CN103711610A - 一种基于液氧的rbcc燃气发生器一体化供应与调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，包括增压单元、供应单元、发动机本体以及连接管路单元；增压单元用于对供应单元进行增压；供应单元通过连接管路单元与发动机本体连接并对发动机本体进行推进剂供应。本发明克服了火箭推力室和冲压燃烧室各自单独供应燃油导致的系统复杂、庞大的缺点，综合了液氧、过氧化氢和煤油推进剂的各自优势，发动机比冲和密度比冲高，满足组合发动机一体化燃油供应与一体化冷却结构设计要求，系统使用维护技术成熟，系统构成相对简单，容易实现。

Description

一种基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统

技术领域

本发明属于机械发动机领域，涉及一种发动机燃油系统，尤其涉及一种适用于长时间工作并基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统。

背景技术

火箭基组合循环（Rocket Based Combined Cycle，RBCC）发动机是基于可重复使用单级入轨飞行器而提出的一种先进推进系统，综合了火箭发动机高推重比和冲压发动机高比冲的工作特性，具备全空域、全速域工作能力，已经在总装备部的支持下开展研究工作。

目前，RBCC发动机主要由进气道、火箭推力室、冲压燃烧室、尾喷管和燃油供应与调节系统等组成；但是由于RBCC发动机涉及火箭和冲压两大核心组件动力系统，如果对上述两种组件采用单独供应的方式，一方面系统复杂且庞大，对发动机的工程应用带来很大限制；另一方面对组合发动机而言，在有限的推进剂流量下，单独供应，无法实现整体结构冷却，必须考虑整体设计的冷却结构，在这种情况下，采用一体化的燃油供应系统是唯一的选择。

因此急需一种能够克服现有组合发动机火箭推力室和冲压燃烧室单独设置的燃油供应与调节系统，解决各自供应和调节、系统复杂且不能进行一体化冷却的不足缺陷的RBCC燃气系统。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术缺陷，本发明提供一种结构简单，能够一体化冷却、调节和供应的基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供一种基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，其特殊之处在于：包括增压单元、供应单元、发动机本体以及连接管路单元；所述增压单元用于对供应单元进行增压；所述供应单元通过连接管路单元与发动机本体连接并对发动机本体进行推进剂供应；

所述供应单元包括煤油供应组件、过氧化氢供应组件、液氧供应组件；

所述煤油供应组件包括煤油贮箱以及分别设置在煤油贮箱上的煤油止回阀、煤油放气阀和煤油电爆阀；

所述过氧化氢供应组件包括过氧化氢贮箱以及分别设置在过氧化氢贮箱上的过氧化氢止回阀、过氧化氢放气阀和过氧化氢电爆阀；

所述液氧供应组件包括液氧贮箱以及分别设置在液氧贮箱上的液氧止回阀、液氧放气阀和液氧电爆阀；

所述发动机本体包括沿空气流入方向依次连接设置的进气道、冲压燃烧室、火箭推力室以及尾喷管；

所述连接管路单元包括煤油供应管路、过氧化氢供应管路以及液氧供应管路；

所述煤油供应管路的一端与煤油电爆阀连接，另一端分别与冲压燃烧室、火箭推力室连接；

所述煤油供应管路沿气体挤压方向依次设置有燃料泵、第一煤油路断流阀、第二煤油路断流阀以及第三煤油路断流阀；所述第一煤油路断流阀设置在冲压燃烧室与煤油供应管路连接处；所述第二煤油路断流阀设置在火箭推力室与煤油供应管路连接处；所述第二煤油路断流阀入口处还设置有煤油路流量调节器；所述第三煤油路断流阀设置在冲压燃烧室与煤油供应管路连接处；

所述液氧供应管路的一端与液氧电爆阀连接；另一端与火箭推力室连接；

所述液氧供应管路沿气体挤压方向依次设置有氧化剂泵以及液氧路断流阀；所述液氧路断流阀设置在火箭推力室与液氧供应管路连接处；

所述过氧化氢供应管路的一端与过氧化氢电爆阀连接；另一端分成过氧化氢燃料路和过氧化氢氧化剂路两条支路；

所述过氧化氢供应管路的过氧化氢燃料路沿气体挤压方向依次连接设置有燃料路流量调节器、燃料路断流阀、燃料路燃气发生器以及燃料路涡轮；所述燃料路涡轮与燃料泵连接并带动燃料泵工作；

