CN103982332A - 一种切换燃料的火箭推力室及其供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种切换燃料的火箭推力室及其供应系统，属于过氧化氢/煤油切换成液氢补燃式火箭发动机。为了解决把过氧化氢/液氢发动机和过氧化氢/煤油发动机合而为一并实现切换燃料的问题，本发明采用适宜切换燃料的头部四底三腔結构、富氢气和超富氢气与煤油共用的组合式燃料喷嘴、切换燃料前后连续喷注热的富氧气的直孔式氧化剂喷嘴和不间断地流过氧化剂进行冷却的身部、切换燃料前后都使用的过氧化氢系统、切换燃料前使用的煤油系统、切换燃料后使用的液氢系统等技术方案。本发明适用于单级入轨火箭、芯级火箭和可重复使用航天飞行器的发动机，也可不切换燃料用于又一种过氧化氢/液氢上面级火箭发动机。

Description

一种切换燃料的火箭推力室及其供应系统

技术领域

本发明涉及一种切换燃料的火箭推力室(燃烧室)及其供应系统，属于过氧化氢/煤油切换成液氢补燃式火箭发动机。

背景技术

液体火箭发动机有七十年应用历史，各国都是对一种火箭级使用一种推进剂。对于助推器和一级火箭，主要使用以液氧/煤油为代表的密度比冲高的推进剂。对于上面级火箭，主要使用以液氧/液氢为代表的比冲高的推进剂。

对于新的单级入轨火箭，如使用液氧/煤油发动机，从起飞到飞行中间的第一阶段有高的推进性能，但从飞行中间到高空关机的第二阶段有差一些的推进性能。如使用液氧/液氢发动机，虽然第二阶段飞行有高的推进性能，但第一阶段飞行的推进性能差一些。显然需要一种切换燃料的火箭发动机，在飞行中间点将煤油切换成液氢，就能取得更高的推进性能。但是，液氧/煤油发动机与液氧/液氢发动机差异大，难以切换燃料。

比液氧/煤油发动机和液氧/液氢发动机出现更早和历史更长的高浓度80％-98％过氧化氢/煤油发动机，虽然推进性能比液氧/煤油发动机还高，且是使用方便的可储存推进剂，但由于高纯度的高浓度过氧化氢的安全性不够高、价格贵和分解温度通常高达740℃-946℃，实际应用不多。因此，本人提出“一种无催化床的中等浓度(70％-79％)过氧化氢/煤油燃烧室(推力室)”(专利授权CN203604065U)，安全性高、使用性好和价格低，且与液氧/煤油推力室的推进性能相当。

本人还提出“(70％-98％)过氧化氢/液氢气体发生器和推力室”(专利申请CN103775246A)。与液氧/液氢推力室相比，虽然比冲低，但推进剂组合密度大一倍左右和密度比冲高出50％左右，用于可重复使用航天飞行器发动机和芯级火箭发动机的推进性能和综合性能都好。该发明中采取缩短催化床的措施，控制高浓度过氧化氢的分解温度不超过600℃。过氧化氢/液氢推力室与过氧化氢/煤油推力室及它们的供应系统都有较多相同之处，利于实现切换燃料。

发明内容

针对新的单级入轨火箭需要合理推进和性能更好的切换燃料火箭发动机，为了解决把过氧化氢/液氢发动机和过氧化氢/煤油发动机合而为一并实现切换燃料的问题，本发明根据切换燃料的特点和优化设计的要求，进行必要的修改和安排，提出一种切换燃料的火箭推力室及其供应系统。

本发明一种切换燃料的火箭推力室使用的氧化剂是70％-98％过氧化氢。过氧化氢有工业级和航天级两种产品。工业级是指游离酸、不挥发物、总碳、硝酸盐等杂质含量与中华人民共和国国家标准GB1616-2003规定相当并可少量添加稳定剂的产品。航天级是这些杂质和稳定剂含量极少的高纯度产品。70％-79％过氧化氢宜用航天级产品，以利于完全分解。80％-98％过氧化氢宜用工业级产品，以提高安全性和降低价格。

本发明一种切换燃料的火箭推力室在切换燃料前使用煤油燃料。主要选择航天煤油。也可选用航空煤油。本人提出的“一种与70％-98％过氧化氢自燃的(含煤油)四组分系燃料”(专利申请CN102863994A)称为自燃煤油，主要用作点火剂。

