CN110985238A - 一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机，包括：同轴式氧化剂/燃料涡轮泵，副系统和至少一个推力室；各推力室，由上到下均包括依次相连接贯通的喷注室、催化室、燃烧室和拉法尔喷管，还包括一喷注器；上述同轴式氧化剂/燃料涡轮泵，为三个独立腔室的涡轮泵，各腔室分别为氧化剂腔室、燃料腔室和高温燃气腔室；氧化剂腔室的进口用于与氧化剂源相连通，出口与氧化剂通道的进口端相连通；燃料腔室进口用于与燃料源相连通，出口与喷注器的进口相连通。副系统，其进口端与推进剂源相连通，出口端与高温燃气腔室相连接，用于向高温燃气腔室内输送高温燃气。通过氧化剂催化后的高温燃气与燃料接触自然的特性，简化了机构。

Description

一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机

【技术领域】

本发明属于液体火箭发动机技术领域，尤其涉及一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机。

【背景技术】

变推力液体火箭发动机由于推力可控，混合比可调，能够完成多样式航天任务，是航天领域重要的推进系统。但是采用的改变推力的方案各不相同，多存在如下问题：1.由于涡轮泵中燃料的出口压力和泵的转速存在耦合，使涡轮泵的速度不宜控制，当向推力室输送燃料和养护剂时，很难精确控制输送量，且输送量调节范围有限，发动机难于实现变推力。2.发动机结构复杂、体积大，不利于在民用领域使用。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机，通过氧化剂催化后的高温燃气与燃料接触自然的特性，简化了机构；并采用独立的副系统提供涡轮泵所需的推进剂，避免了免了推进剂的流量与涡轮泵的转速存在耦合关系。

本发明采用以下技术方案，一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机，包括：同轴式氧化剂/燃料涡轮泵，副系统和至少一个推力室；各推力室，由上到下均包括依次相连接贯通的喷注室、催化室、燃烧室和拉法尔喷管，还包括一喷注器；喷注器，轴向同轴贯通设置于喷注室、催化室和燃烧室内，其喷射端位于燃烧室内；喷注器与喷注室、催化室和燃烧室的内壁间形成相贯通的氧化剂通道；其喷射端设置有开口大小可调的燃料喷注口，用于朝向燃烧室内喷注燃料，与分解后的氧化剂混合燃烧。

上述同轴式氧化剂/燃料涡轮泵，为三个独立腔室的涡轮泵，各腔室分别为氧化剂腔室、燃料腔室和高温燃气腔室；氧化剂腔室的进口用于与氧化剂源相连通，出口与氧化剂通道的进口端相连通；燃料腔室进口用于与燃料源相连通，出口与喷注器的进口相连通。

上述副系统，其进口端与推进剂源相连通，出口端与高温燃气腔室相连接，用于向高温燃气腔室内输送高温燃气，高温燃气启动同轴式氧化剂/燃料涡轮泵，对氧化剂和燃料增压；增压后的氧化剂由氧化剂腔室的出口输送至氧化剂通道；增压后的燃料由燃料腔室出口输送至喷注器。

进一步地，该副系统为电机泵系统，包括：泵、电机和电机控制器及电池组；泵、电机和电机控制器及电池组依次连接；泵的进口端用于与副系统进口阀相连接，泵的出口端与燃气发生器相连接，通过电机改变泵的功率，以改变推进剂的输送量。

进一步地，该催化室与喷注室之间、以及催化室与燃烧室之间分别对应设置有水平向均流板和支撑板，均流板和支撑板之间填满用于催化分解氧化剂的催化剂、且均流板和支撑板上均开通设置有供氧化剂流通的通孔。

进一步地，该喷注器包括：壳体，为筒状；针栓，同轴套设于壳体内，与壳体间形成竖直向的流通通道；针栓由上到下包括导向段、活塞段、连接段和作为喷射端的半球体；半球体的直径大于壳体的直径，且其水平面的一端向上，半球体位于壳体外，且随着针栓相对壳体的上下滑动、半球体与壳体之间形成大小可调的煤油喷注口。