所述过氧化氢供应管路的过氧化氢氧化剂路沿气体挤压方向依次连接设置有氧化剂路流量调节器、氧化剂路断流阀、氧化剂路发生器以及氧化剂路涡轮；所述氧化剂路涡轮与氧化剂泵连接并带动氧化剂泵工作。

上述增压单元包括沿气体挤压方向依次连接设置的充气阀、气瓶、电爆阀、过滤器、一级减压阀以及二级减压阀；所述过氧化氢止回阀与一级减压阀连接；所述煤油止回阀和液氧止回阀分别与二级减压阀连接；

上述还包括点火单元；所述点火单元包括点火组件以及点火管路；

所述点火组件包括点火剂贮箱以及设置在点火剂贮箱上的点火止回阀；所述点火止回阀与二级减压阀连接；

所述点火管路的一端与点火组件的点火剂贮箱连接，另一端与火箭推力室连接；所述点火管路上设置有点火断流阀且至少设置一个；

上述煤油供应管路上至少设置两个断流阀；所述液氧供应管路上至少设置一个断流阀；所述过氧化氢供应管路上至少设置两个断流阀；

上述还包括吹除管路；所述吹除管路的一端与增压单元连接，另一端分别于煤油供应管路、液氧供应管路以及点火管路连接；所述吹除管路与煤油供应管路、液氧供应管路、点火管路的连接处均设置有断流阀；

上述吹除管路的一端与二级减压阀连接；

上述气瓶中充入的气体为高压氮气。

本发明的优点：

1、本发明提供的基于液氧、过氧化氢和煤油可贮存推进剂的RBCC发动机一体化燃油供应系统，克服了火箭推力室和冲压燃烧室各自单独供应燃油导致的系统复杂、庞大的缺点，综合了液氧、过氧化氢和煤油推进剂的各自优势，发动机比冲和密度比冲高，满足组合发动机一体化燃油供应与一体化冷却结构设计要求，系统使用维护技术成熟，系统构成相对简单，容易实现。

2、组合发动机火箭推力室和冲压燃烧室采用泵压和挤压一体化供应系统，利用过氧化氢催化分解燃气驱动涡轮泵，实现液氧和煤油泵压式供应，过氧化氢采用单独贮箱的挤压式供应，系统设计难度低，且满足发动机长时间工作要求。

3、火箭推力室采用化学点火剂点火方式，点火系统简单、紧凑、可靠。

4、组合发动机采用一体化再生冷却结构，火箭推力室和冲压燃烧室冷却系统通盘考虑，整体优化，有利于实现发动机的可靠冷却。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

其中：1-充气阀；2-气瓶；3-电爆阀；4-过滤器；5-一级减压阀；6-二级减压阀；7-煤油止回阀，8-煤油放气阀，9-煤油贮箱，10-煤油电爆阀，11-燃料路流量调节器，12-燃料路断流阀，13-燃料路燃气发生器，14-燃料泵；15-燃料路涡轮，16-过氧化氢止回阀，17-过氧化氢放气阀，18-过氧化氢电爆阀，19-氧化剂路流量调节器，20-氧化剂路断流阀，21-氧化剂路燃气发生器，22-氧化剂路涡轮，23-氧化剂泵，24-液氧止回阀，25-液氧放气阀，26-液氧贮箱；27-液氧电爆阀，30-第一煤油路断流阀，32-煤油路流量调节器，33-第二煤油路断流阀，35-液氧路断流阀，37-第三煤油路断流阀，39-进气道，40-冲压燃烧室，41-火箭推力室，42-尾喷管，43-过氧化氢贮箱，44-点火止回阀，45-点火剂贮箱，46-点火断流阀。

具体实施方式

本发明提供一种基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，包括增压单元、供应单元、发动机本体以及连接管路单元；增压单元用于对供应单元进行增压；供应单元通过连接管路单元与发动机本体连接并对发动机本体进行推进剂供应；

