CN111928104A - 一种液氧甲烷火箭增压装置及液氧甲烷火箭 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液体火箭技术领域，具体涉及一种液氧甲烷火箭增压装置及液氧甲烷火箭。一种液氧甲烷火箭增压装置，包括：液氧贮箱，设有增压气体进口;液甲烷贮箱，内设有增压气瓶，所述增压气瓶通过管路与所述增压气体进口连通。本发明提供了一种在保证安全性的基础上，成本较低的液氧甲烷火箭增压装置及液氧甲烷火箭。

Description

一种液氧甲烷火箭增压装置及液氧甲烷火箭
技术领域
本发明涉及液体火箭技术领域，具体涉及一种液氧甲烷火箭增压装置及液氧甲烷火箭。
背景技术
液氧甲烷推进剂具有来源广泛、成本低、无毒环保、性能较高的特点，更加适宜于重复使用、低成本火箭运载器的使用要求，是未来航天运载器的理想液体动力选择之一。目前国内外多家航天企业正在研发液氧甲烷火箭及火箭发动机。增压系统用于提供液体火箭推进剂贮箱气枕压力，增压气体进入推进剂贮箱，膨胀后占据推进剂排出后的空间，对液体推进剂产生工作压力，一方面满足发动机飞行过程中所需要的发动机入口推进剂工作压力条件，另一方面用于满足维持火箭推进剂贮箱足够强度和刚度所需要的内压要求。
液体火箭的贮箱贮气式增压系统是指预先贮存在火箭上贮气装置内的增压介质以一定流量进入贮箱增压的方式。目前国内外常用的贮气式增压系统主要包括常温高压气态增压和低温高压气态增压。常温高压气态增压是指增压介质在常温下贮存在高压气瓶中，当需要增压时将气瓶中的气体输送到贮箱增压，增压气体进贮箱前可进行加温以提高增压效率。低温高压气态增压则是指将高压气瓶贮存在低温推进剂中，从而获得较高的贮气密度，可以减少增压气体贮气瓶的数量或体积，增加了火箭的有效载荷。由于液氧的强氧化性，把气瓶放在液氧贮箱内，复合材料气瓶中的非金属材料和铝合金内衬都有可能和液氧发生燃烧反应，存在较大的安全性问题。普通钛合金材料因其具有的比强度高、耐腐蚀性能好等优点，且具有优越的低温性能，可作为液氢、液氮、甚至液氦环境下使用的压力容器材料，在长征系列运载火箭气瓶增压系统中得到了稳定、可靠的应用，但是普通钛合金与液氧接触存在爆炸风险；而阻燃钛合金材料在正式应用在液氧环境前还需要更多的安全性试验，且其材料成本是普通钛合金的十倍甚至更高；其他与液氧相容性较好的材料如高温合金则存在着比重较大的缺点。因此，如何将增压气瓶与增压装置装配设置，以在保证系统的安全性的基础上降低成本是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有低温高压气态增压技术应用到液氧甲烷火箭中增压装置成本较高，存在安全隐患的缺陷，从而提供一种在保证安全性的基础上，成本较低的液氧甲烷火箭增压装置及液氧甲烷火箭。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种液氧甲烷火箭增压装置，包括：
液氧贮箱，设有增压气体进口;
液甲烷贮箱，内设有增压气瓶，所述增压气瓶通过管路与所述增压气体进口连通。
可选地，所述液甲烷贮箱内还设有换热结构，所述增压气瓶的出口与所述换热结构的进口连通，所述换热结构的出口与所述管路连通。
可选地，所述换热结构包括换热盘管和设于所述液甲烷贮箱内壁上部的支架，所述换热盘管安装在所述支架上。
可选地，所述管路暴露在所述液甲烷贮箱和液氧贮箱的外部。
可选地，所述换热结构的出口与所述增压气体进口之间的管路上设有气体流量调节结构。
可选地，所述气体流量调节结构包括串联设置的阀门和限流孔板。
可选地，所述阀门和限流孔板并联设置有多组。
可选地，还包括与所述气体流量调节结构并联设置的控制器和压力检测器，所述控制器接收所述压力检测器发送的信号，并控制所述气体流量调节结构的开闭。
可选地，还包括设于所述增压气体进口的消能器。