本发明一种切换燃料的火箭推力室在切换燃料后使用液氢燃料。

本发明一种切换燃料的火箭推力室由头部和身部组成。头部是适宜切换燃料的四底三腔结构：一底(喷注器面板)与二底之间是切换燃料前的煤油腔，切换燃料后则成为由液氢与气体发生器生成富氢气相混合而成的超富氢气腔，统称为燃料腔；二底与三底之间是切换燃料后的气体发生器生成富氢气腔，即第二燃料腔，切换燃料前是死腔；三底与四底(顶盖)之间是切换燃料前后共有的氧化剂腔，即反应器生成富氧气腔。头部的喷注器有富氢气和超富氢气与煤油共用的组合式燃料喷嘴，还有在切换燃料前后连续喷注富氧气的直孔式氧化剂喷嘴，其排列方式和一周六径型喷注器隔板的布置类似于上述过氧化氢/液氢推力室。对燃料喷嘴可设置或不设置易熔堵塞，在切换燃料前是喷注煤油的有切向孔离心式喷嘴；切换燃料后在富氢气的温度和压力作用下，易熔堵塞熔化脱开，同不设置易熔堵塞一样是有入口圆形直孔和切向孔的喷嘴，其中的圆形直孔流入的是富氢气和切向孔流入的是超富氢气。身部是在切换燃料前后不间断地流过氧化剂进行冷却的双层夹套结构。

本发明一种切换燃料火箭推力室的供应系统由过氧化氢系统、煤油系统和液氢系统组成。过氧化氢系统：储箱中的过氧化氢经低压阀门进入过氧化氢泵增压，经高压阀门流入推力室身部的夹套对推力室内壁进行冷却，之后流入反应器经催化床分解成温度为322℃-600℃的主要由水蒸汽和氧气组成的富氧气。富氧气驱动用来带动过氧化氢泵和煤油泵的涡轮后，进入推力室头部的富氧气腔。煤油系统：储箱中的煤油经两个低压阀门进入煤油泵增压，经高压阀门流入推力室头部的燃料腔。两个低压阀门之间是放置点火用自燃煤油的点火管。液氢系统：储箱中的液氢经低压阀门进入液氢泵增压，一路经高压阀门流入气体发生器。与此同时一小股过氧化氢从过氧化氢路的一个支路经分流阀门进入气体发生器头部，由催化床分解成与反应器类同的富氧气。富氧气与液氢进行低混合比燃烧生成温度500℃-600℃的由氢气和少量水蒸汽组成的富氢气，驱动用来带动液氢泵的第二涡轮后，一路经过单向阀进入推力室头部的富氢气腔；另一路富氢气经过单向阀与途经气蚀管和高压阀门的另一路液氢相混合，成为温度适中的超富氢气进入切断煤油供应的燃料腔。

切换燃料前只用过氧化氢系统和煤油系统，不用液氢系统。此时液氢路的各个阀门和过氧化氢分流阀门均处于关闭状态。富氧气和煤油经推力室头部的喷注器喷入推力室内燃烧，生成以水蒸汽和二氧化碳为主的气体，经推力室身部排出产生推力。

切换燃料时需打开液氢系统的各个阀门和过氧化氢分流阀门，并及时关闭煤油系统各阀门，煤油泵停转或空转。切换燃料后只用过氧化氢系统和液氢系统。富氢气、超富氢气和富氧气由推力室头部的喷注器喷入推力室内燃烧，生成含大量水蒸汽的气体，经推力室身部排出产生推力。

一种切换燃料火箭推力室及其供应系统的主要优点和有益效果：

(1)首次提出一台火箭推力室在一次飞行中先后使用两种不同液体燃料的设想和方案，以使单级入轨火箭发动机有高的推进性能。切换燃料时用超富氢气进入煤油系统，可避免发生液氢直接进入煤油系统的煤油冻结堵塞问题。加上在切换燃料前后连续喷注热的富氧气和不间断地流过再生冷却剂，可保证安全、可靠、平稳地切换燃料。

(2)燃料腔内的煤油、超富氢气可有效冷却一底(喷注器面板)，70％-98％过氧化氢可有效冷却身部，设置的喷注器隔板可有效抑制高频不稳定燃烧，由此可保证推力室可靠工作。