供应单元包括煤油供应组件、过氧化氢供应组件、液氧供应组件；

煤油供应组件包括煤油贮箱9以及分别设置在煤油贮箱9上的煤油止回阀7、煤油放气阀8和煤油电爆阀10；

过氧化氢供应组件包括过氧化氢贮箱43以及分别设置在过氧化氢贮箱43上的过氧化氢止回阀16、过氧化氢放气阀17和过氧化氢电爆阀18；

液氧供应组件包括液氧贮箱26以及分别设置在液氧贮箱26上的液氧止回阀24、液氧放气阀25和液氧电爆阀27；

发动机本体包括沿空气流入方向依次连接设置的进气道39、冲压燃烧室40、火箭推力室41以及尾喷管42；

连接管路单元包括煤油供应管路、过氧化氢供应管路以及液氧供应管路；

煤油供应管路的一端与煤油电爆阀10连接，另一端分别与冲压燃烧室40、火箭推力室41连接；

煤油供应管路沿高压气体挤压放方向依次设置有燃料泵14、第一煤油路断流阀30、第二煤油路断流阀33以及第三煤油路断流阀37；第一煤油路断流阀30设置在冲压燃烧室40与煤油供应管路连接处；第二煤油路断流阀33设置在火箭推力室41与煤油供应管路连接处；第二煤油路断流阀33入口处还设置有煤油路流量调节器32；第三煤油路断流阀37设置在冲压燃烧室40与煤油供应管路连接处；

液氧供应管路的一端与液氧电爆阀27连接，另一端与火箭推力室41连接；

液氧供应管路沿气体挤压方向依次设置有氧化剂泵23以及液氧路断流阀35；液氧路断流阀35设置在火箭推力室40与液氧供应管路连接处；

过氧化氢供应管路的一端与过氧化氢电爆阀18连接；另一端分成过氧化氢燃料路和过氧化氢氧化剂路两条支路；

过氧化氢供应管路的过氧化氢燃料路沿气体挤压方向依次连接设置有燃料路流量调节器11、燃料路断流阀12、燃料路燃气发生器13以及燃料路涡轮15；燃料路涡轮15与燃料泵14连接并带动燃料泵14工作；

过氧化氢供应管路的过氧化氢氧化剂路沿气体挤压方向依次连接设置有氧化剂路流量调节器19、氧化剂路断流阀20、氧化剂路发生器21以及氧化剂路涡轮22；氧化剂路涡轮22与氧化剂泵23连接并带动氧化剂泵23工作。

增压单元包括沿气体挤压方向依次连接设置的充气阀1、气瓶2、电爆阀3、过滤器4、一级减压阀5以及二级减压阀6；过氧化氢止回阀16与一级减压阀5连接；煤油止回阀7和液氧止回阀24分别与二级减压阀6连接；

还包括点火单元；所述点火单元包括点火组件以及点火管路；

点火组件包括点火剂贮箱45以及设置在点火剂贮箱上的点火止回阀44；点火止回阀44与二级减压阀6连接；

点火管路的一端与点火组件的点火剂贮箱45连接，另一端与火箭推力室41连接；点火管路上设置有点火断流阀46且至少设置一个；

煤油供应管路上至少设置两个断流阀；所述液氧供应管路上至少设置一个断流阀；所述过氧化氢供应管路上至少设置两个断流阀；

还包括吹除管路；所述吹除管路的一端与增压单元连接，另一端分别于煤油供应管路、液氧供应管路以及点火管路连接；吹除管路与煤油供应管路、液氧供应管路、点火管路的连接处均设置有断流阀；

吹除管路的一端与二级减压阀6连接；

气瓶2中充入的气体为高压氮气。

1、结构原理

参见图1，本发明作为一种基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，特别是包括发动机本体，发动机本体最前端进气道39，空气通过进气道39进入冲压燃烧室40，并与火箭推力室41的燃气在冲压燃烧室进行补燃，燃烧产生的高温燃气通过尾喷管42加速排出，产生推力。

该系统还包括有液氧（氧化剂）、过氧化氢、煤油（燃料）三种推进剂，推进剂分别是处于各自的贮箱中，有煤油贮箱9、液氧贮箱26和过氧化氢贮箱43，而每个贮箱均配有各自的止回阀和放气阀；其中煤油贮箱9配有煤油止回阀7和煤油放气阀8；过氧化氢贮箱43配有过氧化氢止回阀16和过氧化氢放气阀17；液氧贮箱26配有液氧止回阀24和液氧放气阀25。

特别是，分别与上述三种推进剂所形成的供应单元连接的连接管路单元，每个供应管路均设有不止一个的断流阀；其中煤油供应管路中设置有两个断流阀，分别为第一煤油路断流阀30、第二煤油路断流阀33；液氧供应管路中设置有一个断流阀，即为液氧路断流阀35；过氧化氢供应管路设置有两个断流阀（即过氧化氢供应管路分成过氧化氢燃料路和过氧化氢氧化剂路两条支路，而每条支路上至少设置一个断流阀），而这两个断流阀分别为燃料路断流阀12、氧化剂路断流阀20。

