CN107587954A - 气氧煤油火箭发动机增压输送系统及小型火箭发动机推进剂供给系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火箭发动机推进剂输送系统领域，尤其是涉及了一种气氧煤油火箭发动机增压输送系统及小型火箭发动机推进剂供给系统，增压输送系统包括氧供给系统、燃油供给系统和吹除系统；氧供给系统包括氧贮箱阀门组件、第一截止阀、第一单向阀和第二单向阀；氧贮箱阀门组件、第一截止阀和第一单向阀通过管路依次连通，第二单向阀与吹除系统相连通，第一单向阀的出口与第二单向阀的出口通过同一管路与推力室相连接；燃油供给系统通过与吹除系统相连接后经过管路进入推力室。本方案与液氧煤油火箭推进剂输送系统相比，不需要考虑增压系统气液相变、输送系统低温两相流、发动机预冷等复杂设计，这也使得系统结构的复杂程度和质量将大大降低。

Description

气氧煤油火箭发动机增压输送系统及小型火箭发动机推进剂 供给系统

技术领域

本发明涉及火箭发动机推进剂供给系统和输送系统技术领域，尤其是涉及一种气氧煤油火箭发动机增压输送系统及小型火箭发动机推进剂供给系统。

背景技术

火箭发动机增压输送系统是控制火箭推进剂箱里的气枕压力，按规定的压力、流量将推进剂输送到发动机泵或燃烧室，连接推进剂箱、发动机及地面设备的增压和输送系统的综合。输送系统根据发动机推进剂供应方式的不同可分为挤压式和泵压式两大类。由于本系统对象为总冲量不大的小型火箭发动机，故选择系统结构简单、技术成熟、工作可靠的挤压式输送系统。

目前常见的氧化剂有液氧、液氟、四氧化二氮、过氧化氢、硝酸等，但是都存在一定的缺点。液氟比重大、毒性大，四氧化二氮易蒸发，毒性大，过氧化氢贮存性差、易分解，硝酸腐蚀性和毒性较大，液氧虽然无毒无污染，但是易蒸发，需要低温贮存。几年来液氧煤油推进剂依靠大推力、无毒无污染等优势在近年来迅速发展。但是使用液氧和煤油作为新的推进剂，增压输送系统与现役火箭有很大区别，尤其是增压系统气液相变、输送系统的低温两相流、发动机预冷以及相关管路、阀门等设计都有较大的变化，系统复杂性大大增加。

针对小型运载火箭，由于其工作时间短，需要的推进剂量少，如果运用上述液氧煤油推进剂方案，显然设计成本会大大增加，最终得不偿失，故已有的液氧煤油增压输送系统不适合小规模火箭发动机。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种气氧煤油火箭发动机增压输送系统，与液氧推进剂系统相比，不需要考虑增压系统气液相变、输送系统低温两相流、发动机预冷等复杂设计，系统结构大大简化，重量大大降低。

本发明的另一个目的在于提供一种具有上述增压输送系统的小型火箭发动机推进剂供给系统。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案；

本发明第一方面提供的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，包括氧供给系统、燃油供给系统和吹除系统；

所述氧供给系统包括氧贮箱阀门组件、第一截止阀、第一单向阀和第二单向阀；

所述氧贮箱阀门组件、第一截止阀和第一单向阀通过管路依次连通，所述第二单向阀与所述吹除系统相连通，所述第一单向阀的出口与所述第二单向阀的出口通过同一管路与推力室相连接；

所述燃油供给系统通过与所述吹除系统相连接后经过管路进入所述推力室。

在上述技术方案中，进一步的，所述氧贮箱阀门组件包括氧贮箱、第一过滤器、第二截止阀、第一减压器和音速喷嘴，所述氧贮箱、第一过滤器、第二截止阀、第一减压器和音速喷嘴依次通过阀岛形式集成连通，所述音速喷嘴通过管路与所述第一截止阀相连通。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述第一过滤器与第二截止阀之间连通有充氧设备，且所述充氧设备通过加排阀将氧气充入所述氧贮箱，且在所述第一过滤器与充氧设备的接口之间设置有第一压力测点。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述第一减压器与所述音速喷嘴之间的管路上设置有压力接口；和在氧气进入推力室之前的管路上设置有第二压力测点。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述燃油供给系统包括第一氮气瓶、第一电爆阀、第二减压器、煤油贮箱、膜片阀、燃油文氏管、第一电磁阀和第三单向阀，所述氮气瓶、第一电爆阀、第二减压器、煤油贮箱、膜片阀、燃油文氏管、第一电磁阀和第三单向阀依次通过管路相连通，所述第三单向阀的出口与所述吹除系统相接的第四单向阀的出口经过同一管路与推力室相连通。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述第三单向阀的出口与所述吹除系统相接的第四单向阀的出口经过同一管路与推力室相连通，且在煤油进入推力室前的管路上设置有第三压力测点。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述膜片阀与燃油文氏管之间设置有第四压力测点。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述吹除系统包括第二氮气瓶、第二电爆阀、第三减压器和第二电磁阀；

