CN108119260B - 液体发动机及运载器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体发动机及运载器。液体发动机包括推力室、用于存储冷却液的第一存储装置，以及设置在所述推力室外的集液结构；其中所述推力室包括腔室和形成所述腔室的壳体，所述集液结构设置于所述推力室头部的所述壳体上，所述集液结构与所述第一存储装置彼此连通。本发明的液体发动机可以对推力室头部外壳进行主动冷却降温，从而避免发动机由于燃烧导致的推力室被损坏或烧穿的现象。

Description

液体发动机及运载器

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种液体发动机及运载器。

背景技术

发动机是航天领域中的关键技术之一。发动机在点火后，液体推进剂会在高温的作用下转变为气体，从而产生较大的热反浸，这可能损坏甚至烧穿推力室的头部。对于具有单壁结构的燃烧室而言，这种情况尤为突出。

亟需设计一种可有效抵御热反浸，安全可靠的液体发动机。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种液体发动机及运载器。该液体发动机可以对推力室外壳进行主动冷却降温，从而避免推力室被损坏或烧穿的现象。

本发明的一个方面提供了一种液体发动机。该液体发动机包括推力室、用于存储冷却液的第一存储装置，以及设置在所述推力室外的集液结构；其中所述推力室包括腔室和形成所述腔室的壳体，所述壳体包括位于推力室头部的头部壳体，所述集液结构设置于所述头部壳体上，所述集液结构与所述第一存储装置彼此连通。

在一个实施例中，所述集液结构周向地设置在所述头部壳体的外侧，从而所述集液结构的内表面与所述头部壳体的外表面形成供冷却液流动的环形流道。

在一个实施例中，所述集液结构的内表面包括侧面和底面，其中所述侧面面对所述壳体的外表面设置，所述底面连接所述侧面和所述外表面。

在一个实施例中，从所述侧面指向所述底面的第一方向上，所述侧面到所述外表面的距离逐渐增大。

在一个实施例中，所述第一存储装置包括第一进液口和第一出液口，所述集液结构包括第二进液口和第二出液口，所述第一出液口用于连通所述第二进液口，所述第二出液口用于连通所述第一进液口，所述第二进液口和所述第二出液口在所述壳体外侧彼此远离地设置。

在一个实施例中，所述集液结构与所述推力室为一体结构。

在一个实施例中，液体发动机还包括液体推进剂存储装置和用于存储气体的第二存储装置；其中所述第二存储装置用于通过其内存储的气体挤压所述液体推进剂存储装置，从而使液体推进剂进入燃烧室；

所述集液结构的外侧还设有集气结构，所述集气结构与所述第二存储装置彼此连通。

在一个实施例中，所述集气结构周向地设置在所述头部壳体的外表面，所述集气结构周向地设置在所述集液结构的外表面，从而所述集气结构的内表面与所述集液结构的外表面形成供气体流动的环形通道。

在一个实施例中，所述集气结构与所述集液结构同轴。

在一个实施例中，所述推力室、所述集气结构和所述集液结构同轴。

在一个实施例中，所述集气结构包括进气端和出气端，所述集液结构包括进液端和出液端；且所述进气端与所述进液端位于所述头部壳体的同侧，所述出气端和所述出液端位于所述头部壳体的另一侧。

在一个实施例中，在推力室的轴向方向上，所述集气结构的尺寸小于所述集液结构的尺寸。

在一个实施例中，在推力室的轴向方向上，所述集气结构的的尺寸是所述集液结构的尺寸的1/3-1/2。

本发明的另一个方面提供了一种运载器，其包括以上所述的液体发动机。

本发明的实施例的液体发动机至少具有以下技术效果之一：

(1)本发明提供的液体发动机，通过在推力室头部外壳设置主动冷却结构，有效缓解了热反浸现象对推力室头部壳体的危害，提高了发动机的安全性。

(2)本发明提供的液体发动机，通过在推力室头部外壳周向设置集液结构，可以使推力室头部外壳的周向均匀冷却，避免其由于温度不均造成的应力变化，且具有更好的冷却效果。

(3)本发明提供的液体发动机，通过在推力室头部外侧设置集液结构，可以避免造成发动机的重量增加过多，进而确保运载器的有效载荷投放能力。

(4)本发明提供的液体发动机，通过在集液结构头部的外侧设置集气结构，一方面可以进一步带走集液结构的热量，从而进一步改善集液结构对推力室头部壳体的冷却能力；另一方面，由于进入集气结构的气体被加热，并返回气体存储装置，从而气体的压力升高，因此，可以减少气体存储装置的气体量，从而间接减轻发动机的重量。

