CN110700964B - 推进剂供应系统、火箭发动机及火箭 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种推进剂供应系统、火箭发动机及火箭，涉及燃气推进装置的技术领域。其中，推进剂供应系统包括燃料供应系统、氧化剂供应系统和控制装置，燃料供应系统的管路设置有第一流量调节阀，和/或，氧化剂供应系统的管路设置有第二流量调节阀；第一流量调节阀和第二流量调节阀均与控制装置连接。该推进剂供应系统当实现大的流量调节比时，控制装置通过第一流量调节阀调节燃料的流量，通过第二流量调节阀调节氧化剂的流量，大大减少了管路数量，从而能够减小整体结构，减轻整体重量。此外，由于管路数量减少，燃料或氧化剂的流动路径缩短，燃料或氧化剂在流动过程中的压力损失减小。

Description

推进剂供应系统、火箭发动机及火箭

技术领域

本发明涉及燃气推进装置的技术领域，尤其是涉及一种推进剂供应系统、火箭发动机及火箭。

背景技术

近些年，航天领域的发展对传统的变推力火箭发动机提出了更高的要求。载人登月、火星探测或深空探测任务中，火箭发动机需要工作在引射模态、亚燃/超燃模态和纯火箭模态等工况下，不同的工况对火箭发动机的推力的要求差异很大，因此要求火箭发动机需要具有较大的推力变化范围，而火箭发动机的推力调节是通过推进剂的流量调节实现的。

现有技术中的推进剂供应系统的流量调节主要通过喷注器调节和管路调节等实现，其中，管路调节主要依靠多组管路并联来实现，在较小流量变化的情况下，调节情况良好，但对于流量调节比大(例如：大于10:1)的情况，推进剂供应系统的管路数量较多、结构庞大。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种推进剂供应系统，以缓解现有技术中存在的通过并联管路以调节流量的推进剂供应系统在流量调节比大时，结构庞大的技术问题。

本发明提供的推进剂供应系统，包括燃料供应系统、氧化剂供应系统和控制装置，所述燃料供应系统的管路设置有第一流量调节阀，和/或，所述氧化剂供应系统的管路设置有第二流量调节阀；所述第一流量调节阀和所述第二流量调节阀均与所述控制装置连接。

进一步地，所述燃料供应系统的管路上还设置有燃料储罐、第一流量计、第一通断阀和第一单向阀，且沿燃料的流动方向，所述燃料储罐、所述第一流量计、所述第一流量调节阀、所述第一通断阀和所述第一单向阀依次设置；

所述第一流量计与所述控制装置连接，所述第一通断阀用于控制所述燃料供应系统的管路的通断。

进一步地，所述燃料供应系统还包括增压装置，所述增压装置包括气体储罐和连通在所述气体储罐与所述燃料储罐之间的增压管路，且沿从所述气体储罐到所述燃料储罐的方向，所述增压管路上依次设置有气体储罐压力表、第二通断阀、第一过滤器、第一减压器上游压力传感器、第一减压器、第一减压器下游压力传感器、第三通断阀和第二单向阀；

所述第一减压器上游压力传感器和所述第一减压器下游压力传感器均与所述控制装置连接；所述第二通断阀和所述第三通断阀均用于控制所述燃料供应系统的管路的通断。

进一步地，所述燃料储罐设置有第一安全阀和第一泄放阀，和/或，所述气体储罐设置有第二安全阀和第二泄放阀。

进一步地，所述第一流量调节阀为电液伺服阀。

进一步地，所述氧化剂供应系统的管路上还设置有氧化剂储罐、氧化剂储罐压力表、第四通断阀、第二过滤器、第二减压器上游压力传感器、第二减压器、第二减压器下游压力传感器、第二流量计、第五通断阀和第三单向阀，且沿氧化剂的流动方向，所述氧化剂储罐、所述氧化剂储罐压力表、所述第四通断阀、所述第二过滤器、所述第二减压器上游压力传感器、所述第二减压器、所述第二减压器下游压力传感器、所述第二流量计、所述第二流量调节阀、所述第五通断阀和所述第三单向阀依次设置；

