CN113586286A - 一种液氧甲烷推进剂供应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种液氧甲烷推进剂供应系统。液氧甲烷推进剂供应系统由推进剂吹除及预冷分系统、推进剂加注、泄出分系统，推进剂输送分系统，推进剂增压分系统、推进剂排气分系统组成。推进剂吹除采用氦气对贮箱、管路及阀门中的空气及水蒸汽进行吹除，吹除完成后对其进行预冷，保证贮箱、阀门及管路的腔体处于低温状态；推进剂加注、泄出分系统由加注阀、消能器、液位显示传感器、溢出阀等组成；推进剂输送分系统由过滤器、隔离阀、蓄压器等组成；增压分系统采用自增压输送系统，主要由隔离阀、减压阀、压力信号器、过滤器、单向阀等组成；推进剂排气分系统主要由安全阀等组成。该系统满足发动机输送要求，管路、阀门少，加注、脱离方便，可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于运载火箭等技术领域，具体涉及一种液氧甲烷推进剂供应系统。
背景技术
液体火箭发动机由于具有性能高、适应性强、工作安全可靠、推进剂价格低廉、对环境污染小、工作寿命长和便于重复使用等优点，在航天领域应用广泛。液氧甲烷发动机具有推进剂资源丰富、无毒无污染、变推力特性好、冷却特性好和维护使用方便等特点，在商业航天有较好的发展前景。目前，美国SpaceX公司的猛禽发动机采用了液氧甲烷推进剂，推力大概在200～300t；蓝色起源公司BE-4液氧甲烷发动机，推力为240t。国内的民营企业蓝箭、星际荣耀等多家都在研发和应用液氧甲烷发动机。
液氧甲烷发动机相对于液氧煤油发动机难度较大，但其效率更高，积碳现象少；相对于液氧液氢效率低，但设计难度较小。液氧甲烷发动机燃料液氧和甲烷属于无毒无污染推进剂，并且燃烧后只生成水和二氧化碳，是一种很好的无毒环保燃料，是未来可重复使用航天推进剂主要的发展方向。
液氧在大气压力下冰点为-218.8℃，沸点-183℃，液态甲烷在大气压力下冰点为-182.5℃，沸点-161℃，同属于低温推进剂，推进剂输送系统是将推进剂按照一定的混合比安全可靠的输送到发动机燃烧室，并保证发动机正常工作，整个系统是一套复杂的多学科交叉的系统工程。
发明内容
本发明的目的在于满足液氧甲烷发动机输送要求的前提下，提出一种箭上液氧甲烷推进剂供应系统，使箭上管路、阀门少，加注、脱离方便，可靠性高的液氧甲烷输送系统。
本发明提出的一种液氧甲烷推进剂供应系统，该系统由推进剂吹除及预冷分系统、推进剂加注、泄出分系统，推进剂输送分系统，推进剂增压分系统、推进剂排气分系统组成。
所述的推进剂吹除是采用氦气等惰性气体对液氧甲烷输送管路、贮箱及阀门中的空气及水蒸汽进行吹除，吹除时，管路及贮箱内的空气及水蒸汽等气体通过贮箱上的排气口排出箭体。吹除完成后对其进行预冷，保证贮箱到发动机之间的管路及泵腔体处于低温状态。预冷采用排放预冷方案，即将液氧/甲烷以一定的流量从推进剂贮箱流经发动机管路和泵等，直到发动机主、副系统的主、副阀前，通过泄出口排出，使发动机及管路获得预冷。排放预冷系统比较简单，所消耗的推进剂在起飞前进行补充。吹除与预冷包括了地面与箭上，为减少箭上设备，推进剂吹除与预冷箭上入口为贮箱的加注口。