(3)推力室燃烧温度为1958℃-2714℃，比液氧/液氢的燃烧温度3250℃左右和液氧/煤油燃烧温度3400℃左右都低得多，改善了工作条件，减小了研制难度。富氢气温度控制在500℃-600℃，富氧气温度控制在不超过600℃，可使接触这些热气体的零件不会过热烧坏，提高工作可靠性和延长寿命。

本发明涉及一种切换燃料的火箭推力室及其供应系统，构成过氧化氢/煤油切换成液氢补燃式火箭发动机。主要适用于单级入轨火箭发动机，也适用于在地面点火启动的可重复使用航天飞行器发动机和芯级火箭发动机。该推力室还可不切换燃料用于又一种过氧化氢/液氢补燃式发动机，作为上面级火箭发动机使用。

附图说明

图1是本发明一种切换燃料的火箭推力室的头部仰视图，即喷注器排列图和喷注器隔板布置图。

图2是图1的A-A剖面图，即头部结构示意图，其中局部放大图1是有易熔堵塞的燃料喷嘴，局部放大图2是易熔堵塞熔化脱开后或不设置易熔堵塞的燃料喷嘴。

图3是推力室身部与头部焊为一体的推力室结构示意图。

图4是本发明一种切换燃料火箭推力室的供应系统简图。

具体实施方式

图1、图2和图3是本发明一种切换燃料的火箭推力室优选实施例。图4是与该推力室配套的供应系统优选实施例。

如图1至图3所示，本发明一种切换燃料的火箭推力室，由头部和身部组成，头部包括圆形一底1、环形一底2、圆形二底3、环形二底4、三底5、四底6、易熔堵塞7(或不设置)、集合器8、富氢气法兰盘9、富氧气法兰盘10和煤油或超富氢气法兰盘11，身部包括圆柱段内壁12、圆柱段外壁13、收敛段内壁14、收敛段外壁15、扩散段内壁16、扩散段外壁17、环形板18、集液环19、过氧化氢出口法兰盘20、过氧化氢法兰盘21、集合器22、尾环23、加强环24和连接环25，各零件焊接固定。一底1、2，二底3、4，三底5和四底6组成适宜把煤油切换成液氢的头部四底三腔结构，二底3、4上设置的燃料喷嘴26是有两个入口和一个出口的组合式喷嘴，三底5上设置的氧化剂喷嘴27是在切换燃料前后连续喷注富氧气的直孔式喷嘴，身部是在切换燃料前后不间断地流过氧化剂进行冷却的双层夹套结构。

头部四底三腔结构是一底1、2与二底3、4之间为煤油或超富氢气腔28，二底3、4与还设置开有加长富氧气喷孔29的喷注器隔板30的三底5之间为富氢气腔31或死腔，三底5与四底6之间为富氧气腔32。

燃料喷嘴26有煤油或超富氢气进入的切向圆孔33、富氢气进入的圆柱圆锥孔34和出口圆柱孔35。

易熔堵塞7由熔点不超过400℃的易熔合金制作，形状为上部圆柱体和下部圆锥体，与圆柱圆锥孔34吻合。

如图4所示，本发明一种切换燃料火箭推力室的供应系统，由通往推力室36的过氧化氢系统、煤油系统和液氢系统组成，过氧化氢系统包括过氧化氢箱41、低压阀门42、过氧化氢泵43、高压阀门44、推力室36冷却夹套、反应器45、涡轮46、通往推力室36富氧气腔的导管47、分流阀门48和通往气体发生器65的导管49，煤油系统包括煤油箱51、低压阀门52、点火管53、低压阀门54、煤油泵55、高压阀门56和通往推力室36煤油或超富氢气腔28的导管57，液氢系统包括液氢箱61、低压阀门62、液氢泵63、高压阀门64、气体发生器65、第二涡轮66、单向阀67、通往推力室36富氢气腔的导管68、单向阀69、通往导管57的气液导管70、汽蚀管71和出口通往气液导管70的高压阀门72，各相关部分用导管连接。过氧化氢系统是在切换燃料前后都使用，煤油系统是在切换燃料前使用，液氢系统是在切换燃料后使用，切换燃料的操作是开启阀门48、62、64和72并随即关闭阀门52、54和56。

点火管53设置在两个低压阀门52、54之间，装满点火用的自燃煤油。

气液导管70通过两根导管分别与单向阀69和高压阀门72连接，把引入的富氢气和液氢混合成超富氢气送至导管57。

汽蚀管71用来准确控制进入气液导管70的液氢流量，消耗掉液氢泵63后面与气液导管70内的液氢压力差。

Claims (8)

