小型气氢气痒火箭发动机技术

一、项目概述

本文介绍一台氢氧火箭发动机试车台的设计与制作过程。

发动机采用边电解边燃烧的供气方式，氢气和氧气由两个独立电解罐分别产生，通过滑动变阻器分别调节两路电流大小，控制产气速率及混合比。整个系统不设储气罐，边产边烧，避免高压储气带来的安全风险。

喷注盘采用内圈氢气、外圈氧气的结构，两路气体在喷注盘下游的燃烧室内混合燃烧，管路内不形成预混气体，从根源上杜绝爆轰风险。

测控主板以ESP32-S3为核心，集成压力传感器（推力测量）、热电偶测温、舵机阀控、高压包点火、LoRa无线数传、SD卡本地存储及数码管现场显示，构成完整的闭环测控系统。

所有原理图、PCB文件、BOM清单及3D打印外壳模型均已开源，可供航天爱好者及极客参考复现。

二、系统架构

整个试车台系统分为三大部分：

三个子系统协同工作，实现“供气→点火→燃烧→采集”全流程闭环。

三、供气系统设计

3.1 电解制气

采用两个独立电解罐分别产氢和产氧。电解罐使用316不锈钢作为电极材料，电解液采用氢氧化钾溶液。

两个电解罐独立供电，通过外接滑动变阻器分别调节电流大小。电流增大时产气量增加，电流减小时产气量减少。由于氢气和氧气的产生速率与电流成正比，调节两路电流即可独立控制氢气和氧气的产气比例，实现混合比调节。

3.2 供气通断控制

供气通断采用舵机配合手动阀实现。舵机通过PWM信号控制旋转角度，驱动手动阀阀杆旋转，实现管路的打开与关闭。

这种方案的优点在于：手动阀本身采用金属硬密封，对氢气的密封性能优于普通电磁阀；舵机与气体不直接接触，无密封问题；断电时阀门可保持在当前位置，不会因失电自动开启，也不会意外关闭。

氢气路和氧气路各设一路舵机+手动阀，由ESP32的两路PWM独立控制，可实现氢气、氧气分别开启和关闭，满足点火时序要求。

四、发动机本体设计

4.1 喷注盘

喷注盘采用内圈氢气、外圈氧气的同心环孔结构。氢气从内圈喷出，氧气从外圈喷出，两路气体在喷注盘下游的燃烧室内交汇混合。

这种设计的优势在于：氢气和氧气在进入燃烧室之前完全隔离，管路内不存在预混气体；两路气流在燃烧室内形成撞击混合，提高混合效率；燃烧区域远离喷注盘表面，避免喷注盘过热损坏。

4.2 燃烧室与喷管

燃烧室采用316不锈钢加工，内壁光洁度要求较高，以减少流动损失。喷管设计为可更换式喉部结构，喉部烧损后可单独更换，无需报废整个喷管。

燃烧室侧壁预留压力传感器安装接口及热电偶安装孔。

五、测控主板设计

5.1 主控单元

主控采用ESP32-S3-WROOM-1（N16R8），支持WiFi、蓝牙及原生USB下载。EN脚通过10kΩ电阻上拉至3.3V，并外接复位按键至GND，实现硬件复位。

5.2 电源系统

电源采用三级架构：

第一级保护电路包含自恢复保险丝、TVS管（SMAJ15A）及防反接二极管（1N4007），确保电源安全。

5.3 传感器采集

推力测量：采用压力传感器（量程70kg），安装于发动机与试车台架之间，测量发动机工作时产生的推力。传感器输出毫伏级差分信号，经HX711模块放大及模数转换后，通过数字接口接入ESP32。

温度测量：采用K型热电偶测量喷管壁面温度，经MAX6675冷端补偿芯片转换为数字信号，通过SPI总线接入ESP32。

5.4 执行器控制

舵机控制：氢气阀和氧气阀各由一路舵机驱动。ESP32输出两路PWM信号（GPIO17/18），分别控制两路舵机的旋转角度，实现阀门开度调节。

点火控制：采用高压包点火，由ESP32单路GPIO（GPIO15）控制。点火前需满足急停未触发、阀门已开启等条件，由软件实现安全联锁。

急停保护：硬件急停按钮接入GPIO6，按下时触发中断，程序立即关闭所有阀门及点火输出。

5.5 数据通信与存储

无线数传：采用E22-900M22S LoRa模块，基于SX1262方案，通过SPI总线接入ESP32（SCK/GPIO19、MOSI/GPIO20、MISO/GPIO21、NSS/GPIO35）。模块支持约1~3公里空旷传输距离，满足试车现场远距离监控需求。

本地存储：MicroSD卡座（DM3D-SF）通过SPI总线与LoRa模块共用SCK、MOSI、MISO，CS单独使用GPIO38。数据同时存储于SD卡，防止无线传输丢包。

现场显示：采用TM1650驱动4位数码管，通过I2C总线接入ESP32（SCL/GPIO39、SDA/GPIO40），实时显示推力及温度数值，便于现场观察。

六、机械结构

试车台架采用2020铝型材搭建，整体尺寸约500×400×450mm。

发动机通过管卡固定在底座上，压力传感器一端连接发动机，一端连接固定底座。舵机安装在顶部横梁上，通过连杆与手动阀阀杆连接。测控主板固定于侧面支架上，所有传感器及执行器通过XH2.54连接器与主板连接。

外壳采用PLA 3D打印制作，PCB通过M3热熔螺母固定于外壳内。

七、注意事项

1. 试车区域必须保持通风良好，严禁在密闭空间内进行点火测试；

2. 氢气管路建议使用不锈钢或铜管，避免使用普通橡胶软管；

3. 舵机与手动阀之间的机械连接需预留活动间隙，确保阀门能完全关死；

4. 高压包点火模块与主控板之间建议保持物理距离，避免高压放电干扰；

5. 压力传感器安装时需确保受力方向与发动机推力轴线重合；

6. 热电偶探头需与喷管壁面紧密接触，可涂导热硅脂提升响应速度；

7. 首次试车前必须先进行冷流测试（只通气不点火），验证供气通断时序；

8. 试车时操作人员应站在安全距离外，使用LoRa无线远程监控；

9. 每次试车后需用氮气或压缩空气吹扫管路，清除残余气体；

10. 现场建议配备干粉灭火器。

八、结语

本文完整介绍了一台氢氧火箭发动机试车台的设计与制作过程，从供气系统、发动机本体到测控主板，涵盖原理设计、电路方案、机械结构及注意事项。