所述推进剂加注、泄出分系统是将液氧甲烷从地面贮箱输送到箭上贮箱，其箭上主要设备由加注阀、消能器、液位显示传感器、溢出阀、输送管路等组成；推进剂通过地面连接器与箭上加注阀对接后进行加注，为防止推进剂在加注过程中对贮箱结构强度的影响及防止贮箱箭体产生扰动，贮箱加注口设计在贮箱的底部，并在贮箱加注口设置消能器；通过液位显示传感器确保加注精度；当推进剂加注超过预定值时，溢出阀打开，使多余的推进剂从溢出阀流出贮箱。
所述推进剂输送系统是将推进剂从箭体贮箱输送到发动机泵，为减小输送过程中液体的流阻，尽量减少阀门及管路弯折；输送分系统由过滤器、隔离阀、蓄压器及输送管路等组成。
所述推进剂增压分系统采用自增压输送系统，液氧增压是从液氧泵出口引出一部分液氧，经换热器加热后变成蒸汽，换热器的热源为涡轮排出的废气，从换热器出来的蒸汽引入液氧贮箱进行增压。甲烷在发动机再生冷却的推力室中做冷却剂，将汽化的甲烷直接从推力室冷却套下游引入甲烷贮箱进行增压。液氧甲烷增压输送分系统主要由隔离阀、减压阀、压力信号器、过滤器、单向阀及气体输送管等组成。
所述推进剂排气分系统是当贮箱气枕压力超过设计值时，安全阀自动打开，高压气体通过排气管排到箭体外，贮箱内压力降低后，安全阀自动关闭。排气分系统主要由安全阀、排气管等组成。
由于液氧甲烷同属于低温推进剂，在大气压力下沸点温度相差不大，其管路供应系统上的阀门工作原理相同、工作环境相差不大，在设计时可实现通用化设计，减少零部件的数量。
附图说明
图1为本发明系统原理图
其中，I-液氧地面供应系统，II-箭上推进剂供应系统，III-甲烷地面供应系统；
A1、B1-液氧/甲烷输送控制阀，A2、B2-惰性气体输送控制阀，A3、B3-液氧/甲烷输送过滤器；
A01、B01-液氧/甲烷泄出阀；
A11、B11-液氧/甲烷加注、泄出阀，A12、B12-液氧/甲烷贮箱入口消能器，A13、B13-液氧/甲烷溢出阀，A14、B14-液氧/甲烷贮箱液位显示传感器；
A21、B21-液氧/甲烷输送过滤器，A22、B22-液氧/甲烷输送蓄压器，A23、B23-液氧/甲烷输送隔离阀；
A31、B31-液氧/甲烷增压系统单向阀，A32、B32-液氧/甲烷增压系统过滤器，A33、B33-液氧/甲烷增压系统压力信号器，A34、B34-液氧/甲烷增压系统减压阀，A35、B35-液氧/甲烷增压系统隔离阀；
A41、B41-液氧/甲烷排气系统安全阀；
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种液氧甲烷推进剂供应系统，该系统主要由推进剂吹除及预冷分系统、推进剂加注、泄出分系统，推进剂输送分系统，推进剂增压分系统、推进剂排气分系统组成。
液氧甲烷在加注前必须对其管路、阀门及发动机进行吹除和预冷，吹除包括地面推进剂输送管路吹除和箭上输送管路吹除，为减少阀门及管路等设备，推进剂吹除与预冷的箭上入口为贮箱的加注阀A11、B11，吹除后的气体通过贮箱的排气口A41、B41进行排出；预冷主要是对推进剂输送管路及发动机进行预冷，增压输送系统不进行预冷。预冷采用排放预冷，将推进剂通过加注阀A11、B11流经贮箱、推进剂输送管路、阀门和发动机，通过发动机上的泄出口A01、B01排出，使发动机及管路获得预冷。
液氧甲烷加注、泄出分系统通过地面液氧甲烷供应系统II、III将液氧甲烷通过箭上加注阀输送到贮箱，箭上设备包括加注阀A11、B11，消能器A12、B12，液位显示传感器A13、B13，溢出阀A14、B14，输送管路等；为防止推进剂在加注过程中对贮箱结构强度的影响及防止贮箱与箭体产生扰动，贮箱加注口A11、B11设计在贮箱的底部，并在贮箱加注口设置消能器A12、B12；通过液位显示传感器A13、B13确保加注精度；当推进剂加注超过预定值时，溢出阀A14、B14打开，使多余的推进剂从溢出阀A14、B14流出贮箱。为使贮箱设计加工方便，贮箱溢出口与贮箱增压口使用同一个开口。当贮箱加注完成后，由于箭体出现故障等原因使得发射任务推迟或者取消时，贮箱内的推进剂通过加注阀A11、B11泄回到地面贮箱内。