进一步地，在活塞段上、沿外壁开设有螺旋状的导流通道，导向段和壳体之间、活塞端的导流通道、连接段和壳体之间依次连通形成燃料流道。

进一步地，该均流板，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于喷注器穿过，在均流板上均布开设用于供氧化剂流通的通孔。

进一步地，该支撑板，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于喷注器穿过，在支撑板上均布开设用于供氧化剂流通的通孔。

进一步地，在催化室的中部设置有止流环，止流环为一圆环体，其侧壁紧密贴于催化室的内壁。

进一步地，该燃烧室，由一双层中空壳体结构，双层壳体间形成氧化剂流体通道，流体通道的上部通过连接管与喷注室连通；燃烧室的端部同轴设置拉法尔喷管，拉法尔喷管为一双层中空壳体，双层壳体间形成氧化剂流体通道，与燃烧室的氧化剂流体通道相连通；拉法尔喷管的下部上设置有氧化剂入口，与氧化剂腔的出口管路连接

进一步地，该高温燃气腔室中设置有涡轮，其他两个腔室中均沿轴向设置有一离心叶轮，各离心叶轮通过一转轴连接，并与涡轮泵相连接，以在涡轮泵启动时，带动各离心叶轮转动。

本发明的有益效果是：1.通过副系统为燃气发生器提供独立的推进剂，且通过电机控制推进剂的输送量，避免了推进剂的流量与涡轮泵的转速存在耦合关系。2通过电机控制推进剂的量，实现了推进剂流量的精确控制。3.推力室通过氧化剂催化后的高温燃气与燃料接触自然的特性，简化了点火结构，简化了推力室的结构。4.可改变进入燃烧室内的氧化剂和燃料的流量，以实现改变推力室的推力。

【附图说明】

图1为本发明一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机的结构示意图。

图2为推力室的结构示意图。

其中：1.喷注室；2.催化室；3.燃烧室；4.拉法尔喷管；5.喷注器；5-1.针栓；5-2.导流通道；5-3.半球体；5-4.壳体；6.均流板；8.止流环；7.压紧板；9.氧化剂进口；10.连接管；101.推力室；201.同轴式氧化剂/燃料涡轮泵；2011.氧化剂腔；2012.煤油腔；2013.高温燃气腔；202.氧化剂开启阀；203.煤油开启阀；204.煤油流量调节器；205.煤油分流阀；206.氧化剂主阀；207.燃气发生器；208.副系统进口阀；209.泵；210.电机；211.电机控制器及电池组。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本实施例中，氧化剂为过氧化氢，燃料为煤油，推进剂为煤油。

本实施例公开了一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机，如图1和2所示，包括：同轴式氧化剂/燃料涡轮泵201，副系统和至少一个推力室101；各推力室101，由上到下均包括依次相连接贯通的喷注室1、催化室2、燃烧室3和拉法尔喷管4，还包括一喷注器5；喷注器5，轴向同轴贯通设置于喷注室1、催化室2和燃烧室3内，其喷射端位于燃烧室3内；喷注器5与喷注室1、催化室2和燃烧室3的内壁间形成相贯通的氧化剂通道；其喷射端设置有开口大小可调的燃料喷注口，用于朝向燃烧室3内喷注燃料，与分解后的氧化剂混合燃烧。

上述同轴式氧化剂/燃料涡轮泵201，为三个独立腔室的涡轮泵，各腔室分别为氧化剂腔室2011、燃料腔室2012和高温燃气腔室2013；氧化剂腔室2011的进口用于与氧化剂源相连通，出口与氧化剂通道的进口端相连通；燃料腔室2012进口用于与燃料源相连通，出口与喷注器5的进口相连通。

上述副系统，其进口端与推进剂源相连通，出口端通过燃气发生器207与所述高温燃气腔室(2013)相连接，与高温燃气腔室2013相连接，用于向高温燃气腔室2013内输送高温燃气，高温燃气启动同轴式氧化剂/燃料涡轮泵201，对氧化剂和燃料增压；增压后的氧化剂由氧化剂腔室2011的出口输送至氧化剂通道；增压后的燃料由燃料腔室2012出口输送至喷注器5。

