)技術(shù)的種類很多，如冷氣推進(jìn)、基于胼的微推進(jìn)、固體微推進(jìn)和電推進(jìn)等等。在傳統(tǒng)的微推進(jìn)系統(tǒng)中，如參考文獻(xiàn)1 Jeffrey G R, Raymond J S，Manuel M S. Micropropulsion system selection for ρ recision formation flying satellites[R], A IAA 200123646,2001.和參考文獻(xiàn) 2 :Zakirov V A, Goeman V, Lawrence T J, et al. Surrey research on nitrous oxide catalyticdecomposition for spaceapp lications[A], 14th Annual A IM/USC Conference on Small Satellites,2000.中記載， 冷氣推進(jìn)(主要是氮?dú)?系統(tǒng)，簡(jiǎn)單可靠，成本低，所需工質(zhì)廉價(jià)無(wú)毒。但高壓儲(chǔ)存容易產(chǎn) 生閥門泄漏問題，且推進(jìn)劑密度比沖較低，應(yīng)用范圍還受到了貯箱容積的限制?；陔莸膯?組元推進(jìn)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可靠性高，響應(yīng)很快，能夠反復(fù)啟動(dòng)，可用于姿態(tài)控制、軌道 維持和軌道機(jī)動(dòng)。但該推進(jìn)劑有劇毒，安全防范要求高。固體推進(jìn)劑推進(jìn)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊 湊，無(wú)推進(jìn)劑泄漏問題。但固體推進(jìn)劑需要安全防范，且一旦點(diǎn)火通常無(wú)法再重新啟動(dòng)，無(wú) 法滿足微小衛(wèi)星姿態(tài)控制的需求。電推進(jìn)的比沖很高，可重復(fù)啟動(dòng)，控制精度高。但是電推 進(jìn)在很大程度上受限于電源功率，靜電和電磁推進(jìn)的能量需求(大于100W)遠(yuǎn)大于微型航 天器的能量供應(yīng)(一般小于50W)；而功率范圍比較適合于微型航天器的PPT和FEEP又存 在羽流污染的問題，而且PPT效率很低(5%-15%)，F(xiàn)EEP則需要很高的電壓。傳統(tǒng)化學(xué)雙 組元推進(jìn)系統(tǒng)通過縮小尺寸應(yīng)用于小衛(wèi)星的技術(shù)難度大、費(fèi)用較高，且推進(jìn)劑通常有毒性、 易燃，還會(huì)遇到諸如尺寸減小后燃燒效率降低、噴管或噴注器易堵塞、沖量難以精確控制、 燃燒不完全造成污染等一系列問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，為突破傳統(tǒng)微推進(jìn)系統(tǒng)在安全及使用性能方面的諸 多限制，本發(fā)明提出一種氧化亞氮單組元推力器及其設(shè)計(jì)方法。該推力器所采用的氧化亞 氮無(wú)毒，無(wú)污染、無(wú)腐蝕，常溫下穩(wěn)定性好；且氧化亞氮的飽和蒸汽壓較高(約50atm)，可自增壓實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑擠壓輸運(yùn)；氧化亞氮用作液化氣推進(jìn)時(shí)，其密度比沖較氮?dú)獾壤錃馔七M(jìn) 劑的高，當(dāng)被加熱到520°C以上時(shí)，氧化亞氮發(fā)生放熱分解，生成氧氣和氮?dú)?，其組成接近空 氣，分解反應(yīng)的最高溫度可達(dá)1640°C左右；其分解產(chǎn)生的熱氣可以作為飛行器的熱源或動(dòng) 力源，所需功率小，甚至用于生命維持系統(tǒng)所需的氣體來(lái)源。