所述第二减压器上游压力传感器和所述第二减压器下游压力传感器均与控制装置连接；所述第四通断阀和所述第五通断阀均用于控制所述氧化剂供应系统的管路的通断。

进一步地，所述氧化剂储罐设置有第三安全阀和第三泄放阀。

进一步地，所述第二流量调节阀为针式调节阀。

本发明提供的推进剂供应系统能够产生以下有益效果：

本发明提供的推进剂供应系统，以燃料供应系统的管路设置有第一流量调节阀，且氧化剂供应系统的管路设置有第二流量调节阀为例进行说明，当实现大的流量调节比时，该推进剂供应系统的控制装置通过第一流量调节阀调节燃料的流量，通过第二流量调节阀调节氧化剂的流量，实现了推进剂供应系统的流量调节，相比现有技术中设置多个管路并联以对流量进行调节的方式，本发明的推进剂供应系统大大减少了燃料供应系统和氧化剂供应系统的管路数量，从而能够减小推进剂供应系统的整体结构，减轻推进剂供应系统的整体重量，进而能够减轻火箭的负荷或者使火箭能够携带更多的推进剂，最终延长火箭的航行距离。

本发明提供的推进剂供应系统，也可以只有燃料供应系统设置有第一流量调节阀，或者只有氧化剂供应系统设置有第二流量调节阀。以上两种设置方式同现有技术中的并联管路以调节流量的方式相比，分别实现了燃料供应系统的管路数量的减少和氧化剂供应系统的管路数量的减少，从而都能够在一定程度上减小推进剂供应系统的整体结构、减轻推进剂供应系统的整体重量，进而也能够在一定程度上减轻火箭的负荷或者使火箭能够携带更多的推进剂，最终延长火箭的航行距离。

此外，由于推进剂供应系统的管路数量减少，燃料或氧化剂的流动路径缩短，从而能够减少燃料或氧化剂在流动过程中的压力损失，保持压力稳定，进而有利于维持火箭稳定运行；并且，相比于通过并联管路调节流量的推进剂供应系统，本发明提供的推进剂供应系统采用流量调节阀进行流量调节更容易实现大的流量调节比，以满足火箭不同工况下的需求。

本发明的第二个目的在于提供一种火箭发动机，以缓解现有技术中存在的通过并联管路以调节流量的推进剂供应系统在流量调节比大时，结构庞大的技术问题。

本发明提供的火箭发动机，包括推力室和所述的推进剂供应系统，所述推进剂供应系统与所述推力室的燃烧室相连。

本发明提供的火箭发动机，其推进剂供应系统具有上述的所有有益效果，故在此不再赘述。

本发明的第三个目的在于提供一种火箭，以缓解现有技术中存在的通过并联管路以调节流量的推进剂供应系统在流量调节比大时，结构庞大的技术问题。

本发明提供的火箭，包括所述的火箭发动机。

本发明提供的火箭，其火箭发动机的推进剂供应系统具有上述的所有有益效果，故在此亦不再赘述。

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推进剂供应系统与燃烧室相连时的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的火箭发动机在热态验证试验时的燃烧室压力随时间变化的曲线图。

图标：

110-燃料储罐；111-第一安全阀；112-第一泄放阀；120-第一流量计；130-第一流量调节阀；140-第一通断阀；150-第一单向阀；

210-气体储罐；211-第二安全阀；212-第二泄放阀；220-气体储罐压力表；230-第二通断阀；240-第一过滤器；250-第一减压器上游压力传感器；260-第一减压器；270-第一减压器下游压力传感器；280-第三通断阀；290-第二单向阀；

310-氧化剂储罐；311-第三安全阀；312-第三泄放阀；320-氧化剂储罐压力表；330-第四通断阀；340-第二过滤器；350-第二减压器上游压力传感器；360-第二减压器；370-第二减压器下游压力传感器；380-第二流量计；390-第二流量调节阀；391-第五通断阀；392-第三单向阀；

400-控制装置；

500-燃烧室。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供一种推进剂供应系统，用于供应液体推进剂和气体推进剂，如图1所示，该推进剂供应系统包括燃料供应系统、氧化剂供应系统和控制装置400，燃料供应系统的管路设置有第一流量调节阀130，氧化剂供应系统的管路设置有第二流量调节阀390；第一流量调节阀130和第二流量调节阀390均与控制装置400连接。

本实施例提供的推进剂供应系统，当实现大的流量调节比时，控制装置400通过第一流量调节阀130调节燃料的流量，通过第二流量调节阀390调节氧化剂的流量，实现了推进剂供应系统的流量调节，相比现有技术中设置多个管路并联以对流量进行调节的方式，该推进剂供应系统大大减少了燃料供应系统和氧化剂供应系统的管路数量，从而能够减小推进剂供应系统的整体结构，减轻推进剂供应系统的整体重量，进而能够减轻火箭的负荷或者使火箭能够携带更多的推进剂，最终延长火箭的航行距离。

