CN111963336B - 一种泵压双模式液体火箭发动机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种泵压双模式液体火箭发动机系统，属于航天器高压贮箱推进剂加注领域；包括推力室、高压气贮箱、燃气发生器、2个转注系统、氧化剂目标贮箱和燃料目标贮箱；每个转注系统包括涡轮泵、主阀、转注控制阀、单向阀和流量调节器；涡轮泵与燃气发生器连通；涡轮泵与流量调节器连通；流量调节器分别与转注控制阀和主阀连通；转注控制阀与单向阀连通；高压气贮箱设置有2个输出端；2个输出端分路与燃气发生器连通；其中1个单向阀与氧化剂目标贮箱连通；另1个单向阀与燃料目标贮箱连通；2个主阀均与推力室连通；本发明能够作为上面级或其他航天器的主动力执行入轨或变轨等任务，还能够将上面级或其他航天器主贮箱内的推进剂转注到姿控发动机贮箱内。

Description

一种泵压双模式液体火箭发动机系统
技术领域
本发明属于航天器高压贮箱推进剂加注领域，涉及一种泵压双模式液体火箭发动机系统。
背景技术
目前，国内上面级动力系统中，主发动机系统与姿控发动机系统是相互独立的，姿控发动机需要携带整个任务期间所需的全部推进剂，姿控发动机供应贮箱的规模和结构质量均较大。另外，姿控发动机的总冲受到姿控贮箱容积的限制，为确保任务的可靠性，一般姿控贮箱的容积会设置一定的余量，而多余的姿控推进剂对于上面级而言增加了结构重量，降低了载荷。同时，如果在上面级工作过程中，出现异常情况，需要姿控系统增加大量额外的工作，又很可能出现姿控推进剂不足的情况。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种泵压双模式液体火箭发动机系统，一方面能够作为上面级或其他航天器的主动力执行入轨或变轨等任务，还能够将上面级或其他航天器主贮箱内的推进剂转注到姿控发动机贮箱内。
本发明解决技术的方案是：
一种泵压双模式液体火箭发动机系统，包括推力室、高压气贮箱、燃气发生器、2个转注系统、氧化剂目标贮箱和燃料目标贮箱；每个转注系统包括涡轮泵、主阀、转注控制阀、单向阀和流量调节器；其中，涡轮泵的输入端与燃气发生器连通；涡轮泵的输出端与流量调节器的一端连通；流量调节器的另一端分别与转注控制阀一端和主阀一端连通；转注控制阀的另一端与单向阀的输入端连通；高压气贮箱设置有2个输出端；2个输出端分路与燃气发生器连通；燃气发生器的输出端分别与2个涡轮泵的输入端连通；其中1个单向阀的输出端与氧化剂目标贮箱连通；另1个单向阀的输出端与燃料目标贮箱连通；2个主阀的另一端均与推力室连通。
在上述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，所述液体火箭发动机系统的工作过程为：
外部氧化剂与高压气贮箱其中1个输出端合路混合，获得增压后的氧化剂；增压后的氧化剂进入燃气发生器；同时外部燃料与高压气贮箱另1个输出端合路混合，获得增压后的燃料；增压后的燃料进入燃气发生器；燃气发生器点火，产生燃气驱动2个涡轮泵转动；
外部氧化剂输入其中1个涡轮泵，通过该涡轮泵增压后输出至推力室或氧化剂目标贮箱；外部燃料输入另1个涡轮泵，通过该涡轮泵增压后输出至推力室或氧化剂目标贮箱。
在上述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，当其中1个涡轮泵输出增压氧化剂时，通过流量调节器实现对增压氧化剂输出流量的调节；当另1个涡轮泵输出增压燃料时，通过流量调节器实现对增压燃料输出流量的调节。
在上述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，2个主阀和2个转注控制阀初始状态均为闭合状态；
当需要将推进剂输入至推力室时，打开2个主阀，实现通过其中1个转注系统的涡轮泵将增压后的氧化剂输出至推力室；同时通过另1个转注系统的涡轮泵将增压后的燃料输出至推力室；
当需要将氧化剂输出至氧化剂目标贮箱、将燃料输出至燃料目标贮箱时，打开2个转注控制阀，实现通过其中1个转注系统的涡轮泵将增压后的氧化剂输出至氧化剂目标贮箱；同时通过另1个转注系统的涡轮泵将增压后的燃料输出燃料目标贮箱，实现推进剂的双模式转注。
在上述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，其中1个转注系统的单向阀，实现防止氧化剂从氧化剂目标贮箱反流；另1个转注系统的单向阀，实现防止燃料从燃料目标贮箱反流。
在上述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，当氧化剂目标贮箱中输入的氧化剂到达预设液位时，关闭对应的转注控制阀，停止转注；