并且該氧化亞氮單組元推力器 的輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本發(fā)明提出一種氧化亞氮單組元推力器，主要包括電磁閥、推進(jìn)劑前導(dǎo)管、分解室 和噴管。所述的分解室由順次連接的分解室前腔、催化床和分解室后腔三部分組成。所述 的分解室前腔、催化床和分解室后腔均為圓柱形中空結(jié)構(gòu)，所述的分解室前腔和分解室后 腔的截面面積大于催化床的截面面積。且所述的分解室前腔與催化床連接處設(shè)置為逐漸縮 小截面面積的錐形結(jié)構(gòu)，所述的分解室后腔與催化床相連接的位置也設(shè)置為逐漸縮小截面 面積的錐形結(jié)構(gòu)。所述的催化床與分解室前腔相連接的位置為催化床入口端，催化床與分 解室后腔相連接的位置為催化床出口端。所述的催化床入口端通過推進(jìn)劑前導(dǎo)管與電磁閥 相連接。氧化亞氮?dú)怏w通過電磁閥的控制經(jīng)推進(jìn)劑前導(dǎo)管流入分解室。所述的催化床出口 端與噴管相連接。與催化床入口端的相連接的推進(jìn)劑前導(dǎo)管的連接處設(shè)置為球面結(jié)構(gòu)，且推進(jìn)劑前 導(dǎo)管與催化床入口端連接之間還設(shè)置有前孔板。與催化床出口端相連接的噴管在連接處設(shè) 置為球面結(jié)構(gòu)，且催化床出口端與噴管連接之間還設(shè)置有后孔板。所述的分解室前腔通過 球面與錐面的接觸進(jìn)行硬密封，實(shí)現(xiàn)與推進(jìn)劑前導(dǎo)管的外壁密封與固定。所述的分解室后 腔也通過球面與錐面的接觸進(jìn)行硬密封，實(shí)現(xiàn)與噴管的外壁的密封與固定。所述的催化床和噴管的外表面纏繞有鎧裝電熱絲，用于對(duì)催化床進(jìn)行加熱。所述 的催化床在靠近催化床出口端的方向分別焊接有熱電偶接管嘴和壓力傳感器接管嘴，并與 催化床內(nèi)部腔體連通，所述的熱電偶接管嘴內(nèi)設(shè)置有熱電偶，熱電偶深入至催化床的中軸 線位置，用于測(cè)量催化床內(nèi)氣體的溫度，熱電偶與熱電偶接管嘴間通過球頭及錐面配合進(jìn) 行線密封。所述的壓力傳感器接管嘴與壓力傳感器相連接，并采用錐面密封，用于測(cè)量催化 床內(nèi)氣體的壓力。所述的分解室、噴管和鎧裝電熱絲的外表面依次包裹有耐高溫玻璃布和 鋁箔層。根據(jù)本發(fā)明提出的氧化亞氮單組元推力器，本發(fā)明還提出關(guān)于該推力器具體應(yīng)用 時(shí)的設(shè)計(jì)方法，具體包括以下幾個(gè)步驟第一步根據(jù)推力量級(jí)要求F計(jì)算推進(jìn)劑的流量需求Mf ；(1)根據(jù)本發(fā)明中催化床設(shè)計(jì)的工作壓力P。，一般為0. 1 IMPa，開展熱力計(jì)算獲 得氧化亞氮絕熱燃燒溫度Tad、分解產(chǎn)物平均比熱比k及分解產(chǎn)物平均摩爾質(zhì)量Mo 一般當(dāng) 工作壓力 Pc 設(shè)計(jì)為 0. 1 IMPa 時(shí)，Tad = 1926K, k = 1. 293，M = 29. 3g/mol。(2)根據(jù)噴管擴(kuò)張比ε，一般為100 300，和利用公式
權(quán)利要求
1.一種氧化亞氮單組元推力器，其特征在于包括電磁閥、推進(jìn)劑前導(dǎo)管、分解室和噴 管；所述的分解室由順次連接的分解室前腔、催化床和分解室后腔組成；催化床與分解室 前腔相連接的位置為催化床入口端，催化床與分解室后腔相連接的位置為催化床出口端； 催化床入口端通過推進(jìn)劑前導(dǎo)管與電磁閥相連接，催化床出口端與噴管相連接；所述的催 化床和噴管的外表面纏繞有鎧裝電熱絲，所述的催化床在靠近催化床出口端的方向上分別 焊接有熱電偶接管嘴和壓力傳感器接管嘴，熱電偶接管嘴和壓力傳感器接管嘴均與催化床 內(nèi)部腔體連通，所述的熱電偶接管嘴內(nèi)設(shè)置有熱電偶，熱電偶深入至催化床的中軸線位置， 