CN105723080A - 储压驱动的循环 - Google Patents

Abstract

根据本公开的示例性方面的推进系统除其他之外包括，选择性地从压力罐释放以驱动泵从而维持推进剂流动以主燃烧的压力剂。

Description

储压驱动的循环

相关申请

本申请要求2013年6月7日提交的美国临时申请No.61/832,421和2013年6月13日提交的美国临时申请No.61/834,566的权益，其每个以其全部内容而通过参考引入本文。

背景技术

火箭发动机布置成以燃烧至少一种推进剂，且通常布置为包含燃料和氧化剂的双推进剂系统。

一种已知类型的火箭推进系统包括燃料箱和配置成在相对低压下存储推进剂的氧化剂箱。这类系统还包括涡轮泵，其包含与至少一个泵连通的涡轮。在一个示例中，在系统的初始起动之后，主燃烧状态由通过气体发生器(例如气体发生器循环)的排气所驱动的涡轮维持。在另一个示例中，涡轮由在换热器(例如膨胀器循环)中加热的流体所驱动以维持主燃烧状态。

在另一种已知的火箭发动机中，推进剂以相对高压存储在一个或多个存储罐内。然后推进剂选择性地从存储罐释放并在不由涡轮泵增压的情况下提供给燃烧室。

发明内容

根据本公开示例性方面的推进系统除其他之外包括，选择性地从压力罐释放以驱动泵从而维持推进剂流动以用于主燃烧的压力剂。

在前述推进系统的另一个非限制实施例中，压力剂存储在500-12000psi范围内的压力罐内。

在前述推进系统的另一个非限制实施例中，压力剂膨胀通过涡轮以驱动泵。

根据本公开另一个示例性方面的推进系统除其他之外包括，存储推进剂的储罐，存储压力剂的压力罐，配置成燃烧推进剂以产生推力的推力室组件、以及与储罐流体连通的泵。泵由从压力罐选择性地释放的压力剂驱动，从而维持推进剂的流动以用于主燃烧。

在前述推进系统的另一个非限制实施例中，所述储罐是存储第一推进剂的第一储罐，推进系统还包括存储第二推进剂的第二储罐。

在前述推进系统的另一个非限制实施例中，所述泵是与第一储罐流体连通的第一泵，推进系统还包括与第二储罐流体连通的第二泵。

在前述推进系统的另一个非限制实施例中，第一泵和第二泵由从压力罐选择性地释放的压力剂驱动，从而维持第一推进剂和第二推进剂的流动以用于主燃烧。

在前述推进系统的另一个非限制实施例中，压力剂膨胀通过机械装置以驱动第一泵和第二泵中的至少一个。

在前述推进系统的另一个非限制实施例中，所述机械装置是涡轮。

在前述推进系统的另一个非限制实施例中，压力剂以500-12000psi范围内的压力存储在压力罐内。

在前述推进系统的另一个非限制实施例中，第一储罐内的缺量和第二储罐内的缺量通过选择性地从压力罐释放压力剂而调节。

根据本公开示例性方面的方法包括选择性地释放压力剂，驱动至少一个泵从而维持推进剂流动以用于主燃烧。

在前述方法的另一个非限制实施例中，压力剂选择性地释放以调节推进剂储罐内的缺量。

前面段落的实施例、示例和选择、权利要求、或下面的描述与附图，包括它们的多个方面的任何一个或各自的独立特征，可以独立地或以任意方式组合地采用。结合一个实施例所描述的特征适用于所有的实施例，除非该特征不相容。

附图说明

附图可以简要说明如下：

图1示意地画出了示例性的推进系统。

具体实施方式

图1示出了推进系统的总体示意图。在该示例中，推进系统是火箭发动机10。所示发动机10是示例性的。应当明白，本公开不限于火箭发动机，且可扩展到很多类型的推进系统。作为示例，本公开还应用于导弹、空气呼吸推进系统、和推进增压系统的环境中。作为示例，本公开还应用于单推进剂和多推进剂系统。

发动机10包括配置成存储推进剂(例如分别是燃料和氧化剂)的燃料和氧化剂存储罐12、14，涡轮泵16，和配置成燃烧推进剂并产生推力的推力室组件18。发动机10还包括配置成存储被用于驱动涡轮泵16的压力剂的压力罐20。