所述第二氮气瓶、第二电爆阀、第三减压器和第二电磁阀依次通过管路相连通。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述氧贮箱阀门组件集成阀岛的结构。

本发明第二方面提供一种小型火箭发动机推进剂供给系统，包括上述任一技术方案中所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统。

本发明第二方面提供的小型火箭发动机推进剂供给系统，设置有第一方面提供的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，因此具有第一方面提供的气氧煤油火箭发动机增压输送系统的全部有益效果，在此就不一一赘述。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.适用于小规模无毒液体火箭发动机。

2.与液氧煤油火箭推进剂输送系统相比，不需要考虑增压系统气液相变、输送系统低温两相流、发动机预冷等复杂设计，这也使得系统结构的复杂程度和质量将大大降低。

3.采用阀门集成的阀岛形式，减少了管路连接，结构空间紧凑。

4.双截止阀冗余设计使得系统密封更为可靠，系统安全性更高。

5.由于气氧危险性很高，采用加排手阀进行氧气充放，不需要电操作，系统安全性更高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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为本发明实施例提供的气氧煤油火箭发动机增压输送系统的原理示意图；

图2为图1所示的氧供给系统的原理示意图；

图3为图1所示的燃油供给系统的原理示意图；

图4为图1所示的吹除系统的原理示意图；

图5为本发明提供的氧贮箱阀门组件的立体结构示意图。

附图标记：

1-氧贮箱；2-第一过滤器；3-第一截止阀；4-第一减压器；5-第一压力测点；6-压力接口；7-音速喷嘴；8-加排阀；9-第二截止阀；10-第一单向阀；11-第二单向阀；12-第二压力测点；13-第一氮气瓶；14-第一电爆阀；15-第二减压器；16-煤油贮箱；17-膜片阀；18-第三压力测点；19-燃油文氏管；20-第一电磁阀；21-第三单向阀；24-第二氮气瓶；25-第二电爆阀；26-第三减压器；27-第二电磁阀；28-充氧设备；29-推力室；30-氧贮箱阀门组件。

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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

图1为本发明实施例提供的气氧煤油火箭发动机增压输送系统的原理示意图；图2为图1所示的氧供给系统的原理示意图；图3为图1所示的燃油供给系统的原理示意图；图4为图1所示的吹除系统的原理示意图；图5为本发明提供的氧贮箱阀门组件的立体结构示意图。

实施例一

如图1-5所示，本实施例提供的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，包括氧供给系统、燃油供给系统和吹除系统；

所述氧供给系统包括氧贮箱阀门组件30、第一截止阀3、第一单向阀10和第二单向阀11；

所述氧贮箱阀门组件30、第一截止阀3和第一单向阀10通过管路依次连通，所述第二单向阀11与所述吹除系统相连通，所述第一单向阀10的出口与所述第二单向阀11的出口通过同一管路与推力室29相连接；这样的设计避免吹除氮气进入氧气供给系统；

所述燃油供给系统通过与所述吹除系统相连接后经过管路进入所述推力室29。

在上述实施例的一个可选的实施方式中，具体地，如图2所示，所述氧贮箱阀门组件30包括氧贮箱1、第一过滤器2、第二截止阀9、第一减压器4和音速喷嘴7，所述氧贮箱1、第一过滤器2、第二截止阀9、第一减压器4和音速喷嘴7依次通过阀岛形式集成连通，所述音速喷嘴7通过管路与所述第一截止阀3相连通，如图5所示，所述氧贮箱阀门组件30集成阀岛的结构。

所述第一过滤器2与第二截止阀9之间连通有充氧设备28，且所述充氧设备28通过加排阀8将氧气充入所述氧贮箱1，且在所述第一过滤器2与充氧设备28的接口之间设置有第一压力测点5。

