CN114408222B - 气动增压发动机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气动增压发动机系统，涉及气动增压发动机技术领域，该系统包括下列组件：充气阀、气瓶、气路电爆阀、减压阀A、减压阀B、单向阀、氧化剂贮箱、燃料贮箱、加注阀、液路电爆阀、气动增压器、阻尼器、气动阀、轨控推力室、姿控推力器；各组件彼此间均通过管路相互连接。本发明具备结构紧凑、重量轻、工况调节范围宽、发动机多次起动、姿轨控一体、高精度混合比控制等方面的优点。
Description
技术领域
本发明涉及气动增压发动机技术领域，具体地，涉及一种气动增压发动机系统。
背景技术
目前，国际上液体空间推进技术的研制已日趋成熟，按推进剂供应方式分，主要有挤压式推进系统和涡轮泵压式推进系统两大类。
挤压式推进系统结构简单，可多次启动，工作可靠，但由于推进剂贮箱要承受高压，导致贮箱壁较厚，结构质量较大，同时增压气体的质量和容积也较大；受限于系统压力，燃烧室的压力一般都较低，造成推力室外形尺寸增大。因此，挤压式系统适用于小推力、多次启动的发动机系统。
泵压式推进系统的主要优点是推进剂贮箱不需要直接提供推进剂组元供给压力，因此贮箱压力不高、贮箱壁较薄，在贮箱容积很大的情况下质量也比较小。其缺点是涡轮泵组件相对复杂，如需要多次启动，还需单独的燃气发生器或预燃室等结构，使整个结构更为复杂，且可靠性降低，系统质量增加。同时由于考虑涡轮泵的可靠性，以至于整个系统的可靠性受影响。
为解决空间液体火箭推进系统的功能、质量、尺寸及可靠性、安全性之间的矛盾，需要寻求一种全新的解决途径。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种气动增压发动机系统。
根据本发明提供的一种气动增压发动机系统，所述方案如下：
一种气动增压发动机系统，所述系统包括：充气阀、气瓶、气路电爆阀、减压阀A、减压阀B、单向阀、氧化剂贮箱、燃料贮箱、加注阀、液路电爆阀、气动增压器、阻尼器、气动阀、轨控推力室、姿控推力器；
多个所述气瓶与所述充气阀和气路电爆阀相连接，所述气路电爆阀分别与所述减压阀A和减压阀B的进口连接；
所述减压阀A的出口连接有两个单向阀，其中一个单向阀与所述氧化剂贮箱相连接，另一个单向阀与所述燃料贮箱相连接；
所述氧化剂贮箱和燃料贮箱的液路出口均安装有加注阀和液路电爆阀，各所述液路电爆阀的另一端均分别连接有多个姿控发动机和气动增压器，所述气动增压器上设置有多个气液进出口；
所述气动增压器液路出口处分别连接阻尼器的进口，所述阻尼器液路出口分别连接有气动阀的进口，气动阀出口与所述轨控发动机连接；
且所述减压阀B分别与所述气动阀和气动增压器的进气口连接，其中气体在进入气动增压器前，先通过轨控发动机的喷管对其进行加热；
以上各组件之间均采用管路连接。
优选地，所述气瓶中的气体经过减压阀A减压后压力为P1，经过减压阀B减压后压力为P2，压力P1用于氧化剂贮箱和燃料贮箱的预增压，P2压力用于驱动气动增压器和气动阀，且P2>P1。
优选地，所述减压阀A和减压阀B设置为不同的出口压力，该出口压力的设置要结合氧化剂贮箱和燃料贮箱的耐压能力、气动增压器的增压比、发动机系统的总冲及姿控发动机和轨控发动机的节流能力在内的多方面因素。
优选地，所述气动增压发动机系统使姿轨控发动机共用一套推进剂贮供系统；推进剂从氧化剂贮箱和燃料贮箱出来后分两路，一路进入气动增压器，通过增压进入轨控发动机，另一路直接供给姿控发动机。
优选地，所述单向阀分别设置在氧化剂贮箱和燃料贮箱的进气口；
所述气动增压器工作时，消耗气体进行做功，驱动内部活塞，同时对氧化剂和燃料进行增压。
优选地，所述减压阀能够调节压力，通过减压阀调节驱动气体的压力，实现对气动增压器输出推进剂流量和压力的调节。
优选地，只要有驱动气体和推挤剂供应，该气动增压发动机系统的启动次数不受限制。
优选地，所述气动增压器同时输出氧化剂和燃料，氧化剂的活塞和燃料的活塞通过轴刚性连接在一起，通过严格控制氧化剂的活塞和燃料的活塞之间的尺寸关系，保证推进剂的输出流量混合比。
优选地，经过所述气动增压器增压后的氧化剂和燃料，需经过阻尼器的平衡作用，消除压力波动，平稳的供给下压推力室。