上述副系统为电机泵系统，独立的供给推进剂，包括：包括泵209、电机210和电机控制器及电池组211；泵209、电机210和电机控制器及电池组211依次连接；泵209的进口端用于与副系统进口阀208相连接，泵209的出口端与燃气发生器207相连接；通过电机210改变泵209的功率，以改变推进剂的输送量。

在催化室2与喷注室1之间、以及催化室2与燃烧室3之间分别对应设置有水平向均流板6和支撑板7，均流板6和支撑板7之间填满用于催化分解氧化剂的催化剂、且均流板6和支撑板7上均开通设置有供氧化剂流通的通孔。

上述喷注器5包括：壳体5-4，为筒状；针栓5-1，同轴套设于壳体5-4内，与壳体5-4间形成竖直向的流通通道；针栓5-1由上到下包括导向段、活塞段、连接段和作为喷射端的半球体；半球体5-3的直径大于壳体5-4的直径，且其水平面的一端向上，半球体位于壳体5-4外，且随着针栓5-1相对壳体5-4的上下滑动、半球体5-3与壳体5-4之间形成大小可调的煤油喷注口。流体竖直向流出后，转为水平向，然后与半球体的光滑弧面碰撞，由于球面为光滑状，没有突出的部分，所以流体流出时不会产生回流区，正向与氧化氢分解气接触。

在活塞段上、沿外壁开设有螺旋状的导流通道5-2，导向段和壳体5-4之间、活塞端的导流通道5-2、连接段和壳体5-4之间依次连通形成燃料流道。

为了使过氧化氢能够与催化剂充分接触，在进入催化室3前，对过氧化氢均匀分散。则设置均流板6，均流板6，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于喷注器5穿过，在均流板6上均布开设用于供氧化剂流通的通孔。支撑板7，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于喷注器5穿过，在支撑板7上均布开设用于供氧化剂流通的通孔。

当过氧化氢流体进入催化室2后，与催化剂相接触，但是，由于催化剂不可能与侧壁紧密贴合，则部分过氧化氢会贴于侧壁面向下流，如果过氧化氢贴于侧壁流下，就不能与催化剂相作用，所以还设置一在催化室2的中部设置有止流环8，止流环8为一圆环体，其侧壁紧密贴于催化室2的内壁。为了使止流环8更牢固，可在圆环内绕其一周间隔设置过个水平向的连接柱。

上述燃烧室3，由一双层中空壳体结构，双层壳体间形成氧化剂流体通道，流体通道的上部通过连接管10与喷注室1连通；燃烧室3的端部同轴设置拉法尔喷管4，拉法尔喷管4为一双层中空壳体，双层壳体间形成氧化剂流体通道，与燃烧室3的氧化剂流体通道相连通；拉法尔喷管4的下部上设置有氧化剂入口9，与氧化剂腔2011的出口管路连接。

上述高温燃气腔室2013中设置有涡轮，其他两个腔室中均沿轴向设置有一离心叶轮，各离心叶轮通过一转轴连接，并与涡轮泵相连接，以在涡轮泵启动时，带动各离心叶轮转动。

上述喷注室1，由上到下包括一体连接的筒状段和扩张段，在扩张段内、且绕其一周间隔设置有多个竖直向的分隔板，将扩张段分割为多个独立的腔室，各腔室均与筒状段相连通，用于盛接过氧化氢。将过氧化氢进行预分布，以保证能均匀地进入催化室2。

本实施例中为500kg推力小型液体火箭发动机，当为两个推力室101时，每个推力室101推力为250kg。

氧化剂开启阀202安装在氧化剂腔2011的入口的管路上，煤油开启阀203通过管路与煤油腔2012入口处连接、氧化剂主阀206与氧化剂腔2011的出口的管路连接，煤油流量调节器204通过管路与煤油腔2012的出口处连接、燃气发生器7出口通过管路与2013.高温燃气腔的入口处连接。