1.一种切换燃料的火箭推力室，由头部和身部组成，头部包括圆形一底(1)、环形一底(2)、圆形二底(3)、环形二底(4)、三底(5)、四底(6)、易熔堵塞(7)(或不设置)、集合器(8)、富氢气法兰盘(9)、富氧气法兰盘(10)和煤油或超富氢气法兰盘(11)，身部包括圆柱段内壁(12)、圆柱段外壁(13)、收敛段内壁(14)、收敛段外壁(15)、扩散段内壁(16)、扩散段外壁(17)、环形板(18)、集液环(19)、过氧化氢出口法兰盘(20)、过氧化氢法兰盘(21)、集合器(22)、尾环(23)、加强环(24)和连接环(25)，各零件焊接固定，其特征在于：所述的一底(1)、(2)，二底(3)、(4)，三底(5)和四底(6)组成适宜把煤油切换成液氢的头部四底三腔结构，所述的二底(3)、(4)上设置的燃料喷嘴(26)是有两个入口和一个出口的组合式喷嘴，所述的三底(5)上设置的氧化剂喷嘴(27)是在切换燃料前后连续喷注富氧气的直孔式喷嘴，所述的身部是在切换燃料前后不间断地流过氧化剂进行冷却的双层夹套结构。

2.根据权利要求1所述的一种切换燃料的火箭推力室，其特征在于：所述的头部四底三腔结构是一底(1)、(2)与二底(3)、(4)之间为煤油或超富氢气腔(28)，二底(3)、(4)与还设置开有加长富氧气喷孔(29)的喷注器隔板(30)的三底(5)之间为富氢气腔(31)或死腔，三底(5)与四底(6)之间为富氧气腔(32)。

3.根据权利要求1所述的一种切换燃料的火箭推力室，其特征在于：所述的燃料喷嘴(26)有煤油或超富氢气进入的切向圆孔(33)、富氢气进入的圆柱圆锥孔(34)和出口圆柱孔(35)。

4.根据权利要求1所述的一种切换燃料的火箭推力室，其特征在于：所述的易熔堵塞(7)由熔点不超过400℃的易熔合金制作，形状为上部圆柱体和下部圆锥体，与圆柱圆锥孔(34)吻合。

5.一种切换燃料火箭推力室的供应系统，由通往推力室(36)的过氧化氢系统、煤油系统和液氢系统组成，过氧化氢系统包括过氧化氢箱(41)、低压阀门(42)、过氧化氢泵(43)、高压阀门(44)、推力室(36)冷却夹套、反应器(45)、涡轮(46)、通往推力室(36)富氧气腔的导管(47)、分流阀门(48)和通往气体发生器(65)的导管(49)，煤油系统包括煤油箱(51)、低压阀门(52)、点火管(53)、低压阀门(54)、煤油泵(55)、高压阀门(56)和通往推力室(36)煤油或超富氢气腔(28)的导管(57)，液氢系统包括液氢箱(61)、低压阀门(62)、液氢泵(63)、高压阀门(64)、气体发生器(65)、第二涡轮(66)、单向阀(67)、通往推力室(36)富氢气腔的导管(68)、单向阀(69)、通往导管(57)的气液导管(70)、汽蚀管(71)和出口通往气液导管(70)的高压阀门(72)，各相关部分用导管连接，其特征在于：所述的过氧化氢系统是在切换燃料前后都使用，所述的煤油系统是在切换燃料前使用，所述的液氢系统是在切换燃料后使用，切换燃料的操作是开启阀门(48)、(62)、(64)和(72)并随即关闭阀门(52)、(54)和(56)。

6.根据权利要求5所述的一种切换燃料火箭推力室的供应系统，其特征在于：所述的点火管(53)设置在两个低压阀门(52)、(54)之间，装满点火用的自燃煤油。

7.根据权利要求5所述的一种切换燃料火箭推力室的供应系统，其特征在于：所述的气液导管(70)通过两根导管分别与单向阀(69)和高压阀门(72)连接，把引入的富氢气和液氢混合成超富氢气送至导管(57)。

8.根据权利要求5所述的一种切换燃料火箭推力室的供应系统，其特征在于：所述的汽蚀管(71)用来准确控制进入气液导管(70)的液氢流量，消耗掉液氢泵(63)后面与气液导管(70)内的液氢压力差。