其中，过氧化氢氧化剂路中配备有氧化剂路流量调节器19，而氧化剂路流量调节器19与氧化剂路断流阀20串联安装；过氧化氢燃料路配备有燃料路流量调节器11，而燃料路流量调节器11与燃料路断流阀12串联安装；煤油供应管路中配备煤油路流量调节器32，而煤油路流量调节器32与第二煤油路断流阀33串联安装。

特别是，系统采用过氧化氢经过氧化剂路燃气发生器21和燃料路燃气发生器13产生并分解燃气驱动氧化剂路涡轮22和燃料路涡轮15，并分别带动氧化剂泵22和燃料泵14工作，实现火箭推力室41和冲压燃烧室40的一体化泵压式燃油供应；过氧化氢通过挤压式供应氧化剂路燃气发生器和燃料路燃气发生器，催化分解产生燃气驱动涡轮。

特别是，液氧和煤油通过二级减压阀6后的低压气体挤压后，通过泵压式供应到发动机；其中液氧供应火箭推力室41，煤油供应到火箭推力室41和冲压燃烧室40；贮箱增压和吹除均采用氮气，氮气由气瓶2提供；火箭推力室通过液氧进行冷却，冲压燃烧室利用煤油进行冷却。

2、工作原理

首先通过充气阀1给气瓶2冲入高压氮气，当达到预定的工作高度前，控制系统依时序给气瓶2解锁并给电爆阀3通电，当电爆阀3打开时，高压气体经过过滤器4过滤，其中一路通过一级减压阀5减压后，对过氧化氢增压；另一路通过一级减压阀5和二级减压阀6两次减压后，分别对液氧贮箱26和煤油贮箱9增压，当贮箱压力达到额定压力并稳定时，即为推进系统处于待工作状态。

当需要系统火箭推力室工作时，液氧贮箱26启动液氧电爆阀27、过氧化氢贮箱25启动过氧化氢电爆阀18、煤油贮箱9启动煤油电爆阀10依次通电打开，对连接管路单元的管路进行充填，当液氧充填到氧化剂泵23、煤油充填到燃料泵14后；过氧化氢通过高压气体挤压至氧化剂路燃气发生器21和燃料路燃气发生器13，催化分解后产生热燃气分别驱动氧化剂路涡轮22和氧化剂泵23、燃料路涡轮15和燃料泵14工作，并向火箭推力室41和冲压燃烧室40供应推进剂。

火箭推力室41通过液氧对其身部冷却，后经过通道进入火箭推力室41头部组织燃烧；冲压燃烧室40通过全部的煤油冷却，后经过通道一部分进入火箭推力室41与液氧燃烧，另一部分作为冲压燃烧室40的燃料与空气燃烧，产生推力。

在液氧和煤油达到火箭推力室41头部前，点火断流阀46打开，向火箭推力室41头部供应点火剂，实现液氧/煤油可靠点火。

当需要发动机进行推力调节时，控制系统分别对氧化剂路流量调节器19和燃料路流量调节器11发出控制指令，改变调节器开度，氧化剂路燃气发生器21和燃料路燃气发生器13入口压力从而发生变化，燃气发生器的推进剂流量适应调节指令达到预定的平衡点，完成系统调节。

发动机工作完毕后，启动吹除系统对发动机断流阀之后的连接管路单元管路进行吹除；吹除气体为高压氮气，由气瓶2提供；吹除管路均设置有断流阀且与煤油供应管路连接处设置有4个断流阀（分别为29、31、34和38）、与液氧供应管路连接处设置有1个断流阀（36）、与点火管路连接处设置有1个断流阀（47）；当吹除指令发出后，所有断流阀打开，向吹除管路内供应高压氮气，实现吹除。

本发明基于液氧、过氧化氢和煤油三种可贮存推进剂，采用火箭推力室41和冲压燃烧室40推进剂一体化供应与调节系统；利用过氧化氢催化分解分别驱动两个涡轮泵，实现火箭推力室41和冲压燃烧室40的推进剂供应；为降低系统设计难度，过氧化氢采用单独贮箱的挤压式供应；热防护采用一体化冷却系统设计，火箭推力室41身部通过液氧进行冷却，冲压燃烧室40利用煤油进行冷却。