在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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1-3是根据本发明实施例的发动机推力室的剖视示意图。

图4a和4b是根据本发明实施例的发动机推力室的剖视示意图。

图5a是本发明实施例的推力室的俯视示意图。

图5b是图5a沿A-A1方向的剖视图。

图6a是本发明实施例的推力室的剖开结构示意图。

图6b是设有集气结构的集液结构的部件展开示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

在液体火箭发动机中，当液体推进剂进入推力室之后，可能会在点火时，液体推进剂大量气化，从而导致这些气化的液体燃烧不受控制，进而导致推力室头部壳体被烧穿。因此，亟需设计一种安全、可靠的液体发动机。

本发明的一个方面提供了一种液体发动机。参见图1，该液体发动机包括推力室、用于存储冷却液的第一存储装置(图中未示意，存储装置的位置不做具体限定，以尽量减小对发动机的其它部件的设置为原则)，以及设置在所述推力室头部壳体处的集液结构4。其中所述推力室包括腔室2和形成所述腔室2的壳体3，壳体3包括位于推力室头部位置的头部壳体，所述集液结构4设置于所述头部壳体3上，所述集液结构4与所述第一存储装置彼此连通。本发明通过在推力室头部壳体外设置集液结构，可以降低推力室壳体的温度，减弱或消除推力室头部的液体气化现象，从而避免推力室头部壳体在发动机点火后被损坏或烧穿，提高发动机工作的可靠性。

在该实施例中，例如，在图1所示的推力室下方还包括喷管(图中未示意)，从而燃料与氧化剂在燃烧室燃烧后，通过与燃烧室连通的喷管向下方喷出，以产生反推力。

需要说明的是，集液结构4设置在推力室的头部壳体3上，其既可以为与推力室头部壳体3直接接触的冷凝管，也可以是与推力室头部壳体3外表面共同形成液流通道的结构。例如，在集液结构4为冷凝管的情况下，冷凝管的数量可以为一条或多条。例如，多条冷凝管可以并列、重叠或交叉等方式缠绕在推力室头部壳体3之外。例如，同一条冷凝管的流道尺寸可以相同或不同，从而获得不同的冷却能力。例如，可以在推力室头部壳体3外的不同位置设置不同数量的冷凝管。具体地，可以在推力室头部壳体3受热较多的部分，密集地设置更多的冷凝管，而在推力室头部壳体3受热较少的位置设置较少的冷凝管。

例如，如图1所示，在集液结构4是与发动机的推力室头部壳体3外表面共同形成液体流道的情况下，集液结构4例如可以为具有凹槽的结构，从而可以通过将凹槽的具有内凹结构的一侧沿推力室头部壳体的表面设置，使内凹结构的内表面和推力室头部壳体3的外表面共同形成适于冷却液流动的通道(图1所示的集液结构即按此方式形成)。例如，对于具有内凹结构的集液结构，可以尽量使内凹部分的凹口增大，并使其它部分的材料变薄，从而提高其容纳冷却液的能力，并且减轻发动机的重量。进一步地，例如，凹口可以为U型凹口、V型凹口，从而改善冷却液在集液结构中的形状，改善对发动机推力室头部壳体的冷却效果。例如，集液结构也可以是其它结构，只要其设置在推力室头部壳体3外表面后能够与壳体外表面形成适于液体流动的流道即可。例如，流道可以是密闭流道，即仅包括冷却液的入口和出口，从而避免发动机工作时冷却液的挥发或从发动机液体溢出，确保冷却液的冷却性能和发动机的安全。

