CN114776477B - 一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统 - Google Patents

一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，包括：氧化亚氮贮箱，减压器，其入口通过管道与氧化亚氮贮箱连通，发动机，其头部氧化亚氮入口通过氧化亚氮管道与减压器的出口连通，氧化亚氮管道安装有音速喷嘴，氮气瓶，煤油贮箱，其出口通过管道与发动机的煤油入口连通，用于在氮气的压力下向发动机输送煤油，活泼金属贮箱，其入口通过驱动管道与氮气瓶连通，其出口与发动机的燃烧室连通，用于为燃烧室提供活泼金属助燃；本发明不仅可以解决氧化亚氮自增压系统控制响应慢、汽化速率低的问题，还可以通过两套燃料供给系统，即煤油供给系统与金属粉末供给系统分别工作或组合工作来实现发动机性能提升与发动机推力大范围调节。

Description

一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统
技术领域
本发明属于液体火箭发动机领域，尤其涉及一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统。
背景技术
液体火箭发动机是目前运载火箭动力的重要基础，在航天发射和深空探测等方面具有及其重要的意义。目前所使用的液体推进剂可根据贮存特性主要分为以液氢液氧为代表的低温贮存推进剂，以及以肼类有毒燃料为主的可储存推进剂。低温贮存推进剂贮存特性差，对贮存温度和贮箱都有很高的要求，这导致此类推进剂成本很高。而后者，即甲基肼、偏二甲肼等肼类有毒推进剂以及相应的氧化剂虽然贮存特性好但，这些推进剂都存在毒性大、腐蚀性强、致癌性高、价格高，危险性大等缺点，这一定程度上限制了航天动力的发展。
另外，这些液体推进剂都需要与相应的挤压式或泵压式供给系统配合使用，这也使得发动机的结构质量上升。氧化亚氮是一种标准的工业液化气，在民生医疗有诸多应用，其良好的的贮存性、安全、无毒、可分解的特点使其在航天推进方面也有优越的使用性能。而无毒无污染的氧化亚氮推进系统在小型航天器的姿轨控方面也有广阔的应用前景。随着环保意识的提升与航天任务对推力系统要求的提高，开发一种易贮存、高性能、低毒性的推进系统可以极大推进航天动力的发展。
虽然氧化亚氮具有高饱和蒸气压的特性可以用来设计自增压系统以减轻推进系统的质量，但氧化亚氮汽化热量补偿、汽化速率限制、发动机推力调节困难、发动机性能低下等问题都限制了自增压系统以及氧化亚氮发动机的实际设计与使用。尽管利用电阻丝加热进行热补偿的方式来解决氧化亚氮自增压系统的部分问题，但同时也带来了响应滞后迟缓、氧化亚氮物性随温度改变等问题。另外氧化亚氮动力系统所存在性能较低以及推力调节范围小的问题仍未有有效的解决方案，这也缩小了氧化亚氮推进系统的适用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，以解决氧化亚氮自增压系统控制响应慢、汽化速率低的问题。
本发明采用以下技术方案：一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，包括：
氧化亚氮贮箱，其内用于贮存液体氧化亚氮，
减压器，其入口通过管道与氧化亚氮贮箱连通，用于对进入其内的氧化亚氮进行汽化，
发动机，其头部氧化亚氮入口通过氧化亚氮管道与减压器的出口连通，氧化亚氮管道安装有音速喷嘴，
氮气瓶，其内用于贮存氮气，
煤油贮箱，其入口通过管道与氮气瓶连通，其出口通过管道与发动机的煤油入口连通，用于在氮气的压力下向发动机输送煤油，
活泼金属贮箱，其入口通过驱动管道与氮气瓶连通，其出口与发动机的燃烧室连通，驱动管道用于为燃烧室提供活泼金属助燃；活泼金属贮箱还通过流化管道与氮气瓶相连通，流化管道用于对活泼金属贮箱内的活泼金属产生流化作用；活泼金属贮箱内设置有流化件，流化件上放置有活泼金属粉末，流化件用于对位于流化件上侧的活泼金属进行流化。
