CN108019296B - 一种氧化亚氮分解自增压系统 - Google Patents

Abstract

一种氧化亚氮分解自增压系统，包括：内部带增压气囊的氧化亚氮贮箱、膜片阀、小型增压器、流量调节器、控制器、分解器、单向阀、冷却器、过滤器和稳压器。本发明基于现有技术，提出一种新型的氧化亚氮分解自增压系统，利用氧化亚氮自身分解产物，对贮箱进行增压，实现系统的自增压。使用该系统的动力装置无需额外携带增压介质和专用设备，可以降低动力装置的结构体积和重量，满足使用氧化亚氮作为氧化剂的各类固液混合火箭发动机、液体发动机以及多模态推进系统等动力装置对增压系统小型化、轻质化的需求。

Description

一种氧化亚氮分解自增压系统

技术领域

本发明涉及航空、航天各类飞行器推进领域，特别涉及使用氧化亚氮作为氧化剂的各类固液混合火箭发动机、液体发动机以及多模态推进系统等动力装置。

背景技术

常温下，液态氧化亚氮的饱和蒸汽压约为5MPa，密度约为800kg/m³，其分解温度为520℃，分解产物为1份氮气和0.5份氧气。与常规火箭用氧化剂相比，氧化亚氮无毒、无色、无味，是一种绿色推进剂，也易于使用和储存。利用氧化亚氮的高饱和蒸汽压特性，可以无需额外携带增压介质(常规为占体积较大的惰性气体)，或者复杂的增压结构(涡轮等设备)，达到自增压。而本发明则通过较为简单的结构，利用氧化亚氮本身的分解特性将氧化亚氮贮箱压力再度提升至更高的压力(8～10MPa)，这是现有的常规增压措施和常用氧化剂、推进剂无法实现的。

目前各类动力装置中，对氧化剂的增压方式主要集中于以下几种：

1.挤压式

挤压式系统主要优点是系统比较简单、可靠。但是，它的缺点在于氧化剂贮箱实际是在推进剂输送压力大于燃烧室压力下工作，贮箱壁厚与结构重量较大。同时，由于贮箱增压压力较高，需要的增压气体量大，增压气瓶质量也比较重。因此，挤压式系统质量比较重，显而易见，随着发动机工作时间增长，其系统质量亦增大。它可应用于任何工作循环，一般适用于发动机总冲比较小的推进系统。

2.气驱活塞泵增压

该增压方式可以利用缸内活塞两端的面积差进行增压，只要有稳定的气源就能按设计的增压倍数将低压的氧化剂以高压输出。该方式体积相对于挤压式要小很多，增压过程也能做到随控，但也面临以下几项关键问题：

a)大增压比情况下，增压气消耗量很高，气源问题需解决。更突出的是，由于泵的最大工作频率受限，相同规格的活塞泵，增压比越大，输出的高压氧化剂流量越小。如果采用多缸并联增压的方式，可以有效的提高输出流量，但也会增加消极质量和体积。

b)小增压比情况。如果利用氧化剂自身较高的饱和蒸汽压，则可以降低活塞泵的增压比，那么泵输出高压的氧化剂流量可以提高很多。但小增比情况下也面临与挤压式相同的问题，就是贮箱压力较高，造成贮箱的结构重量很大。

3.涡轮泵增压

涡轮泵增压通常应用于发动机总冲比较大的推进系统，目前世界上大多数大型运载火箭都采用这种增压系统，比较成熟。它的主要优点在于贮箱实际不是在燃烧室要求的输送压力下工作，使得能以较小的质量制造大容积的贮箱。它的缺点在于涡轮泵需要专用的驱动能源装置，系统比较复杂。此外，该系统由于有涡轮泵的启动过程，系统增压反应较慢。

该增压方式的输送是氧化剂贮箱的气枕压力在满足发动机泵入口压力条件下，将推进剂输入泵，然后由涡轮驱动泵，使泵出口的推进剂压力提高到喷注入发动机燃烧室所需要的压力。由于泵的入口压力要求较低，因此氧化剂贮箱的压力也可以比较低，从而降低贮箱的结构质量。

但对于采用绿色、无毒、清洁、低成本的氧化亚氮作为氧化剂的动力系统来说，常温下饱和蒸汽压较高。使用气驱活塞泵和涡轮泵两种方式增压容易造成汽蚀，导致流量极不稳定。同时气驱活塞泵和涡轮泵价格昂贵，且结构、操作复杂。因此对于氧化亚氮，一般采用挤压式进行增压。但采用挤压式需额外携带增压气瓶和增压介质，使得动力装置结构复杂、体积大、质量重。

发明内容

本发明解决的问题是现有使用氧化亚氮作为氧化剂的各类固液混合火箭发动机、液体发动机以及多模态推进系统等动力装置对增压系统小型化、轻质化的需求；为解决所述问题，本发明提供一种氧化亚氮分解自增压系统。