此外，集液结构4与第一存储装置的连通方式例如可以为双支路连通。从而存储装置中的冷却液可以沿其中一个支路流出存储装置，并进入到集液结构4中。例如，冷却液完成对推力室头部壳体冷却之后，可以从集液结构流出，并沿另一个支路返回存储装置，从而实现冷却液在存储装置和集液结构3之间的循环，进而通过冷却液的循环降低推进室头部壳体3的温度。

参见图2，例如，发动机通过贯穿推力室连接面8的冷却液入口7进入集液结构4，并沿集液结构4内部流动，从而实现对推力室头部壳体3的冷却，之后，从贯穿推力室连接面8的冷却液的出口9流出，以返回第一存储装置。显然，冷却液的入口7可以与集液结构4的内部连通，且冷却液的出口9可以从集液结构4的另一侧与集液结构4的内部连通。例如，第一存储装置可以设置在推力室连接面8的远离推力室的一侧(图中未示意)，并通过管路连接到冷却液的入口7，且通过另一条管路连接至冷却液的出口9，从而方便冷却液在集液结构4与第一存储装置之间的循环。

继续参见图1和图2，例如，在一个实施例中，集液结构4周向地设置在所述头部壳体3的外侧，且所述集液结构3从靠近所述头部壳体3的一侧向其远离该头部壳体3的侧凹陷，从而所述集液结构4的内表面(凹陷部分的表面)与推力室头部壳体3的外表面可以形成供冷却液流动的环形流道。在此情况下，冷却液从存储装置经冷却液入口7流入该环形通道之后，在整个环形流道内流动，从而通过与推力室头部壳体3的外表面的充分换热，降低推力室头部壳体3的温度。之后，冷却液通过冷却液出口9返回存储装置中冷却。本发明的实施例通过集液结构的内表面与推力室头部壳体外表面直接形成环形流道，可以使冷却液直接与头部壳体进行热交换，从而改善对推力室头部壳体的换热效果。

在该实施例中，例如，集液结构4的内表面可以为凹凸不平的结构。具体地，集液结构4的内表面可以包括螺纹结构或沿内表面设置的多个微小流道的结构。从而通过集液结构凹凸不平的内表面减缓冷却液的流速，增加冷却液与壳体3的热交换时间，改善热交换效果。

参见图3，在一个实施例中，所述集液结构4的内表面包括侧面41和底面42，其中所述侧面41面对所述壳体3的外表面设置，所述底面42连接所述侧面41和所述外表面。即侧面41与推力室头部壳体3外表面间隔的设置，底面42通过连接侧面41和推力室头部壳体3外表面形成供冷却液流动的通道。由于集液结构4包含了底面42，因此提高了侧面41靠近底面42部分与推力室头部壳体3外表面间隔的距离，从而增大了流道的容积，提高了其容纳冷却液的量，进而改善冷却效果。

需要说明的是，如图3所示，推力室包括用于与其它部件连接的连接部分8(即前文所指的连接面)。例如，连接部分8的横向尺寸(如图中C-C1所示的方向)大于推力室壳体3部分的横向尺寸，从而上述流道的其中一个表面可以由连接部分8的靠近集液结构4的表面构成，从而环形流道由连接部分8的表面、集液结构4的内表面以及推力室头部壳体3外表面共同构成。此外，如图3所示，用于冷却液进出的入口7和出口9也通过贯穿连接部分与冷却液的流道连通。

在该实施例中，例如，从所述侧面41指向所述底面42的方向上(即图中从上到下的方向上)，所述侧面41到推力室头部壳体3的外表面的距离可以逐渐增大。这是因为，在图中所示的流道的上方，相应地壳体3受到热反浸较少，因此冷却液可以相对少一些。相反，在组成上述流道的壳体3的下方位置，受到的热反浸较多，因此，冷却液的量可以相对较多。本发明的实施例通过使流道的上下宽度不同，可以使对应壳体受热反浸较多的部分的流道更宽，从而通过对推力室头部壳体差异化的冷却，使推力室头部壳体的温度分布更加均匀，保护推力室头部壳体安全。