还提供了一种液氧甲烷火箭，包括本发明所述的液氧甲烷火箭增压装置。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的液氧甲烷火箭增压装置，将增压气瓶设于液甲烷贮箱内，由于甲烷腐蚀性弱，因此不管是钛合金还是铝合金的气瓶均可安全放置在液甲烷贮箱内，不会被腐蚀或发生燃烧爆炸，降低了安全隐患，同时由于无需研制新材料气瓶，因此成本较低。另外，增压气瓶贮存在低温液甲烷贮箱中，可以获得较高的贮气密度，减少增压气瓶的数量或体积，增加了火箭的有效载荷。
2.本发明提供的液氧甲烷火箭增压装置，液甲烷贮箱内换热结构的设置，在需要对系统进行增压时，增压气瓶中的低温气体通过液甲烷贮箱内的换热结构换热后，经管路和增压气体进口输送至液氧贮箱内，提高了换热能力，避免了与发动机的耦合，减少了对发动机的干扰，且减少了整个装置的重量，提高了运载能力。
3.本发明提供的液氧甲烷火箭增压装置，换热盘管的设置增加了增压气瓶中的低温气体与液甲烷贮箱内气枕气体的换热面积，保证了换热效果。
4.本发明提供的液氧甲烷火箭增压装置，管路暴露在液甲烷贮箱和液氧贮箱的外部，通过火箭飞行中的气动加热效应，使管路中的增压气体充分吸收外界环境中的热量，进一步提高了增压气体焓值，提高了增压效率。
5.本发明提供的液氧甲烷火箭增压装置，过滤器与增压气体进口之间气体流量调节结构、控制器和压力检测器的设置，使得控制器可以根据液氧贮箱内的压力调节进入液氧贮箱内的气体流量，进一步保证安全性，同时确保能够提供足够的压力。
6.本发明提供的液氧甲烷火箭增压装置，增压气体进口的消能器降低了进入液氧贮箱的增压气体流速，同时可以调整增压气体的流动方向，进一步提高安全性。
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为本发明提供的液氧甲烷火箭增压装置的示意图；
图2为本发明提供的液氧甲烷火箭增压装置的原理示意图。
附图标记说明：
1、液氧贮箱；2、液甲烷贮箱；3、增压气瓶；4、管路；5、换热盘管；6、过滤器；7、控制器；8、压力检测器；9、阀门；10、限流孔板；11、消能器；12、安全阀。
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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1和2所示的液氧甲烷火箭增压装置的一种具体实施方式，增压气体为冷氦气，包括液氧贮箱1和液甲烷贮箱2，内部分别储存有液氧和液甲烷。液氧贮箱1和液甲烷贮箱2均为椭球形，且液氧贮箱1设置在液甲烷贮箱2的顶部，二者共用一个底壁，形成密封空间。液氧贮箱1的顶部设有增压气体进口;液甲烷贮箱2为自生增压，内侧壁上设有多个并联设置的增压气瓶3，增压气瓶3为球形，钛合金材质，内部储存有初始压力为23MPa，初始温度为112K的低温冷氦气。所述增压气瓶3通过管路4与所述增压气体进口连通。所述管路4经液甲烷贮箱2顶部的开口，沿液氧贮箱1的侧壁延伸至顶部的增压气体进口，以将大部分暴露在所述液甲烷贮箱2和液氧贮箱1的外部。
为提高换热能力，在所述液甲烷贮箱2内还设有换热结构，所述换热结构包括换热盘管5和设于所述液甲烷贮箱2内壁上部的支架，所述换热盘管5为钛合金材质，螺旋上升，形成多层环管，安装在所述支架上。所述增压气瓶3的出口与所述换热盘管5的进口连通，所述换热盘管5的出口与所述管路4连通。
为便于控制进入液氧贮箱1内的增压气体的流量，在所述换热结构的出口与所述增压气体进口之间的管路4上设有气体流量调节结构以及与所述气体流量调节结构并联设置的控制器7和压力检测器8。在管路4靠近气体流量调节结构的入口处设有过滤器6，以对增压气体进行过滤。所述气体流量调节结构包括串联设置的阀门9和限流孔板10。所述阀门9和限流孔板10并联设置有多组，阀门9为电磁阀。压力检测器8实时检测液氧贮箱1内的压力，并将测量得到的压力数据信号发送至控制器7，所述控制器7接收所述压力检测器8发送的信号并控制一个或多个阀门9的开闭，进而调节进入液氧贮箱1的气体流量。