此外，由于推进剂供应系统的管路数量减少，燃料或氧化剂的流动路径缩短，从而能够减少燃料或氧化剂在流动过程中的压力损失，保持压力稳定，进而有利于维持火箭稳定运行；并且，相比于通过并联管路调节流量的推进剂供应系统，本申请提供的推进剂供应系统采用流量调节阀进行流量调节更容易实现大的流量调节比，以满足火箭不同工况下的需求。

在本申请的其他实施例中，推进剂供应系统也可以只有燃料供应系统设置有第一流量调节阀130，或者只有氧化剂供应系统设置有第二流量调节阀390。

本实施例中，具体地，第一流量调节阀130可以为电液伺服阀，更具体地，第一流量调节阀130可以为液体电液伺服阀。

本实施例中，具体地，第二流量调节阀390可以为针式调节阀，更具体地，第二流量调节阀390可以为气体针式调节阀。

本实施例中，请继续参照图1，燃料供应系统的管路上还设置有燃料储罐110、第一流量计120、第一通断阀140和第一单向阀150，且沿燃料的流动方向，燃料储罐110、第一流量计120、第一流量调节阀130、第一通断阀140和第一单向阀150依次设置；第一流量计120与控制装置400连接，第一通断阀140用于控制燃料供应系统的管路的通断。

具体地，燃料储罐110用于储存液体燃料，例如，火箭用煤油。

具体地，第一流量计120可以为涡轮流量计。

具体地，第一通断阀140可以为电磁阀，且该电磁阀与控制装置400连接。使用电磁阀控制燃料供应系统的管路的通断，更加及时高效。当然，第一通断阀140也可以是手动阀，本实施例并不对此进行限制。

本实施例中，请继续参照图1，燃料供应系统还包括增压装置，增压装置用于为燃料储罐110内的燃料增压以使燃料保持一定的工作压力；增压装置包括气体储罐210和连通在气体储罐210与燃料储罐110之间的增压管路，且沿从气体储罐210到燃料储罐110的方向，增压管路上依次设置有气体储罐压力表220、第二通断阀230、第一过滤器240、第一减压器上游压力传感器250、第一减压器260、第一减压器下游压力传感器270、第三通断阀280和第二单向阀290；第一减压器上游压力传感器250和第一减压器下游压力传感器270均与控制装置400连接；第二通断阀230和第三通断阀280均用于控制燃料供应系统的管路的通断。

具体地，气体储罐210储存有氮气，即，本实施例使用氮气为燃料储罐110内的燃料增压。在本申请的其他实施例中，气体储罐210还可以储存有其他气体，例如：氦气，即，使用氦气为燃料储罐110内的燃料增压。

具体地，第二通断阀230可以为手动阀，更具体地，第二通断阀230可以为手动球阀。

具体地，同第一通断阀140一样，第三通断阀280也可以为电磁阀，且该电磁阀与控制装置400连接。使用电磁阀控制增压管路的通断，同样具有及时高效的优点。当然，第三通断阀280也可以是手动阀，本实施例并不对此进行限制。

本实施例中，请继续参照图1，燃料储罐110设置有第一安全阀111和第一泄放阀112，气体储罐210设置有第二安全阀211和第二泄放阀212。其中，第一安全阀111起被动保护的作用，当燃料储罐110内的压力超过设定压力时自动泄压，且待燃料储罐110内的压力泄至设定压力时自动停止；第一泄放阀112主要在维修时使用，维修人员根据需要手动开启第一泄放阀112以将燃料储罐110内的压力泄至所需压力。第二安全阀211与第一安全阀111的作用和工作原理类似，第二泄放阀212与第一泄放阀112的作用和工作原理类似，故在此均不再赘述。

需要说明的是，在本申请的其他实施例中，也可以只有燃料储罐110设置有第一安全阀111和第一泄放阀112，或者只有气体储罐210设置有第二安全阀211和第二泄放阀212。

本实施例中，请继续参照图1，氧化剂供应系统的管路上还设置有氧化剂储罐310、氧化剂储罐压力表320、第四通断阀330、第二过滤器340、第二减压器上游压力传感器350、第二减压器360、第二减压器下游压力传感器370、第二流量计380、第五通断阀391和第三单向阀392，且沿氧化剂的流动方向，氧化剂储罐310、氧化剂储罐压力表320、第四通断阀330、第二过滤器340、第二减压器上游压力传感器350、第二减压器360、第二减压器下游压力传感器370、第二流量计380、第二流量调节阀390、第五通断阀391和第三单向阀392依次设置；第二减压器上游压力传感器350和第二减压器下游压力传感器370均与控制装置400连接；第四通断阀330和第五通断阀391均用于控制氧化剂供应系统的管路的通断。