在一个实施例中，所述第一存储装置包括第一进液口和第一出液口，所述集液结构4包括第二进液口和第二出液口，所述第一出液口用于连通所述第二进液口，所述第二出液口用于连通所述第一进液口，所述第二进液口和所述第二出液口在推力室壳体3外侧彼此远离地设置。本发明的实施例，通过使设置在推力室壳体外侧的集液结构的进液口和出液口彼此远离的设置，可以提高冷却液在流道中的流动路径，增加换热时间，改善对推力室壳体的冷却效果。

需要指出的是，在设置在推力室头部壳体3外侧的集液结构4为冷凝管的情况下，集液结构4的进液口7和出液口9的距离影响不大。冷凝管的设置应以增加冷却液在冷凝管中的流动时间以及冷凝管与推力室头部壳体3的接触面积为原则，以改善冷却效果。

在一个实施例中，例如，所述集液结构4与所述推力室可以为一体结构。例如，集液结构4可以采取焊接的方式连接到推力室头部壳体3或者与推力室头部壳体一体成型，从而避免运载器工作时，特别是例如火箭飞行中受到剧烈扰动时，造成集液结构的损坏。

在一个实施例中，液体发动机还包括液体推进剂和燃料存储装置和用于存储气体的第二存储装置。其中所述第二存储装置用于通过其内存储的气体挤压所述液体推进剂存储装置，从而使液体推进剂通过推进剂入口进入所述燃烧室。具体地，如图4a所示，液体发动机包括氧化剂入口11和燃料入口12，例如，可以通过第二存储装置存储地气体挤压氧化剂或燃料而使其通过上述氧化剂入口11和燃料入口12进入推力室。例如，氧化剂通过喷注器10喷注至推力室与燃料混合燃烧。如图4a所示，所述集液结构4的外侧还设有集气结构5，所述集气结构5与所述第二存储装置彼此连通。本发明的实施例通过在集液结构的外侧设置集气结构，一方面可以进一步将与推力室头部壳体3进行热交换后的冷却液的热量带走，从而改善冷却液对推力室壳体3的降温效果。另一方面，受热的气体返回第二存储装置后，由于气体温度升高，因此压力增大，从而提高同等量的气体对液体推进剂存储装置的挤压能力，也即仅通过更少的气体即可实现同样的针对氧化剂或燃料的挤压效果。相对于运载器来说，第二存储装置存储的气体质量减轻，也可以减轻发动机的整体质量，从而间接地提高了运载器的发射能力。

参见图4b，在一个实施例中，所述集液结构4周向地设置在推力室头部壳体3的外表面，所述集气结构5周向地设置在所述集液结构4的外表面，从而所述集气结构5的内表面与所述集液结构4的外表面形成供气体流动的环形通道。例如，该环形通道完全由集气结构5的内表面和集液结构4的外表面形成，且该环形通道的一端包括进气口6，另一端设置出气口13。例如，如图4b所示，环形通道的进气口6和出气口13分别位于推力室头部壳体3的两侧(例如，进气口与出气口的连线恰好是环形通道的直径，即进气口与出气口设置在环形通道直径的两个端点上)，可以使从气体存储装置释放的气体自环形通道的进气口6从两个方向向出气口13运动，从而提高气体与集液结构换热的均匀性。

如图4a和4b所示，在该实施例中，例如，集气结构5可以为环形体结构，该环形体包括从内环向外环凹陷的凹槽，且环形体的内环尺寸与集液结构4的外侧尺寸相匹配，从而集气结构可以例如焊接到集液结构的外侧。当集气结构5安装到集液结构4的外侧之后，集气结构5的凹槽的内表面与集液结构4的外表面构成气体流动的通道。在工程中，例如，也可以首先形成具有一体结构的集液结构4和集气结构5，然后在整体连接到推力室的壳体3外。

在该实施例中，例如，所述集气结构5与所述集液结构4同轴。或者所述推力室、所述集气结构5和所述集液结构4均同轴。从而确保集液结构4与推力室壳体3的热交换的效果，以及集液结构4与集气结构5之间的换热效果，提高集液结构4对推力室头部壳体3冷却的均匀性，以及集液结构4对集气结构5中的气体加热的均匀性。此外，通过将集液结构4与集气结构5同轴设置，或将集液结构4、集气结构5和推力室均同轴设置，可以提高发动机结构的稳定性，从而进一步提高发动机的性能。