Claims (7)

1.一种基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，其特征在于：包括增压单元、供应单元、发动机本体以及连接管路单元；所述增压单元用于对供应单元进行增压；所述供应单元通过连接管路单元与发动机本体连接并对发动机本体进行推进剂供应；

所述供应单元包括煤油供应组件、过氧化氢供应组件、液氧供应组件；

所述煤油供应组件包括煤油贮箱以及分别设置在煤油贮箱上的煤油止回阀、煤油放气阀和煤油电爆阀；

所述过氧化氢供应组件包括过氧化氢贮箱以及分别设置在过氧化氢贮箱上的过氧化氢止回阀、过氧化氢放气阀和过氧化氢电爆阀；

所述液氧供应组件包括液氧贮箱以及分别设置在液氧贮箱上的液氧止回阀、液氧放气阀和液氧电爆阀；

所述发动机本体包括沿空气流入方向依次连接设置的进气道、冲压燃烧室、火箭推力室以及尾喷管；

所述连接管路单元包括煤油供应管路、过氧化氢供应管路以及液氧供应管路；

所述煤油供应管路的一端与煤油电爆阀连接，另一端分别与冲压燃烧室、火箭推力室连接；

所述煤油供应管路沿高压气体挤压放方向依次设置有燃料泵、第一煤油路断流阀、第二煤油路断流阀以及第三煤油路断流阀；所述第一煤油路断流阀设置在冲压燃烧室与煤油供应管路连接处；所述第二煤油路断流阀设置在火箭推力室与煤油供应管路连接处；所述第二煤油路断流阀入口处还设置有煤油路流量调节器；所述第三煤油路断流阀设置在冲压燃烧室与煤油供应管路连接处；

所述液氧供应管路的一端与液氧电爆阀连接；另一端与火箭推力室连接；

所述液氧供应管路沿高压气体挤压方向依次设置有氧化剂泵以及液氧路断流阀；所述液氧路断流阀设置在火箭推力室与液氧供应管路连接处；

所述过氧化氢供应管路的一端与过氧化氢电爆阀连接；另一端分成过氧化氢燃料路和过氧化氢氧化剂路两条支路；

所述过氧化氢供应管路的过氧化氢燃料路沿高压气体挤压方向依次连接设置有燃料路流量调节器、燃料路断流阀、燃料路燃气发生器以及燃料路涡轮；所述燃料路涡轮与燃料泵连接并带动燃料泵工作；

所述过氧化氢供应管路的过氧化氢氧化剂路沿高压气体挤压方向依次连接设置有氧化剂路流量调节器、氧化剂路断流阀、氧化剂路发生器以及氧化剂路涡轮；所述氧化剂路涡轮与氧化剂泵连接并带动氧化剂泵工作。

2.根据权利要求1所述的基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，其特征在于：所述增压单元包括沿高压气体挤压方向依次连接设置的充气阀、气瓶、电爆阀、过滤器、一级减压阀以及二级减压阀；所述过氧化氢止回阀与一级减压阀连接；所述煤油止回阀和液氧止回阀分别与二级减压阀连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，其特征在于：还包括点火单元；所述点火单元包括点火组件以及点火管路；

所述点火组件包括点火剂贮箱以及设置在点火剂贮箱上的点火止回阀；所述点火止回阀与二级减压阀连接；

所述点火管路的一端与点火组件的点火剂贮箱连接，另一端与火箭推力室连接；所述点火管路上设置有点火断流阀且至少设置一个。

4.根据权利要求3所述的基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，其特征在于：所述煤油供应管路上至少设置两个断流阀；所述液氧供应管路上至少设置一个断流阀；所述过氧化氢供应管路上至少设置两个断流阀。

5.根据权利要求3所述的基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，其特征在于：还包括吹除管路；所述吹除管路的一端与增压单元连接，另一端分别于煤油供应管路、液氧供应管路以及点火管路连接；所述吹除管路与煤油供应管路、液氧供应管路、点火管路的连接处均设置有断流阀。

6.根据权利要求5所述的基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，其特征在于：所述吹除管路的一端与二级减压阀连接。

7.根据权利要求1所述的基于液氧的RBCC燃气发生器一体化供应与调节系统，其特征在于：所述气瓶中充入的气体为高压氮气。