为了解决本发明的上述技术问题，本发明提供的解决方案是提供一种氧化亚氮分解自增压系统，包括：内部带增压气囊的氧化亚氮贮箱、膜片阀、小型增压器、流量调节器、控制器、分解器、单向阀、冷却器、过滤器和稳压器，各零部件之间通过管路连接。所述氧化亚氮贮箱内部配置具有隔热功能的增压气囊，当氧化亚氮分解产物进入气囊对贮箱增压时，能有效的将温度较高的分解产物和温度较低的液态氧化亚氮隔离开。贮箱头部由气囊通过接口与氧化亚氮分解冷却管路相连；贮箱尾部通过膜片阀与氧化亚氮分解器和其它推进子系相连。所述小型增压器采用泵类结构，可以有效的将贮箱内的氧化亚氮增压后输送至分解器内分解。所述流量调节器和控制器用以控制参与分解的氧化亚氮流量大小和有无。当工作指令下达后，贮箱内部分氧化亚氮通过小型增压器输送至分解器分解，由流量调节器和控制器控制分解量，分解产物一部分通过冷却器冷却后稳压进入贮箱中的气囊内，实现对氧化亚氮进行自增压。由于无需携带增压气瓶和增压介质，可以大幅降低动力装置的体积和重量，从而动力装置对增压系统小型化、轻质化的需求。

优选的，增压气囊内预充填适量的增压气体(氦气、氮气等)。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

利用本发明可以简化动力装置，无需额外使用结构、使用条件等复杂的增压泵或者体积较大的高压气瓶等增压装置，可以大幅降低动力装置的体积和重量，间接使得飞行器体积更小，增加有效载荷。通过流量调节，可以控制氧化亚氮的分解量，从而保证贮箱的稳压能力；通过冷却填料调节，可以控制氧化亚氮分解产物的冷却温度，从而使得贮箱避免高温。同时由于氧化亚氮本身绿色清洁、维护简单、价格低，其分解产物为N₂和O₂，不会对动力装置或飞行器产生不良影响，也不大会污染环境，更能大幅降低飞行器的运输、维护和使用成本。

附图说明

图1为本发明的实施例所提供的用于使用氧化亚氮作为氧化剂的各类固液混合火箭发动机、液体发动机以及多模态推进系统等动力装置的氧化亚氮分解自增压系统的示意图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

请参考图1，本发明所提供的一种氧化亚氮自增压系统，包括：内部带增压气囊11的氧化亚氮贮箱1、膜片阀2、小型增压器3、流量调节器4、控制器5、分解器6、单向阀7、冷却器8、过滤器9、稳压器10和控制子系统(图中未标识)和各类连接管路。

增压气囊11内预充填适量的增压气体(氦气、氮气等)，当动力装置的待机指令下达后，膜片阀2开启，氧化亚氮贮箱1内的液态氧化亚氮在增压气囊11的作用下，输送至各子系统和分解器前，进入系统待机状态。正式工作指令下达后，部分液态氧化亚氮通过小型增压器3增压、流量调节器4和控制器5调节流量后，进入分解室6。分解室6内部具有独特的结构，能够快速分解氧化亚氮，并能实现多次启动。分解完成的高温、高压产物，可根据需求将大部分输送至分解推进子系统，剩余部分输送冷却器8进行冷却。单向阀7的设置可以保证分解器6不工作时，气体不回流。冷却后的分解产物通过过滤器9，将杂质过滤后通过稳压器10稳压后输送至贮箱1内的气囊11，对贮箱1进行增压。当贮箱1内压力平衡，且分解推进子系统不工作，其它系统无氧化亚氮需求时，控制器5关闭流量，分解器6停止工作。当贮箱1内压力降低时，控制器5开启，分解器6再次进行工作，重复上述循环。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种氧化亚氮分解自增压系统，其特征在于，包括：氧化亚氮贮箱、膜片阀、小型增压器、流量调节器、控制器、分解器、单向阀、冷却器、过滤器和稳压器；所述氧化亚氮贮箱内部配置具有隔热功能的增压气囊；氧化亚氮贮箱头部由气囊通过接口与氧化亚氮分解冷却管路相连，尾部通过膜片阀与分解器和其它推进子系相连；所述小型增压器采用泵类结构；所述流量调节器和控制器控制参与分解的氧化亚氮流量大小；所述分解器采用蓄热材料、催化剂或特殊点火方式将氧化亚氮分解；所述单向阀保证分解器不工作时，气体不回流；所述冷却器采用叠氮等填料，对高温分解产物进行冷却，冷却后的分解产物通过过滤器，将杂质过滤后通过稳压器稳压后输送至贮箱内的气囊，对氧化亚氮贮箱进行增压；

所述增压气囊内预充填适量的增压气体；

所述增压气体采用氦气、氮气；

所述氧化亚氮的饱和蒸汽压约为5MPa，密度约为800kg/m³，其分解温度为520℃，分解产物为1份氮气和0.5份氧气。

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