优选地，用于驱动气动增压器的气体，先经过推力室喷管的热交换，再用于驱动气动增压器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明结合了泵压发动机系统和挤压发动机系统的优点，在一定的总冲要求内，具备结构紧凑、工况调节范围宽、发动机多次起动、姿轨控一体、高精度混合比控制等方面的优点；
2、本发明实现姿轨控发动机系统推进剂的统一管理，降低系统的复杂度，同时大大减轻了推进系统的总重量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例用于气动增压发动机系统的原理图。
附图标记：
气瓶1 充气阀2
气路电爆阀3 减压阀A 4
减压阀B 5 单向阀6
氧化剂贮箱7 燃料贮箱8
加注阀9 液路电爆阀10
气动增压器11 阻尼器12
气动阀13 轨控发动机14
姿控发动机15 气动增压器的氧化剂入口O1
气动增压器的氧化剂出口O2 气动增压器的燃料入口F1
气动增压器的燃料出口F2 气动增压器的驱动气体入口G1
气动增压器的驱动气体排出口G2
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种气动增压发动机系统，参照图1所示，该系统由充气阀、气瓶、气路电爆阀、减压阀A、减压阀B、单向阀、氧化剂贮箱、燃料贮箱、加注阀、液路电爆阀、气动增压器、阻尼器、气动阀、轨控推力室、姿控推力器等组成；各组件彼此间均通过管路相互连接。其中液路电爆阀也可以采用破裂膜片代替，在气动增压发动机系统中可以起到与液路电爆阀相同的功能。
具体地，参照图1所示，本实施例中有三个气瓶与一个充气阀和一个气路电爆阀相连接，气路电爆阀与减压阀A相连接，气路电爆阀与减压阀A之间还连接有减压阀B；
减压阀A的另一端连接有两个单向阀，其中一个单向阀与氧化剂贮箱相连接，另一个单向阀与燃料贮箱相连接；
氧化剂贮箱和燃料贮箱的另一端均安装有加注阀和液路电爆阀，各液路电爆阀的另一端均分别连接有姿控发动机和气动增压器，气动增压器上设置有多个出口及入口；分别为气动增压器的氧化剂入口O1、气动增压器的燃料入口F1、气动增压器的驱动气体入口G1、气动增压器的氧化剂出口O2、气动增压器的燃料出口F2及气动增压器的驱动气体排出口G2。
其中，两个液路电爆阀分别连接与气动增压器的氧化剂入口O1和气动增压器的燃料入口F1，气动增压器的氧化剂出口O2和气动增压器的燃料出口F2分别连接有阻尼器，阻尼器另一端分别连接有气动阀，各气动阀的另一端与所述轨控发动机连接；
且减压阀B还分别与气动阀和轨控发动机连接，轨控发动机还与气动增压器的驱动气体入口G1连接；其中，各组件彼此间的连接均通过管路连接。
气动增压发动机结合了泵压发动机系统和挤压发动机系统的优点，在一定的总冲要求内，具备结构紧凑、重量轻、工况调节范围宽、发动机多次起动、姿轨控一体等方面的优点。
气瓶中的高压气路经过减压阀减压后，分别提供一种较低的压力用于贮箱预增压，再提供另一种压力用于驱动气动增压器和气动阀。
气瓶中的高压气体经过减压阀A减压后压力为P1，经过减压阀B减压后压力为P2，压力P1用于氧化剂贮箱和燃料贮箱预增压，P2压力用于驱动气动增压器和气动阀，而且要求P2>P1。
减压阀A和减压阀B一般设置为不同的出口压力，该出口压力的设置要结合氧化剂贮箱和燃料贮箱的耐压能力、气动增压器的增压比、发动机系统的总冲及姿控发动机和轨控发动机的节流能力等多方面因素。
单向阀分别设置在氧化剂贮箱和燃料贮箱的进气口，保证贮箱内预增压压力的稳定，不会受驱动气压的影响。
所述气动增压器工作时，消耗气体进行做功，驱动内部活塞，同时对氧化剂和燃料进行增压。
如图1所示，气动增压器工作时，G1口输入驱动气体驱动气动增压器内部活塞运动，对O1口输入预增压的氧化剂和F1口输入预增压的燃料进行增压，分别由O2口和F2口输出增压后的氧化剂和燃料，工作过程中消耗的气体由G2排出。
经过气动增压器增压后的氧化剂和燃料，需经过阻尼器的平衡作用，消除压力波动，平稳的供给下压推力室。
如图1所示，用于驱动气动增压器的气体，使其经过推力室喷管的热交换，再用于驱动气动增压器，可以提高驱动气体的效率。
使用不同的驱动气体，气动增压器的输出流量会有所不同，因为不同气体做功，气动增压器的工作频率会不同，进而导致输出的增压液体流量不同。
使用气动阀控制流入推力室的推进剂，气动阀具有启动快，驱动力大，重量轻的特点。比挤压发动机系统的贮箱压力较低，所以贮箱重量较轻。