所述第一减压器4与所述音速喷嘴7之间的管路上设置有压力接口6；和在氧气进入推力室29之前的管路上设置有第二压力测点12。

具体流程操作，如图1和图2所示，23MPa高压氧气通过加排阀8从外部气源加注到氧贮箱1内，工作时从氧贮箱1排出，依次经过第一过滤器2、第二截止阀9、第一减压器4，此时压力减为5MPa左右的低压气氧，通过音速喷嘴7实现流量的稳定控制，在经过第一截止阀3、第一单向阀10进入推力室29。氧路系统优点如下：与液氧推进剂系统相比，不需要考虑增压系统气液相变、输送系统低温两相流、发动机预冷等复杂设计，系统结构大大简化，重量大大降低；由于火箭系统内部空间有限对管路本身的管径、转弯半径限制很大，如图5所示，氧供给系统氧贮箱1、第二截止阀9、第一减压器4、音速喷嘴7集成为阀岛的形式，这种结构不仅减少了管路连接，使得空间更加紧凑，还可以解决由于空间限制，氧管路弯曲半径过小的问题；第二截止阀9位于第一减压器4前，避免减压器处于长时间耐高压状态而出现失效的情况，增加系统工作的可靠性，且第二截止阀9位于第一减压器4前，密封性好，容易集成；系统设置两道截止阀的目的是实现双截止冗余设计，当第二截止阀9失效时，第一减压器4后压力会升高，可采取紧急泄压，避免推力室29后堵盖破裂失效，引发严重后果；主路、吹除路同时设置单向阀，吹除路设置第二单项阀，避免氧气进入吹除系统(减压器等部件)，；主路采用先导式电磁阀，反向压差作用下可打开，设置单向阀，避免吹除氮气进入氧气供给系统；通过音速喷嘴7实现流量的精确控制，具有结构简单、可靠性好、流量稳定等优点，可以避免燃烧室压力变化对流量产生影响；氧气加注和泄出采用加排阀8即加排手阀进行，这种方案具有结构简单，简化系统管路布局的优点，同时加注泄出都不需要带电操作，增加了氧系统的安全性。

在上述实施例的基础上，如图1和图3所示，所述燃油供给系统包括第一氮气瓶13、第一电爆阀14、第二减压器15、煤油贮箱16、膜片阀17、燃油文氏管19、第一电磁阀20和第三单向阀21，所述氮气瓶、第一电爆阀14、第二减压器15、煤油贮箱16、膜片阀17、燃油文氏管19、第一电磁阀20和第三单向阀21依次通过阀岛形式集成连通，所述第三单向阀21的出口与所述吹除系统相接的第四单向阀的出口经过同一管路与推力室29相连通。所述第三单向阀21的出口与所述吹除系统相接的第四单向阀的出口经过同一管路与推力室29相连通，且在煤油进入推力室29前的管路上设置有第三压力测点18。所述膜片阀17与燃油文氏管19之间设置有第四压力测点。

工作过程，如图3所示，燃油供给指令下达后，第一电爆阀14开启，高压氮气经过第一电爆阀14、第二减压器15后，变为低压氮气用于挤压煤油，再通过膜片阀17、燃油文氏管19后，变为流量稳定的煤油流体，再依次经过第一电磁阀20和第三单向阀21，最后进入推力室29进行掺混燃烧。燃路系统优点如下：通过燃油文试管实现流量的精确控制，具有结构简单、可靠性好、流量稳定等优点，可以避免燃烧室压力变化对流量产生影响；设置膜片阀17具有密封性好、可靠、死区小的特点，用于油路的通断控制；主路、吹出路同时设置单向阀，吹出路设置第四单向阀，避免煤油进入吹除系统，主路设置第三单向阀21，避免氮气进入燃油管路。

在上述实施例的基础上，如图4所示，所述吹除系统包括第二氮气瓶24、第二电爆阀25、第三减压器26和电磁阀；所述第二氮气瓶24、第二电爆阀25、第三减压器26和第二电磁阀27依次通过管路相连通。

工作过程如下，吹除指令下达后，第二电爆阀25开启，氮气从第二氮气瓶24中流出依次经过第二电爆阀25、第三减压器26，变为低压氮气，再经过第二电磁阀27后分两路分别对氧路和油路进行吹除。吹除路优点如下：将第二氮气瓶24、第二电爆阀25、第三减压器26集成为阀岛形式，减少了管路连接，使空间更加紧凑。