所述的壓力傳感器接管嘴與壓力傳感器相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化亞氮單組元推力器，其特征在于所述的分解室前 腔、催化床和分解室后腔均為圓柱形中空結(jié)構(gòu)，分解室前腔和分解室后腔的截面面積大于 催化床的截面面積，分解室前腔與催化床連接處設(shè)置為逐漸縮小截面面積的錐形結(jié)構(gòu)，分 解室后腔與催化床相連接的位置也設(shè)置為逐漸縮小截面面積的錐形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化亞氮單組元推力器，其特征在于所述的推進(jìn)劑前 導(dǎo)管與催化床入口端連接處設(shè)置為球面結(jié)構(gòu)，且連接處設(shè)置有前孔板；所述的催化床出口 端與噴管的連接處設(shè)置有為球面結(jié)構(gòu)，且設(shè)置有后孔板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種氧化亞氮單組元推力器，其特征在于所述的分解室前 腔通過球面與錐面的接觸進(jìn)行硬密封，實(shí)現(xiàn)與推進(jìn)劑前導(dǎo)管的外壁密封與固定；所述的分 解室后腔也通過球面與錐面的接觸進(jìn)行硬密封，實(shí)現(xiàn)與噴管的外壁的密封與固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化亞氮單組元推力器，其特征在于所述的熱電偶接 管嘴和壓力傳感器接管嘴的焊接位置分別位于催化床的側(cè)壁相對(duì)對(duì)稱的位置上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氧化亞氮單組元推力器，其特征在于所述的分解室、噴 管和鎧裝電熱絲的外表面依次包裹有耐高溫玻璃布和鋁箔層。
7.一種氧化亞氮單組元推力器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下幾個(gè)步驟第一步根據(jù)推力量級(jí)要求F計(jì)算推進(jìn)劑的流量需求Mf (1)根據(jù)本發(fā)明中催化床設(shè)計(jì)的工作壓力P。，開展熱力計(jì)算獲得氧化亞氮絕熱燃燒溫 度Tad、分解產(chǎn)物平均比熱比k及分解產(chǎn)物平均摩爾質(zhì)量M ；(2)根據(jù)噴管擴(kuò)張比ε，利用下列公式計(jì)算噴管推力系數(shù)Cf
全文摘要
本發(fā)明提出一種氧化亞氮單組元推力器及其設(shè)計(jì)方法。所述的推力器主要包括電磁閥、推進(jìn)劑前導(dǎo)管、分解室和噴管。該推力器所采用的氧化亞氮無(wú)毒，無(wú)污染、無(wú)腐蝕，常溫下穩(wěn)定性好；且氧化亞氮的飽和蒸汽壓較高，可自增壓實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑擠壓輸運(yùn)；氧化亞氮用作液化氣推進(jìn)時(shí)，其密度比沖較氮?dú)獾壤錃馔七M(jìn)劑的高，當(dāng)被加熱到520℃以上時(shí)，氧化亞氮發(fā)生放熱分解，生成氧氣和氮?dú)?，其組成接近空氣，分解反應(yīng)的最高溫度可達(dá)1640℃左右；其分解產(chǎn)生的熱氣可以作為飛行器的熱源或動(dòng)力源，所需功率小，甚至用于生命維持系統(tǒng)所需的氣體來(lái)源，并且該氧化亞氮單組元推力器的輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)F02K9/42GK102108916SQ20111004962
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者吳靖, 孫威, 方杰, 李茂 , 蔡國(guó)飆, 韓樂 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)