副系统进口阀208安装方向与氧化剂开启阀202、煤油开启阀203相同，电机泵209安装在副系统进口阀208下方、电机210安装在电机泵209下方，两者通过传动轴连接、电机控制器及电池组211安装电机210下方，两者通过电缆连接，电机泵209出口通过管路与燃气发生器207连接,燃气发生器207另一端通过管路与燃气喷嘴连接，燃气喷嘴焊接或安装在同轴式氧化剂/燃料涡轮泵201上。

上述装置中针对涡轮燃气为单组元分解的推进剂，若对于双组元的推进剂仅需在系统上设置两套副系统进口阀208、电机泵209、电机210，一套用于氧化剂，一套用于燃料，其电机驱动可来源于同一套控制器及电池组211，出口同时通过管路连接燃气发生器207即可实现功能。

启动及稳态工作模式：

发动机工作时，首先打开副系统进口阀208，电机控制器及电池组211控制电机210旋转并带动泵209，使外部储箱中的单组元推进剂通过泵209增压后进入燃气发生器207，在燃气发生器207内催化分解成氧化剂燃气、膨胀并建立一定压力后，通过煤油分流阀205进入涡轮泵轮旋转，并带动设置在高温燃气腔2013内的涡轮旋转。涡轮达到一定转速后，打开氧化剂开启阀202，使氧化剂箱内的高浓度氧化剂溶液通氧化剂开启阀202进入到氧化剂/燃料涡轮泵201内在1内完成增压后通过氧化剂主阀206后进入推力室101工作。

之后打开煤油开启阀203，燃料储箱内的燃料通过煤油开启阀203进入煤油腔2012.，增压后从出口流出进入煤油流量调节器204，经过流量调节后进入推力室101工作。

发动机推力调节模式：

当发动机推力需要提高时，电机控制器及电池组211提高电机210及电机泵209的转速，增加去往燃气发生器207的氧化剂质量，进而调节涡轮泵的功率和转速，当涡轮泵转速提高时，其设置的氧化剂腔2011出口压力随之提高，流经氧化剂主阀206进入燃烧室的流量随之提高，此时同时调节煤油流量调节器204，增加进入燃烧室的燃料流量，发动机推力室101的推力随之提高。

当发动机推力需要降低时，与上述不同之处是，电机控制器及电池组211降低电机210及电机泵209的转速，减少去往燃气发生器207的氧化剂质量，进而调节涡轮泵的功率和转速，最终发动机推力室101的推力降低。

发动机停车模式：

缓慢减低并关闭电机210及电机泵209的转速，进而减少进入燃气发生器207的氧化剂流量，涡轮泵功率和转速随之缓慢降低，发动机燃烧室缓慢熄火。

Claims (10)

1.一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机，其特征在于，包括：同轴式氧化剂/燃料涡轮泵(201)，副系统和至少一个推力室(101)；

各所述推力室(101)，由上到下均包括依次相连接贯通的喷注室(1)、催化室(2)、燃烧室(3)和拉法尔喷管(4)，还包括一喷注器(5)；

所述喷注器(5)，轴向同轴贯通设置于所述喷注室(1)、催化室(2)和燃烧室(3)内，其喷射端位于所述燃烧室(3)内；所述喷注器(5)与所述喷注室(1)、催化室(2)和燃烧室(3)的内壁间形成相贯通的氧化剂通道；其喷射端设置有开口大小可调的燃料喷注口，用于朝向所述燃烧室(3)内喷注燃料，与分解后的氧化剂混合燃烧；

所述同轴式氧化剂/燃料涡轮泵(201)，为三个独立腔室的涡轮泵，各腔室分别为氧化剂腔室(2011)、燃料腔室(2012)和高温燃气腔室(2013)；所述氧化剂腔室(2011)的进口用于与氧化剂源相连通，出口与所述氧化剂通道的进口端相连通；所述燃料腔室(2012)进口用于与燃料源相连通，出口与所述喷注器(5)的进口相连通；