液氧甲烷输送系统由过滤器A21、B21，蓄压器A22、B22，隔离阀A23、B23，及输送管路等组成。过滤器A21、B21使推进剂纯度复合发动机工作需求，提高发动机工作效率；蓄压器A22、B22可以改变输送管路的共振频率，使管路共振频率与箭体结构基振频率隔开，防止箭体发生纵向耦合振动；隔离阀A23、B23将发动机管路与弹体推进剂供应管路相隔开，贮箱加注推进剂时，隔离阀A23、B23起到阻止推进剂进入发动机系统内的作用，隔离阀A23、B23还起到启动阀的作用，开启隔离阀A23、B23发动机开始启动；当推进剂加注到贮箱后又需要泄出时，为了泄出贮箱底部至隔离阀A23、B23这段供应管路中的推进剂，在隔离阀上设置一个泄出阀，使推进剂从隔离阀A23、B23上泄出，减少的阀门的数量，降低了推进剂流阻的压力损失。
液氧甲烷贮箱增压分系统采用自增压输送系统，液氧增压是从液氧泵出口引出一部分液氧，经换热器加热后变成蒸汽，换热器的热源为涡轮排出的废气，从换热器出来的蒸汽引入液氧贮箱进行增压。甲烷在发动机再生冷却的推力室中做冷却剂，将汽化的甲烷直接从推力室冷却套下游引入甲烷贮箱进行增压。增压输送分系统主要由隔离阀A35、B35、减压阀A34、B34、压力信号器A33、B33、过滤器A32、B32、单向阀A31、B31及气体输送管等组成。隔离阀A35、B35是将发动机与增压输送系统隔开，当发动机输送到增压系统内的气体达到一定温度和压力时，隔离阀打开A35、B35；减压阀A34、B34是将从发动机输送到增压系统管路中的气体压力降到贮箱所需要的压力；压力信号器A33、B33检测增压管路中压力大小，确保输送到贮箱的压力在要求的范围内；过滤器A32、B32是对输送管内的气体杂质进行过滤；单向阀A31、B31确保贮箱内的气体或者液体不会流入到发动机内。
液氧甲烷排气分系统是当贮箱气枕压力超过设计值时，安全阀A41、B41自动打开，高压气体通过排气管排到箭体外；贮箱内压力降低后，安全阀自动关闭。排气分系统主要由安全阀A41、B41，排气管等组成。
Claims (7)
1.一种液氧甲烷推进剂供应系统，其特征在于：该系统主要包括推进剂吹除及预冷分系统、推进剂加注、泄出分系统，推进剂输送分系统，推进剂增压分系统、推进剂排气分系统。
2.如权利要求1所述的推进剂吹除及预冷分系统，其特征在于：液氧甲烷推进剂吹除与预冷的箭上入口为贮箱的加注口A11、B11；推进剂的吹除采用氦气对推进剂地面输送管路、箭上输送管路和增压输送管路进行吹除，吹除后的气体通过贮箱的排气口A41、B41排出；推进剂预冷采用排放预冷方式，推进剂通过泵或者挤压的方式，将其沿着地面输送管路、贮箱、箭上输送管路和发动机进行流动，通过发动机上的泄出口A01、B01排出，使发动机及管路获得预冷，发动机预冷时，增压输送系统各阀门处于关闭状态。
