CN107237703A - 固液火箭发动机电动泵输送系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固液火箭发动机电动泵输送系统，包括高压气瓶和贮箱，高压气瓶通过管道一与贮箱连接，贮箱通过管道二连接推力室；管道一上分别安装有增压单向阀、孔板、气路高速电磁阀、贮箱排气手阀和安全阀；管道二上分别安装有加注泄出手阀、膜片阀、泵、流量调节阀和液路高速电磁阀，泵与电动机连接。通过控制气路电磁阀的启闭，调整贮箱的压力，使贮箱压力满足任务需求，当贮箱压力超过膜片阀破裂值时，膜片阀破裂，贮箱内的氧化剂经膜片阀后，由电动机驱动的泵增压，再由流量调节阀控制流量，打开液路高速电磁阀后，氧化剂按任务要求的流量和压力供应到推力室。尤其适用于小型运载火箭上的固液火箭发动机。

Description

固液火箭发动机电动泵输送系统

技术领域

本发明涉及火箭发动机领域，特别涉及一种固液火箭发动机电动泵输送系统。

背景技术

近两年商业航天蓬勃发展，涌现出SpaceX，SSTL，Skybox、GeoEye等一大批民营航天公司，尤其微小卫星发展迅速。

因此，低成本、快速发射的小型运载火箭有着巨大的商业需求。

固液混合火箭发动机结构简单、安全性好，能够快速机动发射、多次启动、推力调节，可以用于研制低成本的小型运载火箭，降低发射成本、周期，提高发射灵活性和入轨精度。

固液挤压式输送系统不适宜高室压、长时间工作的要求，涡轮泵式输送系统结构复杂，大流量调节比下涡轮泵性能降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固液火箭发动机电动泵输送系统，以解决现有技术中存在的固液挤压式输送系统不适宜高室压、长时间工作的要求，涡轮泵式输送系统结构复杂，大流量调节比下涡轮泵性能降低的技术问题。

本发明提供的固液火箭发动机电动泵输送系统，包括高压气瓶和贮箱，所述高压气瓶通过管道一与所述贮箱连接，所述贮箱通过管道二连接推力室；

所述管道一上分别安装有增压单向阀、孔板、气路高速电磁阀、贮箱排气手阀和安全阀；

所述管道二上分别安装有加注泄出手阀、膜片阀、泵、流量调节阀和液路高速电磁阀，所述泵与电动机连接。

进一步地，所述管道一包括第一连接管、两路分支管和第二连接管，所述第一连接管与所述高压气瓶连接，所述第二连接管与所述贮箱连接，所述两路分支管用于连接所述第一连接管和所述第二连接管，所述增压单向阀安装在所述第一连接管上，所述孔板和所述气路高速电磁阀安装在所述两路分支管的每一路分支管上，所述贮箱排气手阀和所述安全阀安装在所述第二连接管上。

进一步地，所述第一连接管上安装有用于测量所述高压气瓶出口压力的压力传感器和用于测量所述高压气瓶出口温度的温度传感器。

进一步地，所述第一连接管上安装有远程泄压阀。

进一步地，所述两路分支管的每一路分支管上安装的孔板的孔径通过仿真优化和实验确定。

进一步地，所述第二连接管上安装有用于测量所述贮箱压力的压力传感器。

进一步地，所述泵与所述流量调节阀之间的管道二上安装有用于测量所述泵的出口压力的压力传感器和用于测量所述泵的出口温度的温度传感器。

进一步地，所述流量调节阀和所述液路高速电磁阀之间的管道二上安装有用于测量所述流量调节阀后压力的压力传感器。

进一步地，所述流量调节阀和所述液路高速电磁阀之间的管道二上安装有流量传感器。

进一步地，所述高压气瓶内的气体为氮气或氦气。

本发明提供的固液火箭发动机电动泵输送系统，具有如下优点：

控制气路高速电磁阀的启闭，高压气瓶内的高压气体经由孔板、气路高速电磁阀进入贮箱，通过控制气路电磁阀的启闭，调整贮箱的压力，使贮箱压力满足任务需求。

当贮箱压力超过膜片阀破裂值时，膜片阀破裂，贮箱内的氧化剂经膜片阀后，由电动机驱动的泵增压，再由流量调节阀控制流量，打开液路高速电磁阀后，氧化剂按任务要求的流量和压力供应到推力室。

本发明提供的固液火箭发动机泵压式输送系统，采用电动机控制泵的转速和流量调节阀，调节容易，能够满足大范围流量变化调节下，氧化剂的精确流量、压力输送。

本发明尤其适用于小型运载火箭上的固液火箭发动机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的固液火箭发动机电动泵输送系统的结构示意图。

图2为本发明实施例一提供的控制系统的控制原理框图。

附图标记：1-高压气瓶；2-贮箱；3-管道一；4-管道二；5-增压单向阀；6-孔板；7-气路高速电磁阀；8-贮箱排气手阀；9-安全阀；10-加注泄出手阀；11-膜片阀；12-泵；13-流量调节阀；14-液路高速电磁阀；15-电动机；31-第一连接管；32-分支管；33-第二连接管；16-压力传感器；17-温度传感器；18-远程泄压阀；19-流量传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