具体地，氧化剂储罐310可以储存有氧气，即，本实施例使用氧气作为氧化剂。

具体地，同第二通断阀230一样，第四通断阀330也可以为手动阀，更具体地，第四通断阀330可以为手动球阀。

具体地，第二流量计380可以为科氏流量计。

具体地，同第一通断阀140和第三通断阀280一样，第五通断阀391也可以为电磁阀，且该电磁阀与控制装置400连接。使用电磁阀控制氧化剂供应系统的管路的通断，同样具有及时高效的优点。当然，第五通断阀391也可以是手动阀，本实施例并不对此进行限制。

本实施例中，请继续参照图1，氧化剂储罐310设置有第三安全阀311和第三泄放阀312。第三安全阀311与第一安全阀111的作用和工作原理类似，第三泄放阀312与第一泄放阀112的作用和工作原理类似，故在此均不再赘述。

本实施例还提供一种火箭发动机，包括推力室和上述的推进剂供应系统，推进剂供应系统与推力室的燃烧室500相连。通过对该火箭发动机进行热态验证实验，可以得知，该火箭发动机工作正常，且挤压式供应系统能够按照要求进行流量调节。图2为本实施例提供的火箭发动机在热态验证试验时的燃烧室压力随时间变化的曲线图。如图2所示，该火箭发动机实现了三种工况下的正常工作，且三种工况下燃烧室500的压力相差比较大，但由第一工况向第二工况过渡的过程，以及由第二工况向第三工况过渡的过程都比较平稳。而不同工况下燃烧室500的压力的较大变化是由推进剂供应系统的大的流量调节比的流量调节实现的，又因为燃烧室500的压力与火箭发动机的推力正相关，所以，该火箭发动机的推进剂供应系统通过大的流量调节比，实现了火箭发动机在不同工况下燃烧室500的压力的较大变化，进而实现了大范围的推力调节。

具体地，本实施例中，火箭发动机为变推力火箭发动机。该变推力火箭发动机在工作过程中，推进剂供应系统能够实时调节推进剂的流量，且能够根据各传感器等的反馈进行修正，进而实现推进剂流量的负反馈闭环调节，保证了推进剂流量的高精度控制。

具体地，热态验证试验前需要对推进剂供应系统进行冷态下的检查或调试，具体包括：

关于燃料供应系统，需要进行以下检查或调试：

检查气体储罐压力表220的示数是否在设定值以上，以确保气体储罐210内的氮气的压力满足要求；若气体储罐210内的氮气的压力不满足要求，则向气体储罐210内充入氮气，直至气体储罐210内的氮气的压力满足要求；

检查燃料储罐110的煤油的液位是否不低于燃料储罐110的总高度的20％，以确保煤油足够；若煤油的液位过低，则向燃料储罐110内补充煤油，直至煤油的液位达到设定液位；

打开增压管路的手动球阀，高压氮气流动至第一减压器260的上游，通过查看第一减压器上游压力传感器250并缓慢调节第一减压器260的方式为燃料储罐110增压，当第一减压器下游压力传感器270的示数到达设定值时，增压完毕，等待试验进行。

关于氧化剂供应系统，需要进行以下检查或调试：

检查氧化剂储罐压力表320的示数是否在设定值以上，以确保氧化剂储罐310内的氧气的压力满足要求；若氧化剂储罐310内的氧气的压力不满足要求，则向氧化剂储罐310内充入氧气，直至氧化剂储罐310内的氧气的压力满足要求；

打开氧化剂供应系统的管路的手动球阀，高压氧气流动至第二减压器360的上游，可通过查看第二减压器上游压力传感器350并调整第二减压器360的方式，使第二减压器下游压力传感器370的示数到达设计值，等待试验进行。

各项检查和调试都完成后，进行热态验证试验，试验过程中，控制装置采集第一减压器上游压力传感器250、第一减压器下游压力传感器270、第二减压器上游压力传感器350、第二减压器下游压力传感器370、第一流量计120和第二流量计380的信息，并根据所采集的信息控制第一流量调节阀130、第一通断阀140、第三通断阀280、第二流量调节阀390和第五通断阀391。其中，对燃料的流量调节中，第一流量计120的值为输入，第一流量调节阀130的动作为输出；对氧化剂的流量调节中，第二减压器下游压力传感器370的值为输入，第二流量调节阀390的动作为输出。