如图1所示，气动增压发动机系统，可以实现姿轨控发动机共用一套推进剂贮供系统。因为姿控发动机入口压力低，所需推进剂供给压力较低。推进剂从贮箱出来后分两路，一路进入气动增压器，通过增压进入轨控发动机，另一路直接供给姿控发动机。气动增压器推进剂管路入口压力可以根据轨控发动机入口压力的要求来确定，实现姿轨控发动机系统推进剂的统一管理，降低系统的复查度，同时可以大大减轻推进系统的总重量。
通过配置可调节压力的减压阀，调节驱动气体的压力，进而实现气动增压器输出推进剂流量和压力的可调节，最终实现发动机变推力的目的。
相比泵压发动机系统受到启动电爆管数量的限制，气动增压发动机系统启动次数不受限制，只要有驱动气体和推挤剂供应，发动机就可以不受限制的工作。
气动增压器同时输出氧化剂和燃料，氧化剂活塞和燃料活塞通过轴刚性连接在一起，通过严格控制氧化剂活塞和燃料活塞的尺寸关系，能够保证推进剂的输出流量混合比。高精度的混合比可以减少推进剂的携带余量，从而能减少发动机系统推进剂的加注量。
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
一种气动增压发动机系统，该系统主要由气瓶1、充气阀2、气路电爆阀3、减压阀A4、减压阀B 5、单向阀6、氧化剂贮箱7、燃料贮箱8、加注阀9、液路电爆阀10、气动增压器11、阻尼器12、气动阀13、轨控发动机14及姿控发动机15等构成。
具体地，参照图1所示，本实施例中有三个气瓶1与一个充气阀2和一个气路电爆阀3相连接，气路电爆阀3分别与减压阀A 4和减压阀B 5相连接；
减压阀A 4的出口端连接有两个单向阀6，其中一个单向阀6与氧化剂贮箱7相连接，另一个单向阀6与燃料贮箱8相连接；
氧化剂贮箱7和燃料贮箱8的液路出口端均安装有加注阀9和液路电爆阀10，各液路电爆阀10的另一端均分别连接有姿控发动机15和气动增压器11。气动增压器11上设置有多个气液路进出口，分别为气动增压器的氧化剂入口O1、气动增压器的燃料入口F1、气动增压器的驱动气体入口G1、气动增压器的氧化剂出口O2、气动增压器的燃料出口F2及气动增压器的驱动气体排出口G2。
其中，两个液路电爆阀10分别连接与气动增压器的氧化剂入口O1和气动增压器的燃料入口F1，气动增压器的氧化剂出口O2和气动增压器的燃料出口F2分别连接阻尼器12的进口，阻尼器12的出口分别连接气动阀13的液路进口，各气动阀13的液路出口与轨控发动机14连接；
且减压阀B 5分别与气动阀13和气动增压器11的进气口G1连接，其中气体在进入气动增压器前，先通过轨控发动机的喷管对其进行加热；
以上各组件之间均采用管路连接。
气动增压系统工作时，气路电爆阀3和液路电爆阀10先工作，使气瓶1中的气体流向下游，使减压阀A 4和减压阀B 5分别工作，经过减压阀A 4减压后的气体通过单向阀6后，分别对氧化剂贮箱7和燃料贮箱8进行增压，该单向阀6可以保证贮箱气路的压力平稳。预增压的氧化剂和燃料分别通过气动增压器的氧化剂入口O1和气动增压器的燃料入口F1口进入气动增压器11内，另外直接建压到姿控发动机15入口，给姿控发动机15开启指令，姿控发动机15开始工作。同时，经过减压阀B 5减压的气体分别流向气动增压器的驱动气体入口G1和气动阀13的气体控制入口。给氧化剂和燃料路气动阀13开启命令后，气动增压器11工作，对氧化剂和燃料进行增压，由气动增压器的氧化剂出口O2和气动增压器的燃料出口F2口分别流程，经过阻尼器12平衡压力后，供给轨控发动机14，驱动气体做功后，由气动增压器的驱动气体排出口G2排出。随着轨控发动机14工作，喷管温度升高后，经过喷管加热的驱动气体继续进入气动增压器11做功，可以提高气动增压器11的用气效率。
输出流量的可调节性是气动增压器的一个特点，通过调节流量，可以实现发动机工作在不同推力工况。通过在减压阀B 5上驱动装置可以小范围地改变飞行时的推力工况。使气动增压发动机系统在一定范围内具备推力调节能力。
本发明将气动增压发动机技术应用于空间推进系统；其中，气动增压式发动机系统的工作原理如下：利用气动增压器通过消耗有限的增压气体，将推进剂从低压贮箱增压后供给发动机，实现发动机高室压工作，提高发动机的比冲。气动增压式推进系统不同于传统的泵压式系统和挤压式系统，它同时具备泵压式系统和挤压式系统的优点：既具备高性能，又能多次工作，并且系统较简单，实现了发动机系统低箱压、高室压工作。