所述副系统，其进口端与推进剂源相连通，出口端通过燃气发生器(207)与所述高温燃气腔室(2013)相连接，用于向所述高温燃气腔室(2013)内输送高温燃气，高温燃气启动所述同轴式氧化剂/燃料涡轮泵(201)，对所述氧化剂和燃料增压；增压后的氧化剂由所述氧化剂腔室(2011)的出口输送至所述氧化剂通道；增压后的燃料由所述燃料腔室(2012)出口输送至所述喷注器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机，其特征在于，所述副系统为电机泵系统，包括：包括泵(209)、电机(210)和电机控制器及电池组(211)；

所述泵(209)、电机(210)和电机控制器及电池组(211)依次连接；所述泵(209)的进口端用于与所述副系统进口阀(208)相连接，所述泵(209)的出口端与所述燃气发生器(207)相连接；通过电机(210)改变所述泵(209)的功率，以改变推进剂的输送量。

3.根据权利要求1或2所述的一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机，其特征在于，所述催化室(2)与喷注室(1)之间、以及催化室(2)与燃烧室(3)之间分别对应设置有水平向均流板(6)和支撑板(7)，所述均流板(6)和支撑板(7)之间填充满用于催化分解氧化剂的催化剂、且均流板(6)和支撑板(7)上均开通设置有供氧化剂流通的通孔。

4.根据权利要求3所述的一种可实现高度补偿的变工况火箭发动机，其特征在于，所述喷注器(5)包括：

壳体(5-4)，为筒状；

针栓(5-1)，同轴套设于所述壳体(5-4)内，与所述壳体(5-4)间形成竖直向的流通通道；所述针栓(5-1)由上到下包括导向段、活塞段、连接段和作为喷射端的半球体；所述半球体(5-3)的直径大于壳体(5-4)的直径，且其水平面的一端向上，所述半球体位于所述壳体(5-4)外，且随着针栓(5-1)相对壳体(5-4)的上下滑动、半球体(5-3)与壳体(5-4)之间形成大小可调的煤油喷注口。

5.根据权利要求4所述的一种采用针栓喷注器的氧化剂煤油变工况推力室，其特征在于，在所述活塞段上、沿外壁开设有螺旋状的导流通道(5-2)，所述导向段和壳体(5-4)之间、活塞端的导流通道(5-2)、连接段和壳体(5-4)之间依次连通形成燃料流道。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的一种采用针栓喷注器的氧化剂煤油变工况推力室，其特征在于，所述均流板(6)，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于所述喷注器(5)穿过，在均流板(6)上均布开设用于供氧化剂流通的通孔。

7.根据权利要求2、3、4或5所述的一种采用针栓喷注器的氧化剂煤油变工况推力室，其特征在于，所述支撑板(7)，为一圆环状板体，其中心圆环孔用于所述喷注器(5)穿过，在支撑板(7)上均布开设用于供氧化剂流通的通孔。

8.根据权利要求2、3、4或5所述的一种采用针栓喷注器的氧化剂煤油变工况推力室，其特征在于，在所述催化室(2)的中部设置有止流环(8)，所述止流环(8)为一圆环体，其侧壁紧密贴于所述催化室(2)的内壁。

9.根据权利要求2、3、4或5所述的一种采用针栓喷注器的氧化剂煤油变工况推力室，其特征在于，所述燃烧室(3)，由一双层中空壳体结构，双层壳体间形成氧化剂流体通道，所述流体通道的上部通过连接管(10)与所述喷注室(1)连通；所述燃烧室(3)的端部同轴设置拉法尔喷管(4)，所述拉法尔喷管(4)为一双层中空壳体，双层壳体间形成氧化剂流体通道，与所述燃烧室(3)的氧化剂流体通道相连通；所述拉法尔喷管(4)的下部上设置有氧化剂入口(9)，与所述氧化剂腔(2011)的出口管路连接。

10.根据权利要求9所述的一种采用针栓喷注器的氧化剂煤油变工况推力室，其特征在于，所述高温燃气腔室(2013)中设置有涡轮，其他两个腔室中均沿轴向设置有一离心叶轮，各所述离心叶轮通过一转轴连接，并与涡轮泵相连接，以在涡轮泵启动时，带动各所述离心叶轮转动。

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