参见图5a和5b，在一个实施例中，所述集气结构5包括进气端6和出气端13，所述集液结构4包括进液端7和出液端9；且所述进气端6与所述进液端7位于头部壳体3的相同的一侧，所述出气端13和所述出液端9位于头部壳体3的另一侧。本发明的实施例通过将冷却液和气体的入口设置在同一侧，且将冷却液和气体出口设置在另一侧，保证了冷却液与气体能够同步加温，避免热对流过于剧烈，从而提高了发动机的安全性与可靠性。

参见图6a和图6b，在一个实施例中，在推力室的轴向方向(即图6a和图6b中的B-B1方向)上，所述集气结构5的尺寸h1小于所述集液结构4的尺寸h2。例如，如前所述，集气结构5和集液结构4均为环形结构，集液结构4在其轴向上的尺寸h2大于集气结构在该轴线方向上的尺寸h1。例如，在轴向方向上，所述集气结构5的的尺寸h1是所述集液结构4的尺寸h2的1/3-1/2。从而，集气机构5可以仅仅与集液结构4外侧的一部分接触，从而避免集气结构中的温度升高过多导致的气压过高的问题。

需要指出的是，推力室头部外壳的外侧还可以为多层集液结构，即可以在推力室壳体外设置多层用于冷却的集液结构，进而提高集液结构的冷却效果。在具有多层集液结构的情况下。例如，集气结构可以设置在两层集液结构之间。

本发明的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

本发明的另一个方面提供了一种运载器，其包括以上至少一种液体发动机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液体发动机，其特征在于，包括推力室、用于存储冷却液的第一存储装置，以及设置在所述推力室外的集液结构；其中所述推力室包括腔室和形成所述腔室的壳体，所述壳体包括位于推力室头部位置的头部壳体，所述集液结构设置于所述头部壳体上，所述集液结构与所述第一存储装置彼此连通；

所述集液结构周向地设置在所述头部壳体的外侧，从而所述集液结构的内表面与所述头部壳体的外表面形成供冷却液流动的环形流道；

所述第一存储装置包括第一进液口和第一出液口，所述集液结构包括第二进液口和第二出液口，所述第一出液口用于连通所述第二进液口，所述第二出液口用于连通所述第一进液口，所述第二进液口和所述第二出液口在所述壳体外侧上彼此远离地设置；

所述集液结构与所述推力室为一体结构。

2.根据权利要求1所述的液体发动机，其特征在于，所述集液结构的内表面包括侧面和底面，其中所述侧面面对所述壳体的外表面设置，所述底面连接所述侧面和所述外表面。

3.根据权利要求2所述的液体发动机，其特征在于，从所述侧面指向所述底面的方向上，所述侧面到所述外表面的距离逐渐增大。

4.根据权利要求1-3任一项所述的液体发动机，其特征在于，还包括液体推进剂存储装置和用于存储气体的第二存储装置；其中所述第二存储装置用于通过释放其内存储的气体挤压所述液体推进剂存储装置，从而使液体推进剂进入燃烧室；

所述集液结构的外侧还设有集气结构，所述集气结构与所述第二存储装置彼此连通。

5.根据权利要求4所述的液体发动机，其特征在于，所述集液结构周向地设置在所述头部壳体的外表面，所述集气结构周向地设置在所述集液结构的外表面，从而所述集气结构的内表面与所述集液结构的外表面形成供气体流动的环形通道。

6.根据权利要求4所述的液体发动机，其特征在于，所述集气结构包括进气端和出气端，所述集液结构包括进液端和出液端；且所述进气端与所述进液端位于所述头部壳体的同侧，所述出气端和所述出液端位于所述头部壳体的另一侧。

7.根据权利要求4所述的液体发动机，其特征在于，在推力室的轴向方向上，所述集气结构的尺寸小于所述集液结构的尺寸。

8.一种运载器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的液体发动机。