图1为本发明实施例一提供的固液火箭发动机电动泵输送系统的结构示意图；图2为本发明实施例一提供的控制系统的控制原理框图；如图1-图2所示，本发明提供的固液火箭发动机电动泵输送系统，包括高压气瓶1和贮箱2，所述高压气瓶1通过管道一3与所述贮箱2连接，所述贮箱2通过管道二4连接推力室；

所述管道一3上分别安装有增压单向阀5、孔板6、气路高速电磁阀7、贮箱排气手阀8和安全阀9；

所述管道二4上分别安装有加注泄出手阀10、膜片阀11、泵12、流量调节阀13和液路高速电磁阀14，所述泵12与电动机15连接。

优选地，所述管道一3包括第一连接管31、两路分支管32和第二连接管33，所述第一连接管31与所述高压气瓶1连接，所述第二连接管33与所述贮箱2连接，所述两路分支管32用于连接所述第一连接管31和所述第二连接管33，所述增压单向阀5安装在所述第一连接管31上，所述孔板6和所述气路高速电磁阀7安装在所述两路分支管32的每一路分支管32上，所述贮箱排气手阀8和所述安全阀9安装在所述第二连接管33上。

优选地，所述第一连接管31上安装有用于测量所述高压气瓶1出口压力的压力传感器16和用于测量所述高压气瓶1出口温度的温度传感器17。

优选地，所述第一连接管31上安装有远程泄压阀18。

优选地，所述第二连接管33上安装有用于测量所述贮箱2压力的压力传感器16。

优选地，所述泵12与所述流量调节阀13之间的管道二4上安装有用于测量所述泵12的出口压力的压力传感器16和用于测量所述泵12的出口温度的温度传感器17。

优选地，所述流量调节阀13和所述液路高速电磁阀14之间的管道二4上安装有用于测量所述流量调节阀13后压力的压力传感器16。

优选地，所述流量调节阀13和所述液路高速电磁阀14之间的管道二4上安装有流量传感器19。

还包括控制系统，控制系统用于采集贮箱2压力，控制两路分支管32的每一路分支管32上安装的气路高速电磁阀7的开启和关闭，构成闭环控制系统，调节贮箱2的压力，实现贮箱2压力的快速、精确控制。

控制系统联合调节泵12的转速和流量调节阀13的流通喉部截面积，通过采集的数据反馈，实现氧化剂输送流量、压力的精确控制。

在固液火箭发动机试验过程中，输送系统主要有以下几个过程：

试验前加注增压，试验时正常工作，试验后剩余推进剂处理和异常情况紧急处理。

试验前加注增压过程，氧化剂加注系统与加注泄出手阀10连接，打开加注泄出手阀10，打开贮箱排气手阀8，在氧化剂加注系统端增压将氧化剂加注到贮箱2内，加注完成后，关闭加注泄出手阀10和贮箱排气手阀8，拆卸连接管路。增压系统与增压单向阀5连接，挤压气体，通常选用氮气或氦气，经增压系统增压后，由增压单向阀5进入高压气瓶1，增压完成后，拆卸连接管路。

试验时正常工作，首先控制系统自动调节气路高速电磁阀7的开启和关闭，高压气瓶1内的挤压气体由孔板6、气路高速电磁阀7进入贮箱2，将贮箱2维持在稳定的工作压力。

贮箱2压力一旦超过设定安全值，安全阀9开启对贮箱2进行泄压。

当贮箱2压力达到膜片阀11的破裂值时，膜片阀11膜片破裂，贮箱2内的氧化剂经膜片阀11流入泵12，电动机15启动，带泵12转动，对氧化剂进行增压，氧化剂增压后流经流量调节阀13，达到一定压力后，液路高速电磁阀14开启，氧化剂经液路高速电磁阀14进入推力室，实现氧化剂的供应。

电动机15的转速、流量调节阀13的调节、液路高速电磁阀14的开启，由控制系统根据任务需求智能控制，实现氧化剂输送的流量、压力精确控制。

试验后剩余推进剂处理，试验结束后，打开远程泄压阀18，对高压气瓶1进行泄压，完成后关闭远程泄压阀18；打开贮箱排气手阀8，贮箱2泄压后，加注系统与加注泄出手阀10连接，打开加注泄出手阀10，由真空泵将贮箱2内剩余推进剂抽出，完成后关闭加注泄出手阀10、贮箱排气手阀8。

异常情况紧急处理，首先关闭液路高速电磁阀14切断氧化剂的供应，关闭电动机15，将流量调节阀13调至开度最小位置，然后关闭气路高速电磁阀7，打开远程泄压阀18进行泄压，完成后，开启气路高速电磁阀7，对贮箱2进行紧急泄压，确认安全后，分析异常情况原因和卸放剩余氧化剂。