实施例二

本发明的实施例二提供一种小型火箭发动机推进剂供给系统，包括上述实施例一中所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统。

本发明的实施例二提供的小型火箭发动机推进剂供给系统，设置有实施例一提供的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，因此具有实施例一提供的气氧煤油火箭发动机增压输送系统的全部有益效果，在此就不一一赘述。

综上所述，气氧兼具无毒无污染、无腐蚀性、不需要低温贮存的优良特性，针对小型火箭小规模的特点，提出气氧煤油增压输送系统方案，而国内目前几乎没有对气氧煤油推进剂输送系统的研究，与液氧煤油推进剂方案相比，由于氧贮箱中为气态氧，不需要额外设计的增压设计，可利用气氧本身的高压实现氧化剂输运，使得系统体积、重量大大降低，另外，气氧增压方案不需要考虑增压系统气液相变、输送系统低温两相流、发动机预冷等复杂设计，这也使得系统结构的复杂程度和质量将大大降低。

同时，还具有以下技术效果；

1.适用于小规模无毒液体火箭发动机。

2.与液氧煤油火箭推进剂输送系统相比，不需要考虑增压系统气液相变、输送系统低温两相流、发动机预冷等复杂设计，这也使得系统结构的复杂程度和质量将大大降低。

3.采用阀门集成的阀岛形式，减少了管路连接，结构空间紧凑。

4.双截止阀冗余设计使得系统密封更为可靠，系统安全性更高。

5.由于气氧危险性很高，采用加排手阀进行氧气充放，不需要电操作，系统安全性更高。

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。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种气氧煤油火箭发动机增压输送系统，其特征在于，包括氧供给系统、燃油供给系统和吹除系统；

所述氧供给系统包括氧贮箱阀门组件、第一截止阀、第一单向阀和第二单向阀；

所述氧贮箱阀门组件、第一截止阀和第一单向阀通过管路依次连通，所述第二单向阀与所述吹除系统相连通，所述第一单向阀的出口与所述第二单向阀的出口通过同一管路与推力室相连接；

所述燃油供给系统通过与所述吹除系统相连接后经过管路进入所述推力室。

2.根据权利要求1所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，其特征在于，

所述氧贮箱阀门组件包括氧贮箱、第一过滤器、第二截止阀、第一减压器和音速喷嘴，所述氧贮箱、第一过滤器、第二截止阀、第一减压器和音速喷嘴依次通过阀岛形式集成连通，所述音速喷嘴通过管路与所述第一截止阀相连通。

3.根据权利要求2所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，其特征在于，

所述第一过滤器与第二截止阀之间连通有充氧设备，且所述充氧设备通过加排阀将氧气充入所述氧贮箱，且在所述第一过滤器与充氧设备的接口之间设置有第一压力测点。

4.根据权利要求2所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，其特征在于，

所述第一减压器与所述音速喷嘴之间的管路上设置有压力接口；和在氧气进入推力室之前的管路上设置有第二压力测点。

5.根据权利要求1所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，其特征在于，

所述燃油供给系统包括第一氮气瓶、第一电爆阀、第二减压器、煤油贮箱、膜片阀、燃油文氏管、第一电磁阀和第三单向阀，所述氮气瓶、第一电爆阀、第二减压器、煤油贮箱、膜片阀、燃油文氏管、第一电磁阀和第三单向阀依次通过管路相连通，所述第三单向阀的出口与所述吹除系统相接的第四单向阀的出口经过同一管路与推力室相连通。

6.根据权利要求5所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，其特征在于，

所述第三单向阀的出口与所述吹除系统相接的第四单向阀的出口经过同一管路与推力室相连通，且在煤油进入推力室前的管路上设置有第三压力测点。

7.根据权利要求5所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，其特征在于，

所述膜片阀与燃油文氏管之间设置有第四压力测点。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，其特征在于，

所述吹除系统包括第二氮气瓶、第二电爆阀、第三减压器和第二电磁阀；

所述第二氮气瓶、第二电爆阀、第三减压器和第二电磁阀依次通过管路相连通。

9.根据权利要求2所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统，其特征在于，

所述氧贮箱阀门组件集成阀岛的结构。

10.一种小型火箭发动机推进剂供给系统，其特征在于，使用如权利要求1至9中任一项所述的气氧煤油火箭发动机增压输送系统。