3.如权利要求1所述的推进剂加注、泄出分系统，其特征在于：液氧甲烷推进剂加注、泄出分系统通过地面液氧甲烷供应系统II、III将液氧甲烷从箭上加注口A11、B11输送到贮箱，箭上设备包括加注阀A11、B11，消能器A12、B12，液位显示传感器A13、B13，溢出阀A14、B14，输送管路等；为防止推进剂在加注过程中对贮箱结构强度的影响及防止贮箱与箭体产生扰动，贮箱加注口A11、B11设计在贮箱的底部，并在贮箱加注口设置消能器A12、B12；通过液位显示传感器A13、B13确保加注精度；当推进剂加注超过预定值时，溢出阀A14、B14打开，使多余的推进剂从溢出阀A14、B14流出贮箱。为使贮箱设计加工方便，贮箱溢出口与贮箱增压口使用同一个开口。当贮箱加注完成后，由于箭体出现故障等原因使得发射任务推迟或者取消时，贮箱内的推进剂通过加注阀A11、B11泄回到地面贮箱内。
4.如权利要求1所述的推进剂输送分系统，其特征在于：液氧甲烷推进剂输送分系统由过滤器A21、B21，蓄压器A22、B22，隔离阀A23、B23，输送管路及贮箱等组成。过滤器、隔离阀、蓄压器等装在靠近发动机的管路位置处。过滤器A21、B21使输送到发动机的推进剂纯度符合设计要求，提高发动机工作效率；蓄压器A22、B22改变输送管路的共振频率，使管路共振频率与箭体结构基振频率隔开，防止箭体在飞行中发生纵向耦合振动；隔离阀A23、B23将发动机管路与弹体推进剂供应管路相隔开，贮箱加注推进剂时，隔离阀A23、B23起到阻止推进剂进入发动机系统内的作用，隔离阀A23、B23还起到启动阀的作用，开启隔离阀A23、B23推进剂开始输送，发动机开始启动；当推进剂加注到贮箱后又需要泄出时，为了泄出贮箱底部至隔离阀A23、B23这段供应管路中的推进剂，在隔离阀上设置一个泄出口，使推进剂从隔离阀A23、B23上泄出，减少的阀门的数量，降低了推进剂流阻的压力损失。
5.如权利要求1所述的推进剂贮箱增压分系统，其特征在于：液氧甲烷贮箱增压分系统采用自增压输送系统，液氧增压是从液氧泵出口引出一部分液氧，经换热器加热后变成蒸汽，换热器的热源为涡轮排出的废气，从换热器出来的蒸汽引入液氧贮箱进行增压。甲烷在发动机再生冷却的推力室中做冷却剂，将汽化的甲烷直接从推力室冷却套下游引入甲烷贮箱进行增压。增压输送分系统主要由隔离阀A35、B35，减压阀A34、B34，压力信号器A33、B33，过滤器A32、B32，单向阀A31、B31及气体输送管等组成。隔离阀A35、B35是将发动机与增压输送系统隔开，当发动机输送到增压系统内的气体达到一定温度和压力时，隔离阀打开A35、B35，增压气体开始输送；减压阀A34、B34是将从发动机输送到增压系统管路中的气体压力降到贮箱所需要的压力；压力信号器A33、B33检测增压管路中压力大小，确保输送到贮箱的压力在要求的范围内；过滤器A32、B32是对输送管内的气体杂质进行过滤；单向阀A31、B31确保贮箱内的气体或者液体不会流入到发动机内。
6.如权利要求1所述的推进剂排气分系统，其特征在于：液氧甲烷排气分系统是当贮箱气枕压力超过设计值时，安全阀A41、B41自动打开，高压气体通过排气管排到箭体外，排气分系统主要由安全阀A41、B41，排气管等组成。为防止贮箱排气时对箭体姿态的影响，排气口对称分布在贮箱上。
7.如权利要求1～6所述的推进剂供应系统，其特征在于：由于液氧甲烷同属于低温推进剂，在大气压力下沸点温度相差不大，其管路供应系统上的阀门工作原理相同、工作环境相差不大，在设计时可实现通用化设计，减少零部件的数量。
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