本公开提供一种储压驱动循环，部分原因是涡轮泵16由“存储的压力剂”(例如存储在储罐内然后从其释放以驱动涡轮泵的压力剂)驱动以维持主燃烧的推进剂流，将在下面详细解释。特别地，在发动机10的初始起动后(在某些示例中可能持续几秒的量级)，用于主燃烧的推进剂流(在某些示例中可以持续500秒的量级)由选择性地从压力罐20释放以驱动涡轮泵16的压力剂来维持。

仍参见图1的示例，燃料储罐12与燃烧推力室组件18通过第一通路C1流体连通，氧化剂储罐14通过第二通路C2与推力室组件流体连通。第一阀22可设置在燃料储罐12和涡轮泵16之间，从而选择性地调节第一通路C1内的流体的流动。同样地，第二阀24可设置在氧化剂储罐14和涡轮泵16之间，从而选择性地调节第二通路C2内的流体的流动。

压力罐20通过第三通路C3与涡轮泵16流体连通。阀26设置在压力罐20和涡轮泵16之间，从而选择性地调节第三通路C3内的流体的流动。应当明白，第一、第二和第三通路C1，C2和C3每个可以包括多个单独的管道。另外，在该示例中阀22、24和26被示出为电磁阀，但是可使用其他类型的阀。

在该示例中，燃料储罐12存储燃料，比如氢气或甲烷，但是其他类型的燃料落入本公开的范围内。氧化剂储罐14配置成存储氧化剂，比如氧气或过氧化氢，但是其他类型的氧化剂落入本公开范围内。

在一个示例中，压力剂在最高到大约12000psi的压力下存储在压力罐20内。在一个示例中，压力剂在500-12000psi的范围内存储。示例性压力剂包括氮氧化物(NO_X)、丁烷、三合气和氦气，但是本公开不限于一种具体类型的压力剂。

燃料和氧化剂在基本小于压力剂的压力下存储。作为示例，尽管压力剂在最高到大约12000psi的压力下存储，在另一方面，燃料和氧化剂例如在大约70psi量级的压力下被分别存储在其各自的罐12，14内。

回到图1，涡轮泵16包括至少一个涡轮和配置成被驱动以在燃烧前将推进剂加压的至少一个泵。在该示例中，涡轮泵16包括与第一通路C1流体连通的第一泵P1、与第二通路C2流体连通的第二泵P2、以及与第三通路C3流体连通的涡轮28。应当明白，根据应用，涡轮泵16可包括一个或多个涡轮，以及一个或多个泵。示例性的涡轮泵16还包括将涡轮28机械地连接到第一和第二泵P1，P2的轴30，从而使涡轮28的旋转驱动第一和第二泵P1，P2。本公开还适用于其中使用除涡轮泵之外的机械装置来驱动泵P1，P2的系统。

推力室组件18一般包括燃烧室32和具有喉部34和裙部36的喷嘴。作为本领域中已知的，推进剂(在该示例中是燃料和氧化剂)被提供至燃烧室32用于燃烧。然后，燃烧产物被膨胀和加速以施加推进力。

在一个示例中，发动机10包括控制器38以选择性地控制各种阀门，以及还控制发动机10的运行。但是，控制器38不是必要的，发动机10可以在没有控制器的情况下运行。在一个示例中，发动机10采用机械调节技术运行，比如包括逆止阀和正时机构的那些。

本领域技术人员应当明白，控制器38可包括实时处理来自发动机的输入的微处理器。控制器38可包括硬件和软件。硬件由电路板上的电子元件构成，其中之一是微控制器芯片(CPU)。控制器38能存储软件，且配置成被编程从而按需求执行功能。

在发动机运行期间，控制器38配置成选择性地调节阀门22、26和28，从而使存储在压力罐20内的压力剂选择性地从压力罐20释放，然后膨胀通过涡轮28。涡轮28继而转动驱动轴30，驱动轴驱动泵P1，P2，从而将燃料和氧化剂加压。燃料和氧化剂被加压，然后被提供推力室组件18用于燃烧。

在涡轮28的下游，在涡轮出口28O被排出的压力剂可以或者被引导到燃烧室32，被引导以便将燃料和氧化剂储罐12，14(例如，参见缺量调节系统40，如下所述)加压，或者被排到外部。另外，尽管没有示出，燃烧器或其他能量增强装置能设置在压力罐20和涡轮28之间，以在膨胀通过涡轮28之前增强压力剂。根据需要，在不脱离本公开范围的前提下，额外的燃烧器或能量增强装置还可被包含在发动机10内的各种点位。