本实施例还提供一种火箭，该火箭包括上述的火箭发动机。

本实施例提供的火箭，具有上述的火箭发动机的全部有益效果，故在此不再赘述。

最后应说明的是：以上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实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种推进剂供应系统，其特征在于，包括燃料供应系统、氧化剂供应系统和控制装置(400)，所述燃料供应系统的管路设置有第一流量调节阀(130)，所述氧化剂供应系统的管路设置有第二流量调节阀(390)；所述第一流量调节阀(130)和所述第二流量调节阀(390)均与所述控制装置(400)连接；

所述燃料供应系统的管路上还设置有与所述控制装置(400)连接的第一流量计(120)，所述氧化剂供应系统的管路上还设置有与控制装置(400)连接的第二流量计(380)；

所述第一流量计(120)用于监测所述燃料供应系统管路流量，所述第二流量计(380)用于监测所述氧化剂供应系统管路流量，所述控制装置(400)用于接收所述第一流量计(120)和所述第二流量计(380)监测信息，同时根据所检测的信息实时调节所述第一流量调节阀(130)和所述第二流量调节阀(390)的流量大小；

所述控制装置(400)与所述第一流量计(120)和所述第二流量计(380)配合实时调节所述第一流量调节阀(130)和所述第二流量调节阀(390)以调节流量大小是在单次连续实验过程中进行；

所述燃料供应系统用于供应液体燃料，所述氧化剂供应系统用于供应气体氧化剂。

2.根据权利要求1所述的推进剂供应系统，其特征在于，所述燃料供应系统的管路上还设置有燃料储罐(110)、第一通断阀(140)和第一单向阀(150)，且沿燃料的流动方向，所述燃料储罐(110)、所述第一流量计(120)、所述第一流量调节阀(130)、所述第一通断阀(140)和所述第一单向阀(150)依次设置；

所述第一通断阀(140)用于控制所述燃料供应系统的管路的通断。

3.根据权利要求2所述的推进剂供应系统，其特征在于，所述燃料供应系统还包括增压装置，所述增压装置包括气体储罐(210)和连通在所述气体储罐(210)与所述燃料储罐(110)之间的增压管路，且沿从所述气体储罐(210)到所述燃料储罐(110)的方向，所述增压管路上依次设置有气体储罐压力表(220)、第二通断阀(230)、第一过滤器(240)、第一减压器上游压力传感器(250)、第一减压器(260)、第一减压器下游压力传感器(270)、第三通断阀(280)和第二单向阀(290)；

所述第一减压器上游压力传感器(250)和所述第一减压器下游压力传感器(270)均与所述控制装置(400)连接；所述第二通断阀(230)和所述第三通断阀(280)均用于控制所述燃料供应系统的管路的通断。

4.根据权利要求3所述的推进剂供应系统，其特征在于，所述燃料储罐(110)设置有第一安全阀(111)和第一泄放阀(112)，和/或，所述气体储罐(210)设置有第二安全阀(211)和第二泄放阀(212)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的推进剂供应系统，其特征在于，所述第一流量调节阀(130)为电液伺服阀。

6.根据权利要求1所述的推进剂供应系统，其特征在于，所述氧化剂供应系统的管路上还设置有氧化剂储罐(310)、氧化剂储罐压力表(320)、第四通断阀(330)、第二过滤器(340)、第二减压器上游压力传感器(350)、第二减压器(360)、第二减压器下游压力传感器(370)、第五通断阀(391)和第三单向阀(392)，且沿氧化剂的流动方向，所述氧化剂储罐(310)、所述氧化剂储罐压力表(320)、所述第四通断阀(330)、所述第二过滤器(340)、所述第二减压器上游压力传感器(350)、所述第二减压器(360)、所述第二减压器下游压力传感器(370)、所述第二流量计(380)、所述第二流量调节阀(390)、所述第五通断阀(391)和所述第三单向阀(392)依次设置；

所述第二减压器上游压力传感器(350)和所述第二减压器下游压力传感器(370)均与控制装置(400)连接；所述第四通断阀(330)和所述第五通断阀(391)均用于控制所述氧化剂供应系统的管路的通断。

7.根据权利要求6所述的推进剂供应系统，其特征在于，所述氧化剂储罐(310)设置有第三安全阀(311)和第三泄放阀(312)。

8.根据权利要求1、6或7所述的推进剂供应系统，其特征在于，所述第二流量调节阀(390)为针式调节阀。

9.一种火箭发动机，其特征在于，包括推力室和权利要求1-8任一项所述的推进剂供应系统，所述推进剂供应系统与所述推力室的燃烧室(500)相连。

10.一种火箭，其特征在于，包括权利要求9所述的火箭发动机。

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