进一步地，活泼金属贮箱包括：
壳体，为密闭结构，其上端与发动机的燃烧室连通，其下端通过驱动管道与氮气瓶连通，
流化件，水平设置，其上放置有活泼金属粉末，流化件由水平设置的上隔板和下隔板以及流化环组成，上隔板位于在上、下隔板在下，流化环为竖向设置的环状结构，并与上隔板和下隔板相互配合形成一个流化腔体，流化腔体通过流化管道与氮气瓶连通，上隔板上竖向贯穿开设有多个流化孔，各流化孔用于氮气自流化管道进入流化腔体内后、顺着流化孔吹向流化件上侧，对位于流化件上侧的活泼金属进行流化。
进一步地，壳体的上端为锥形，
绕壳体的内侧壁一周均匀固定连接有多个流化固定条，各流化固定条竖向设置，
绕流化环一周、流化环向内凹陷形成多个容纳槽，各容纳槽用于对应的流化固定条伸入，进而使得流化件可沿着流化固定条上下移动。
进一步地，氧化亚氮贮箱内设置有氧化亚氮加热器，氧化亚氮加热器用于提高氧化亚氮贮箱内的温度，进而使得氧化亚氮的汽化潜热与氧化亚氮加热器产生热量达到动态平衡。
进一步地，减压器内设置有二次加热器，二次加热器用于提高减压器内的温度，进而使得氧化亚氮汽化潜热带来的热量亏损与二次加热器产生的热量达到动态平衡，还用于通过控制液态氧化亚氮温度来控制氧化亚氮汽化速率，提高氧化亚氮供给流量的范围。
进一步地，煤油贮箱的中部设置有活塞挡板，活塞挡板可在氮气的压力下向下运动，进而将煤油储箱内的煤油压入发动机的煤油入口；
绕煤油贮箱的侧壁一周均匀固定连接有多个滑动固定条，各滑动固定条竖向设置，
活塞挡板的边沿向内凹陷形成凹窝，各凹窝用于滑动固定条伸入，进而使得活塞挡板可沿着滑动固定条上下移动。
本发明的有益效果是：本发明不仅可以解决氧化亚氮自增压系统控制响应慢、汽化速率低的问题，还可以通过两套燃料供给系统，即煤油供给系统与金属粉末供给系统分别工作或组合工作来实现发动机性能提升与发动机推力大范围调节；本发明采用氧化亚氮自增压系统实现氧化亚氮供给减轻推进系统结构质量，同时通过氧化亚氮加热器进行温度补偿，提高了氧化亚氮供给的稳定性；在氧化亚氮发动机身部喷注活泼金属镁粉，有效提高推进系统的比冲、密度比冲等性能，使氧化亚氮推进系统性能提高；本发明中氧化亚氮供给系统、煤油供给系统、金属粉末供给系统相对独立，可单独使用、组合使用或者同时使用，可以实现动力系统单组元工作、双组元工作和三组元工作，工作模式多可以适应不同要求的推进任务；本发明可以通过调节氧化亚氮流量、煤油流量、活泼金属镁粉流量三种放着组合调节推力，推力调节更灵活方便，调节范围更宽，降低推力室本身的技术难度。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明活泼金属贮箱的结构示意图。
其中：1、氧化亚氮贮箱；2、氧化亚氮加热器；3、音速喷嘴；4、减压器；5、发动机；6、氮气瓶；7、煤油贮箱；8、活塞挡板；9、活泼金属贮箱；10、壳体；11、二次加热器；12、流化件；13、流化孔；14、驱动管道；15、流化管道；16、上隔板；17、下隔板；18、流化环；19、流化腔体；20、容纳槽；21、流化固定条。
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。
本发明公开了一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，如图1所示，包括氧化亚氮贮箱1、减压器4、发动机5、氮气瓶6、煤油贮箱7、活泼金属贮箱9。
氧化亚氮贮箱1内用于贮存液体氧化亚氮，减压器4的入口通过管道与氧化亚氮贮箱1连通，减压器4用于对进入其内的氧化亚氮进行汽化，发动机5的头部氧化亚氮入口通过氧化亚氮管道与减压器4的出口连通，氧化亚氮管道安装有音速喷嘴3。
氮气瓶6内用于贮存氮气，煤油贮箱7的入口通过管道与氮气瓶6连通，煤油贮箱7的出口通过管道与发动机5的煤油入口连通，煤油贮箱7用于在氮气的压力下向发动机5输送煤油，煤油贮箱7的中部设置有活塞挡板8，活塞挡板8可在氮气的压力下向下运动，进而将煤油储箱内的煤油压入发动机5的煤油入口。