当燃料目标贮箱中输入的燃料到达预设液位时，关闭对应的转注控制阀，停止转注。
在上述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，在对氧化剂目标贮箱和燃料目标贮箱进行转注时，通过2个流量调节器分别对输出的氧化剂和燃料流量进行调节，实现氧化剂目标贮箱内的氧化剂和燃料目标贮箱内的燃料同时到达预设液位
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明设计了双模式工作方案，一方面能够作为上面级或其他航天器的主动力执行入轨或变轨等任务，还能够将上面级或其他航天器主贮箱内的推进剂转注到姿控发动机贮箱内，或对其他航天器进行推进剂加注，起到“空间加油站”的功能，拓展了液体火箭发动机的功能和应用领域；
(2)本发明设计的专注系统包括转注控制阀、流量调节器、节流组件及管路，并与主发动机系统共用多次起动系统、燃气发生器以及涡轮泵，通过主发动机涡轮泵对低压主贮箱的推进剂进行增压后向高压贮箱进行转注，实现了2种模式转注的管路逻辑设计，实现了推进剂的回收再利用；
(3)本发明通过对高压贮箱液位的测量数据，对转注工作模式的起动、关机以及转注流量进行控制。
附图说明
图1为本发明液体火箭发动机系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
发动机具有两种工作模式，即主发动机工作模式以及转注工作模式。该发动机一方面能够作为上面级或其他航天器的主动力执行入轨或变轨等任务，还能够将上面级或其他航天器主贮箱内的推进剂转注到姿控发动机贮箱内，这样姿控系统只需要设置一个小的供应贮箱，当贮箱内推进剂消耗完后，可以通过主发动机的转注模式对贮箱进行加注，减小了姿控贮箱的规模；同时，只要上面级主贮箱内还有推进剂，主发动机就可以对姿控贮箱进行加注，对姿控贮箱推进剂量的限制大大降低，提高了姿控系统工作的灵活性。此外，双模式液体火箭发动机还可以对其他航天器进行推进剂加注，起到“空间加油站”的功能。
泵压双模式液体火箭发动机系统，如图1所示，具体包括推力室11、高压气贮箱14、燃气发生器12、2个转注系统、氧化剂目标贮箱和燃料目标贮箱；每个转注系统包括涡轮泵13、主阀15、转注控制阀21、单向阀22和流量调节器23；其中，涡轮泵13的输入端与燃气发生器12连通；涡轮泵13的输出端与流量调节器23的一端连通；流量调节器23的另一端分别与转注控制阀21一端和主阀15一端连通；转注控制阀21的另一端与单向阀22的输入端连通；高压气贮箱14设置有2个输出端；2个输出端分路与燃气发生器12连通；燃气发生器12的输出端分别与2个涡轮泵13的输入端连通；其中1个单向阀22的输出端与氧化剂目标贮箱连通；另1个单向阀22的输出端与燃料目标贮箱连通；2个主阀15的另一端均与推力室11连通。转注系统中的涡轮泵13实现对外部输入推进剂进行增压后向高压贮箱进行转注。
液体火箭发动机系统的工作过程为：
外部氧化剂与高压气贮箱14其中1个输出端合路混合，获得增压后的氧化剂；增压后的氧化剂进入燃气发生器12；同时外部燃料与高压气贮箱14另1个输出端合路混合，获得增压后的燃料；增压后的燃料进入燃气发生器12；燃气发生器12点火，产生燃气驱动2个涡轮泵13转动；
外部氧化剂输入其中1个涡轮泵13，通过该涡轮泵13增压后输出至推力室11或氧化剂目标贮箱；当该涡轮泵13输出增压氧化剂时，通过流量调节器23实现对增压氧化剂输出流量的调节。外部燃料输入另1个涡轮泵13，通过该涡轮泵13增压后输出至推力室11或氧化剂目标贮箱。当该涡轮泵13输出增压燃料时，通过流量调节器23实现对增压燃料输出流量的调节。
2个主阀15和2个转注控制阀21初始状态均为闭合状态；
当需要将推进剂输入至推力室11时，打开2个主阀15，实现通过其中1个转注系统的涡轮泵13将增压后的氧化剂输出至推力室11；同时通过另1个转注系统的涡轮泵13将增压后的燃料输出至推力室11；
当需要将氧化剂输出至氧化剂目标贮箱、将燃料输出至燃料目标贮箱时，打开2个转注控制阀21，实现通过其中1个转注系统的涡轮泵13将增压后的氧化剂输出至氧化剂目标贮箱；同时通过另1个转注系统的涡轮泵13将增压后的燃料输出燃料目标贮箱，实现推进剂的双模式转注。其中1个转注系统的单向阀22，实现防止氧化剂从氧化剂目标贮箱反流；另1个转注系统的单向阀22，实现防止燃料从燃料目标贮箱反流。
且当氧化剂目标贮箱中输入的氧化剂到达预设液位时，关闭对应的转注控制阀21，停止转注。