如上所述，燃料和氧化剂以比压力剂相对低的压力存储，因此燃料和氧化剂储罐12，14能由相对低压的材料和/或罐壁厚制成，这导致较少的费用和/或提供相对轻的罐。尽管以相对低压存储，为了发动机10的高效运行，燃料和氧化剂被涡轮泵16充分地加压。压力剂以相对高压存储在压力罐内，但是压力罐20的尺寸与燃料和氧化剂储罐12，14的组合尺寸相比相对小。因此与存储高压流体相关联的不利最小化，同时维持了高效率的发动机运行。另外，降低了与典型的液体火箭发动机循环相关的复杂性。

在本公开的另一个方面，发动机10包括缺量系统40。但是不是必须包含所示的缺量系统40，燃料和氧化剂储罐12、14内的缺量可以通过一些其他方式调节。在示例性发动机10中，燃料和氧化剂以液态保持在其各自的储罐12、14内。容器上部的空余部分或缺量，必须用气体填满以保证燃料和氧化剂在一定的压力下存储。

缺量系统40包括在涡轮出口28O和燃料与氧化剂储罐12、14之间延伸的第四通路C4。与通路C1-C3一样，第四通路C4可包括多个独立的管道。多个阀门42和44可设置成与第四通路C4流体连通。控制器38可与阀门42、44连通，且可以配置成按照需要从涡轮出口28O到燃料和氧化剂储罐12、14引导压力剂。尽管示出两个阀门42，44，可设置任意数量的阀门。本公开还适用于如下系统：在该系统中通路C4可从沿通路C1，C2，C3的其他位置以及总体的其他位置延伸，作为示例，比如在涡轮级之间。

虽然具有具体部件的不同示例在图中示出，本公开的实施例不限于那些特定的组合。使用来自示例中的一个的部件或特征中的某些与来自示例中的另一个的特征或部件相组合是可行的。

本领域普通技术人员将明白上述实施例是示例性的和非限制性的。也就是，对本公开的改动将落入权利要求的范围内。因而，应当研读所附的权利要求以确定其真实范围和内涵。

Claims (13)

1.一种推进系统，包括：

选择性地从压力罐释放以驱动泵从而维持推进剂流动以用于主燃烧的压力剂。

2.在权利要求1中所述的推进系统，其中，压力剂在500-12000psi范围内存储在压力罐内。

3.在权利要求1中所述的推进系统，其中，压力剂通过涡轮膨胀以驱动所述泵。

4.一种推进系统，包括：

存储推进剂的储罐；

存储压力剂的压力罐；

配置成燃烧所述推进剂以产生推力的推力室组件；

与所述储罐流体连通的泵；

其中，所述泵由从压力罐选择性地释放的压力剂驱动，从而维持推进剂的流动以用于主燃烧。

5.在权利要求4中所述的推进系统，其中，所述储罐是存储第一推进剂的第一储罐，并且其中，所述推进系统还包括存储第二推进剂的第二储罐。

6.在权利要求5中所述的推进系统，其中，所述泵是与第一储罐流体连通的第一泵，并且其中，所述推进系统还包括与第二储罐流体连通的第二泵。

7.在权利要求6中所述的推进系统，其中，第一泵和第二泵由从压力罐选择性地释放的压力剂驱动，从而维持第一推进剂和第二推进剂的流动以用于主燃烧。

8.在权利要求7中所述的推进系统，其中，压力剂膨胀通过机械装置以驱动第一泵和第二泵中的至少一个。

9.在权利要求8中所述的推进系统，其中，所述机械装置是涡轮。

10.在权利要求7中所述的推进系统，其中，压力剂以500-12000psi范围内的压力存储在压力罐内。

11.在权利要求7中所述的推进系统，其中，第一储罐内的缺量和第二储罐内的缺量由选择性地从压力罐释放的压力剂调节。

12.一种操作推进系统的方法，包括：

选择性地释放压力剂；以及

驱动至少一个泵从而维持推进剂流动以用于主燃烧。

13.权利要求12所述的方法，包括选择性地释放压力剂以调节推进剂储罐内的缺量的步骤。