活泼金属贮箱9的入口通过驱动管道14与氮气瓶6连通，活泼金属贮箱9的出口设置有球形阀、并与发动机5的燃烧室连通，驱动管道14用于为发动机5的燃烧室提供活泼金属助燃。活泼金属贮箱9还通过流化管道15与氮气瓶6相连通，流化管道15用于对活泼金属贮箱9内的活泼金属产生流化作用。
如图2所示，活泼金属贮箱9包括：壳体10、流化件12，壳体10为密闭结构，壳体10的上端与发动机5的燃烧室连通，壳体10的下端通过驱动管道14和流化管道15分别与氮气瓶6连通。流化件12水平设置，流化件12上侧放置有活泼金属粉末，流化件12由水平设置的上隔板16和下隔板17以及流化环18组成，上隔板16位于在上、下隔板17在下，流化环18为竖向设置的环状结构，并与上隔板16和下隔板17相互配合形成一个流化腔体19，流化腔体19通过流化管道15与氮气瓶连通，上隔板16上竖向贯穿开设有多个流化孔13，各流化孔13用于氮气自流化管道15进入流化腔体19内后、顺着流化孔13吹向流化件12上侧，对位于流化件12上侧的活泼金属进行流化。
壳体10的上端为锥形，绕壳体10的侧壁一周均匀设置固定连接有多个流化固定条21，各流化固定条21竖向设置，绕流化环18一周、流化环18向内凹陷形成多个容纳槽20，各容纳槽20用于对应的流化固定条21伸入，进而使得流化件12可沿着流化固定条21上下移动。
氧化亚氮贮箱1上安装有温度传感器和压力传感器，温度传感器和压力传感器用于检测氧化亚氮贮箱1的压力和温度。氧化亚氮贮箱1与减压器4之间的管道上设置有止回阀和电磁阀。减压器4与发动机5之间安装有电磁阀和流量计，氮气瓶6上也安装有压力传感器和电磁阀。氮气瓶6与煤油贮箱7、活泼金属贮箱9之间的三个通路上都设置有调压阀和流量计。
减压器4内设置有二次加热器11，二次加热器11用于提高减压器4内的温度，进而使得氧化亚氮汽化潜热带来的热量亏损与二次加热器11产生的热量达到动态平衡，还用于通过控制液态氧化亚氮温度来控制氧化亚氮汽化速率，提高氧化亚氮供给流量的范围。
氧化亚氮贮箱1内设置有氧化亚氮加热器2，氧化亚氮加热器2用于提高氧化亚氮贮箱1内的温度，进而使得氧化亚氮的汽化潜热与氧化亚氮加热器2产生热量达到动态平衡。
煤油贮箱7的中部设置有活塞挡板8，活塞挡板8可在氮气的压力下向下运动，进而将煤油储箱内的煤油压入发动机5的煤油入口；绕煤油贮箱7的侧壁一周均匀设置固定连接有多个滑动固定条，各滑动固定条竖向设置，活塞挡板8的边沿向内凹陷形成凹窝，各凹窝用于滑动固定条伸入，进而使得活塞挡板8可沿着滑动固定条上下移动。
本发明的工作过程为：
氧化亚氮贮箱1通过减压器4从头部氧化亚氮入口注入到燃烧室，氮气挤压煤油从发动机5的煤油入口喷入燃烧室，与氧化亚氮撞击雾化，之后通过火花塞点燃，同时氮气通入活泼金属贮箱9，通过驱动管道14将金属粉末推进燃烧室进行燃烧，燃烧产物通过喷管喷出，产生推力。
在系统工作时，氧化亚氮贮箱1与减压器4之间管道的止回阀和电磁阀打开，氧化亚氮贮箱1内液态氧化亚氮被气态氧化亚氮被压入减压器4，减压器4内液态氧化亚氮汽化，通过头部氧化亚氮入口进入发动机5燃烧室；氧化亚氮贮箱1中由于氧化亚氮汽化吸热温度降低，氧化亚氮贮箱1的温度传感器监测氧化亚氮贮箱1内温度下降，并向氧化亚氮加热器2发送信号，使得氧化亚氮加热器2开始工作对氧化亚氮贮箱1进行热量补偿，使得氧化亚氮的汽化潜热与氧化亚氮加热器2产生热量达到动态平衡，维持氧化亚氮贮箱1温度不变。
煤油贮箱7的电磁阀打开后，氮气瓶6中氮气进入煤油贮箱7，推动活塞挡板8向下移动，活塞挡板8挤压煤油贮箱7中煤油，将煤油挤压通过发动机5的煤油入口喷入燃烧室，准备燃烧。
氮气从氮气瓶6进入流化管道15，通过流化件12之后进入活泼金属贮箱9上半部吹动活泼金属流动，使得活泼金属经过球形阀进入发动机5燃烧室；与此同时，氮气从氮气瓶6进入驱动管道14，进入活泼金属贮箱9下半部，推动流化件12向上移动，保持活泼金属贮箱9上半部压力稳定。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，其特征在于，包括：