所述孔板6，用于控制高压气瓶1内的挤压气体流入贮箱2的速度。

高压气瓶1内的挤压气体经孔板6流入贮箱2由气路高速电磁阀7控制。

两路分支管32的每一路分支管32上安装的孔板6的流通面积由仿真计算和试验优选确定，大直径孔板6用于贮箱2压力较低时对贮箱2进行快速增压，小直径孔板6通过脉冲式开启实现贮箱2压力的精确稳定控制。

具体实现上，由控制系统，根据贮箱2压力、高压气瓶1出口压力情况，智能控制两路分支管32的每一路分支管32上安装的气路高速电磁阀7的开启和关闭情况以及开启时间长度。

电动机15驱动泵12，相对于涡轮驱动泵而言，具有转速调节容易、结构简单、可靠性高、启动特性好、易于实现大范围流量调节、增压效率高等优点，并且减少了推进剂的用量。

所述流量调节阀13用于改变氧化剂流量，通过伺服电动机控制塞锥位置，改变流动通道喉部截面面积，从而改变氧化剂的流量。通过控制系统对转速和伺服电动机塞锥位置的联合调节，实现氧化剂按要求的流量和压力供应到推力室中。

本实施例一提供的固液火箭发动机电动泵输送系统，具有如下优点：

控制系统采集贮箱2压力，控制气路高速电磁阀7的启闭，高压气瓶1内的高压气体经由孔板6、气路高速电磁阀7进入贮箱2，控制系统通过控制气路高速电磁阀7的启闭，调整贮箱2的压力，使贮箱2压力满足任务需求。

当贮箱2压力超过膜片阀11的破裂值时，膜片阀11破裂，贮箱2内的氧化剂经膜片阀11后，由电动机15驱动的泵12增压，再由流量调节阀13控制流量，打开液路高速电磁阀14后，氧化剂按任务要求的流量和压力供应到推力室。

本发明提供的固液火箭发动机泵压式输送系统，采用电动机15控制泵12的转速和流量调节阀13，调节容易，能够满足大范围流量变化调节下，氧化剂的精确流量、压力输送。

本发明尤其适用于小型运载火箭上的固液火箭发动机。

本发明固液火箭发动机泵压式输送系统，为国内外首次提出应用于固液火箭发动机的泵压式输送系统，能满足高室压燃烧室的要求。

本发明固液火箭发动机泵压式输送系统，采用电动机控制泵的转速和流量调节阀，调节容易，能够满足大范围流量变化调节下，氧化剂的精确流量、压力输送。

本发明固液火箭发动机泵压式输送系统，高压气瓶内的挤压气体采用双路孔板、双路气路高速电磁阀结构，可靠性高、调压精度可以通过孔板控制，有利于贮箱压力的精确稳定控制；

本发明固液火箭发动机泵压式输送系统，通过采集各点的压力、温度、流量等数据，实现氧化剂供应的闭环控制，大大提高了氧化剂输送的流量、压力控制精度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，包括高压气瓶和贮箱，所述高压气瓶通过管道一与所述贮箱连接，所述贮箱通过管道二连接推力室；

所述管道一上分别安装有增压单向阀、孔板、气路高速电磁阀、贮箱排气手阀和安全阀；

所述管道二上分别安装有加注泄出手阀、膜片阀、泵、流量调节阀和液路高速电磁阀，所述泵与电动机连接。

2.据权利要求1所述的固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，所述管道一包括第一连接管、两路分支管和第二连接管，所述第一连接管与所述高压气瓶连接，所述第二连接管与所述贮箱连接，所述两路分支管用于连接所述第一连接管和所述第二连接管，所述增压单向阀安装在所述第一连接管上，所述孔板和所述气路高速电磁阀安装在所述两路分支管的每一路分支管上，所述贮箱排气手阀和所述安全阀安装在所述第二连接管上。

3.据权利要求2所述的固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，所述第一连接管上安装有用于测量所述高压气瓶出口压力的压力传感器和用于测量所述高压气瓶出口温度的温度传感器。

4.据权利要求2或3所述的固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，所述第一连接管上安装有远程泄压阀。

5.根据权利要求2所述的固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，所述两路分支管的每一路分支管上安装的孔板的孔径通过仿真优化和实验确定。

6.根据权利要求2所述的固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，所述第二连接管上安装有用于测量所述贮箱压力的压力传感器。

7.据权利要求1所述的固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，所述泵与所述流量调节阀之间的管道二上安装有用于测量所述泵的出口压力的压力传感器和用于测量所述泵的出口温度的温度传感器。

8.据权利要求1或7所述的固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，所述流量调节阀和所述液路高速电磁阀之间的管道二上安装有用于测量所述流量调节阀后压力的压力传感器。

9.据权利要求8所述的固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，所述流量调节阀和所述液路高速电磁阀之间的管道二上安装有流量传感器。

10.根据权利要求1所述的固液火箭发动机电动泵输送系统，其特征在于，所述高压气瓶内的气体为氮气或氦气。