本发明实施例提供的一种气动增压发动机系统，结合了泵压发动机系统和挤压发动机系统的优点，在一定的总冲要求内，具备结构紧凑、重量轻、工况调节范围宽、发动机多次起动、姿轨控一体、高精度混合比控制等方面的优点，应用于气动增压发动机系统中，实现推进剂的增压输出。
本发明作为一种新的推进系统，可应用于火箭上面级、空间飞行器等领域。相对于挤压式和泵压式推进系统有其自身的优势，可以为航天器总体单位提供双组元推进发动机新的选择方案。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种气动增压发动机系统，其特征在于，包括：充气阀、气瓶、气路电爆阀、减压阀A、减压阀B、单向阀、氧化剂贮箱、燃料贮箱、加注阀、液路电爆阀、气动增压器、阻尼器、气动阀、轨控推力室、姿控推力器；
多个所述气瓶与所述充气阀和气路电爆阀相连接，所述气路电爆阀分别与所述减压阀A和减压阀B的进口连接；
所述减压阀A的出口连接有两个单向阀，其中一个单向阀与所述氧化剂贮箱相连接，另一个单向阀与所述燃料贮箱相连接；
所述氧化剂贮箱和燃料贮箱的液路出口均安装有加注阀和液路电爆阀，各所述液路电爆阀的另一端均分别连接有多个姿控发动机和气动增压器，所述气动增压器上设置有多个气液进出口；
所述气动增压器液路出口处分别连接阻尼器的进口，所述阻尼器液路出口分别连接有气动阀的进口，气动阀出口与轨控发动机连接；
且所述减压阀B分别与所述气动阀和气动增压器的进气口连接，其中气体在进入气动增压器前，先通过轨控发动机的喷管对其进行加热；
以上各组件之间均采用管路连接；
所述气动增压器工作时，消耗气体进行做功，驱动内部活塞，同时对氧化剂和燃料进行增压。
2.根据权利要求1所述的气动增压发动机系统，其特征在于，所述气瓶中的气体经过减压阀A减压后压力为P1，经过减压阀B减压后压力为P2，压力P1用于氧化剂贮箱和燃料贮箱的预增压，P2压力用于驱动气动增压器和气动阀，且P2>P1。
3.根据权利要求2所述的气动增压发动机系统，其特征在于，所述减压阀A和减压阀B设置为不同的出口压力，该出口压力的设置要结合氧化剂贮箱和燃料贮箱的预增压的耐压能力、气动增压器的增压比、发动机系统的总冲及姿控发动机和轨控发动机的节流能力在内的多方面因素。
4.根据权利要求3所述的气动增压发动机系统，其特征在于，所述气动增压发动机系统使姿轨控发动机共用一套推进剂贮供系统；推进剂从氧化剂贮箱和燃料贮箱出来后分两路，一路进入气动增压器，通过增压进入轨控发动机，另一路直接供给姿控发动机。
5.根据权利要求3所述的气动增压发动机系统，其特征在于，所述单向阀分别设置在氧化剂贮箱和燃料贮箱的进气口。
6.根据权利要求5所述的气动增压发动机系统，其特征在于，所述减压阀能够调节压力，通过减压阀调节驱动气体的压力，实现对气动增压器输出推进剂流量和压力的调节。
7.根据权利要求5所述的气动增压发动机系统，其特征在于，只要有驱动气体和推挤剂供应，该气动增压发动机系统的启动次数不受限制。
8.根据权利要求5所述的气动增压发动机系统，其特征在于，所述气动增压器同时输出氧化剂和燃料，氧化剂的活塞和燃料的活塞通过轴刚性连接在一起，通过严格控制氧化剂的活塞和燃料的活塞之间的尺寸关系，保证推进剂的输出流量混合比。
9.根据权利要求1所述的气动增压发动机系统，其特征在于，经过所述气动增压器增压后的氧化剂和燃料，需经过阻尼器的平衡作用，消除压力波动，平稳的供给下压推力室。
10.根据权利要求1所述的气动增压发动机系统，其特征在于，用于驱动气动增压器的气体，先经过推力室喷管的热交换，再用于驱动气动增压器。
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- 2021-12-20 CN CN202111565646.0A patent/CN114408222B/zh active Active
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| CN114408222A (zh) | 2022-04-29 |
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