氧化亚氮贮箱(1)，其内用于贮存液体氧化亚氮，
减压器(4)，其入口通过管道与所述氧化亚氮贮箱(1)连通，用于对进入其内的氧化亚氮进行汽化，
发动机(5)，其头部氧化亚氮入口通过氧化亚氮管道与所述减压器(4)的出口连通，所述氧化亚氮管道安装有音速喷嘴(3)，
氮气瓶(6)，其内用于贮存氮气，
煤油贮箱(7)，其入口通过管道与所述氮气瓶(6)连通，其出口通过管道与发动机(5)的煤油入口连通，用于在氮气的压力下向发动机(5)输送煤油，
活泼金属贮箱(9)，其入口通过驱动管道(14)与所述氮气瓶(6)连通，其出口与发动机(5)的燃烧室连通，所述驱动管道(14)用于为燃烧室提供活泼金属助燃；所述活泼金属贮箱(9)还通过流化管道(15)与氮气瓶(6)相连通，所述流化管道(15)用于对活泼金属贮箱(9)内的活泼金属产生流化作用；所述活泼金属贮箱(9)内设置有流化件(12)，所述流化件(12)上放置有活泼金属粉末，所述流化件(12)用于对位于流化件(12)上侧的活泼金属进行流化。
2.根据权利要求1所述的一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，其特征在于，所述活泼金属贮箱(9)包括：
壳体(10)，为密闭结构，其上端与所述发动机(5)的燃烧室连通，其下端通过驱动管道(14)与氮气瓶(6)连通，
流化件(12)，水平设置，其上放置有活泼金属粉末，所述流化件(12)由水平设置的上隔板(16)和下隔板(17)以及流化环(18)组成，所述上隔板(16)位于在上、下隔板(17)在下，所述流化环(18)为竖向设置的环状结构，并与上隔板(16)和下隔板(17)相互配合形成一个流化腔体(19)，所述流化腔体(19)通过流化管道(15)与氮气瓶(6)连通，所述上隔板(16)上竖向贯穿开设有多个流化孔(13)，各所述流化孔(13)用于氮气自流化管道(15)进入流化腔体(19)内后、顺着流化孔(13)吹向流化件(12)上侧，对位于流化件(12)上侧的活泼金属进行流化。
3.根据权利要求2所述的一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，其特征在于，所述壳体(10)的上端为锥形，
绕所述壳体(10)的内侧壁一周均匀固定连接有多个流化固定条(21)，各所述流化固定条(21)竖向设置，
绕所述流化环(18)一周、流化环(18)向内凹陷形成多个容纳槽(20)，各所述容纳槽(20)用于对应的流化固定条(21)伸入，进而使得流化件(12)可沿着流化固定条(21)上下移动。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，其特征在于，所述氧化亚氮贮箱(1)内设置有氧化亚氮加热器(2)，所述氧化亚氮加热器(2)用于提高氧化亚氮贮箱(1)内的温度，进而使得氧化亚氮的汽化潜热与氧化亚氮加热器(2)产生热量达到动态平衡。
5.根据权利要求4所述的一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，其特征在于，所述减压器(4)内设置有二次加热器(11)，所述二次加热器(11)用于提高减压器(4)内的温度，进而使得氧化亚氮汽化潜热带来的热量亏损与二次加热器(11)产生的热量达到动态平衡，还用于通过控制液态氧化亚氮温度来控制氧化亚氮汽化速率，提高氧化亚氮供给流量的范围。
6.根据权利要求5所述的一种氧化亚氮液体火箭发动机三组元动力系统，其特征在于，所述煤油贮箱(7)的中部设置有活塞挡板(8)，所述活塞挡板(8)可在氮气的压力下向下运动，进而将煤油储箱内的煤油压入发动机(5)的煤油入口；
绕所述煤油贮箱(7)的侧壁一周均匀固定连接有多个滑动固定条，各所述滑动固定条竖向设置，
所述活塞挡板(8)的边沿向内凹陷形成凹窝，各所述凹窝用于滑动固定条伸入，进而使得活塞挡板(8)可沿着滑动固定条上下移动。
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