本发明设计了根据目标贮箱的液位控制转注工作模式的起动与关机功能，当液位低于控制下液位时，起动转注模式，对贮箱进行转注，当液位高于控制上液位时，停止转注；同时根据转注过程中氧化剂和燃料贮箱液位的关系对转注流量进行控制，保证两贮箱同时充满。
在转注过程中，转注控制系统对高压贮箱液位进行实时监测，并根据监测结果对转注系统流量调节器发出控制指令，当燃料目标贮箱中输入的燃料到达预设液位时，关闭对应的转注控制阀21，停止转注。在对氧化剂目标贮箱和燃料目标贮箱进行转注时，通过2个流量调节器23分别对输出的氧化剂和燃料流量进行调节，实现氧化剂目标贮箱内的氧化剂和燃料目标贮箱内的燃料同时到达预设液位。
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 (6)

1.一种泵压双模式液体火箭发动机系统，其特征在于：包括推力室(11)、高压气贮箱(14)、燃气发生器(12)、2个转注系统、氧化剂目标贮箱和燃料目标贮箱；每个转注系统包括涡轮泵(13)、主阀(15)、转注控制阀(21)、单向阀(22)和流量调节器(23)；其中，涡轮泵(13)的输入端与燃气发生器(12)连通；涡轮泵(13)的输出端与流量调节器(23)的一端连通；流量调节器(23)的另一端分别与转注控制阀(21)一端和主阀(15)一端连通；转注控制阀(21)的另一端与单向阀(22)的输入端连通；高压气贮箱(14)设置有2个输出端；2个输出端分路与燃气发生器(12)连通；燃气发生器(12)的输出端分别与2个涡轮泵(13)的输入端连通；其中1个单向阀(22)的输出端与氧化剂目标贮箱连通；另1个单向阀(22)的输出端与燃料目标贮箱连通；2个主阀(15)的另一端均与推力室(11)连通；
所述液体火箭发动机系统的工作过程为：
外部氧化剂与高压气贮箱(14)其中1个输出端合路混合，获得增压后的氧化剂；增压后的氧化剂进入燃气发生器(12)；同时外部燃料与高压气贮箱(14)另1个输出端合路混合，获得增压后的燃料；增压后的燃料进入燃气发生器(12)；燃气发生器(12)点火，产生燃气驱动2个涡轮泵(13)转动；
外部氧化剂输入其中1个涡轮泵(13)，通过该涡轮泵(13)增压后输出至推力室(11)或氧化剂目标贮箱；外部燃料输入另1个涡轮泵(13)，通过该涡轮泵(13)增压后输出至推力室(11)或氧化剂目标贮箱。
2.根据权利要求1所述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，其特征在于：当其中1个涡轮泵(13)输出增压氧化剂时，通过流量调节器(23)实现对增压氧化剂输出流量的调节；当另1个涡轮泵(13)输出增压燃料时，通过流量调节器(23)实现对增压燃料输出流量的调节。
3.根据权利要求2所述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，其特征在于：2个主阀(15)和2个转注控制阀(21)初始状态均为闭合状态；
当需要将推进剂输入至推力室(11)时，打开2个主阀(15)，实现通过其中1个转注系统的涡轮泵(13)将增压后的氧化剂输出至推力室(11)；同时通过另1个转注系统的涡轮泵(13)将增压后的燃料输出至推力室(11)；
当需要将氧化剂输出至氧化剂目标贮箱、将燃料输出至燃料目标贮箱时，打开2个转注控制阀(21)，实现通过其中1个转注系统的涡轮泵(13)将增压后的氧化剂输出至氧化剂目标贮箱；同时通过另1个转注系统的涡轮泵(13)将增压后的燃料输出燃料目标贮箱，实现推进剂的双模式转注。
4.根据权利要求3所述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，其特征在于：其中1个转注系统的单向阀(22)，实现防止氧化剂从氧化剂目标贮箱反流；另1个转注系统的单向阀(22)，实现防止燃料从燃料目标贮箱反流。
5.根据权利要求4所述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，其特征在于：当氧化剂目标贮箱中输入的氧化剂到达预设液位时，关闭对应的转注控制阀(21)，停止转注；
当燃料目标贮箱中输入的燃料到达预设液位时，关闭对应的转注控制阀(21)，停止转注。
6.根据权利要求5所述的一种泵压双模式液体火箭发动机系统，其特征在于：在对氧化剂目标贮箱和燃料目标贮箱进行转注时，通过2个流量调节器(23)分别对输出的氧化剂和燃料流量进行调节，实现氧化剂目标贮箱内的氧化剂和燃料目标贮箱内的燃料同时到达预设液位。
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