当液氧贮箱1内的压力小于设定压力值时，控制器7打开阀门9，以使得增压气体通过管路4进入液氧贮箱1内，并保持状态；当液氧贮箱1内的压力大于设定压力值时，控制器7关闭阀门9，并保持状态。设定压力值包括阀门打开压力设定值和阀门关闭压力设定值，该设定值可以是常数，也可以是随时间变化的函数，根据需求设定。
为降低进入液氧贮箱1的增压气体流速和调整流动方向，在所述增压气体进口还设有消能器11。具体的，消能器11采用多层板打孔结构。
在液氧贮箱1的顶部还设有安全阀12，若液氧贮箱1内的压力大于或等于预设安全压力时，安全阀12开启，否则，安全阀12保持关闭。
增压气瓶3安装位置位于初始液甲烷液面之下，在飞行过程中随着液甲烷的消耗，液面降低，增压气瓶3逐渐露出液面。这样在增压气瓶3处于液面以下时，可保证即使在阀门9关闭状态下，管路4内的压力与增压气瓶3内的压力一致，但始终不超过初始增压气瓶3的压力。当增压气瓶3露出液面以后，增压气瓶3内的压力随着氦气的消耗已低于初始增压气瓶3的压力，这样即使在阀门9关闭状态下，管路4内的压力提高也不会使增压气瓶3和管路4内的压力超过初始增压气瓶3的压力，保证安全性。并且增压气瓶本体直接受到甲烷气枕内高温气加热，能增加瓶内氦气温度，在相同气瓶末压下减少瓶内剩余不可用氦气密度，提高利用效率。
当压力检测器8检测到液氧贮箱1内的压力小于设定压力值，需要对系统进行增压时，控制器7控制阀门9打开，增压气瓶3中的冷氦气与液甲烷贮箱2内的换热盘管5换热后，进入管路4中，经过滤器6过滤后，沿管路4输送至液氧贮箱1内，并在输送过程中充分吸收飞行中外界环境的热量。当压力检测器8检测到液氧贮箱1内的压力大于设定压力值时，控制器7控制阀门9关闭，停止增压。
还提供了一种液氧甲烷火箭，包括所述的液氧甲烷火箭增压装置。
作为替代的实施方式，液氧贮箱1和液甲烷贮箱2还可以独立设置，此时换热盘管5通过支架固定在液甲烷贮箱2的顶壁内部。
作为替代的实施方式，管路4还可以设置在设有通风口的整流罩内。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种液氧甲烷火箭增压装置，其特征在于，包括：
液氧贮箱（1），设有增压气体进口;
液甲烷贮箱（2），内设有增压气瓶（3），所述增压气瓶（3）通过管路（4）与所述增压气体进口连通。
2.根据权利要求1所述的液氧甲烷火箭增压装置，其特征在于，所述液甲烷贮箱（2）内还设有换热结构，所述增压气瓶（3）的出口与所述换热结构的进口连通，所述换热结构的出口与所述管路（4）连通。
3.根据权利要求2所述的液氧甲烷火箭增压装置，其特征在于，所述换热结构包括换热盘管（5）和设于所述液甲烷贮箱（2）内壁上部的支架，所述换热盘管（5）安装在所述支架上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的液氧甲烷火箭增压装置，其特征在于，所述管路（4）暴露在所述液甲烷贮箱（2）和液氧贮箱（1）的外部。
5.根据权利要求2所述的液氧甲烷火箭增压装置，其特征在于，所述换热结构的出口与所述增压气体进口之间的管路（4）上设有气体流量调节结构。
6.根据权利要求5所述的液氧甲烷火箭增压装置，其特征在于，所述气体流量调节结构包括串联设置的阀门（9）和限流孔板（10）。
7.根据权利要求6所述的液氧甲烷火箭增压装置，其特征在于，所述阀门（9）和限流孔板（10）并联设置有多组。
8.根据权利要求5-7任一项所述的液氧甲烷火箭增压装置，其特征在于，还包括与所述气体流量调节结构并联设置的控制器（7）和压力检测器（8），所述控制器（7）接收所述压力检测器（8）发送的信号，并控制所述气体流量调节结构的开闭。
9.根据权利要求1-3任一项所述液氧甲烷火箭增压装置，其特征在于，还包括设于所述增压气体进口的消能器（11）。
10.一种液氧甲烷火箭，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的液氧甲烷火箭增压装置。
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