CN209838555U - 一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置，属于火箭推进技术领域，特别是涉及一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置。解决了现有液体火箭发动机成本高、涡轮泵输送系统结构复杂、推进剂消耗量大的问题，并提高了输送系统的响应速度。它包括液氢贮箱、液氧贮箱、电动机、燃烧剂泵、氧化剂泵、液氢控制阀、液氧控制阀、固体氧化物燃料电池、推力室和冷却夹层通道。它主要用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送。

Description

一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置

技术领域

本实用新型属于火箭推进技术领域，特别是涉及一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置。

背景技术

液体火箭发动机具有能量高、比冲高、推力范围大以及工作时间较长等优点，且推进剂为液氢液氧是目前比冲最高的推进剂组合，比液氧煤油高出近1000m/s。但由于其造价昂贵，推进剂消耗量大，每公斤重量低轨入轨费用约1-2万美元，极大的限制了其发展。因此，降低成本且保证工作的可靠性成为液体火箭发动机发展的一个方向。

2015年新西兰的航空航天公司Rocket Lab开发出了一款以Electron运载火箭，其成本仅为采用常规推进器火箭的十分之一，它是一台燃烧液态氧和RP-1火箭燃料的电动涡轮泵引擎，使用一个无刷直流电动机和锂聚合物电池驱动涡轮来运转泵，可以产生4600磅的推力。

大推力发动机用泵压式供应系统，即用液压泵输送推进剂。传统的泵压式由燃气发生器产生燃气带动涡轮转动，涡轮通过齿轮箱带动氧化剂泵和燃烧剂泵工作，增压后的氧化剂和燃烧剂进入推力室，其中燃气发生器的燃料来源于氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱。这种结构中由于燃气发生器的使用会增加推进剂的用量且用燃气带动涡轮从而使泵工作会增加转动的不确定性，某一瞬间可能会发生涡轮泵超转速的情况，使得发动机局部区域内的压力和温度超过其额定值，造成火箭发动机严重的破坏。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中的问题，提出一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置，它包括液氢贮箱、液氧贮箱、电动机、燃烧剂泵、氧化剂泵、液氢控制阀、液氧控制阀、固体氧化物燃料电池、推力室和冷却夹层通道，所述燃烧剂泵和氧化剂泵与电动机输出端相连，所述液氢贮箱与燃烧剂泵入口相连，所述燃烧剂泵出口流出的液氢分为两路，一路通过液氢控制阀进入冷却夹层通道底部，对推力室冷却后从冷却夹层通道上部流出并注入推力室头部，另一路通过液氢管道对电动机冷却后注入固体氧化物燃料电池阳极，所述液氢管道与电动机外壁接触，所述液氧贮箱与氧化剂泵入口相连，所述氧化剂泵出口流出的液氧分为两路，一路通过液氧控制阀注入推力室头部，另一路通过液氧管道对电动机冷却后注入固体氧化物燃料电池阴极，所述液氧管道与电动机外壁接触，所述固体氧化物燃料电池通过电线为电动机供电。

更进一步的，所述燃烧剂泵和氧化剂泵处于电动机的同一根输出转轴上。

更进一步的，所述固体氧化物燃料电池产生的尾气注入推力室头部。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型考虑改变传统的燃料驱动涡轮泵的工作模式，通过燃料电池产生足够的电能驱动电动机，电动机带动泵来实现氧化剂和燃烧剂的输送。该结构可以使得泵的工作更加灵活、准确，避免了泵超转速或者过低速运转带来的与实际需求不匹配的情况，且简化了燃料输送的结构，从而提高了发动机的整体性能。相比传统的液体火箭发动机，取消了燃气发生器以及涡轮，使用固体氧化物燃料电池为电动机供电从而驱动燃烧剂泵和氧化剂泵转动，可以使得泵的工作更加准确、灵活、可靠，且减少了推进剂的使用量，提高了火箭发动机的总体性能。简化了复杂的推进剂输送系统，取消了额外的体积较大的结构如涡轮、燃气导管等，使得结构紧凑性提升，有利于空间的合理利用。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置结构示意图

1-液氢贮箱，2-液氧贮箱，3-电动机，4-燃烧剂泵，5-氧化剂泵，6-液氢控制阀，7-液氧控制阀，8-固体氧化物燃料电池，9-电线，10-推力室，11-冷却夹层通道，12-喷注器，13-燃烧室，14-喷管，15-液氢管道，16-液氧管道

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

参见图1说明本实施方式，一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置，它包括液氢贮箱1、液氧贮箱2、电动机3、燃烧剂泵4、氧化剂泵5、液氢控制阀6、液氧控制阀7、固体氧化物燃料电池8、推力室10和冷却夹层通道11，所述燃烧剂泵4和氧化剂泵5与电动机3输出端相连，所述液氢贮箱1与燃烧剂泵4入口相连，所述燃烧剂泵4出口流出的液氢分为两路，一路通过液氢控制阀6进入冷却夹层通道11底部，对推力室10冷却后从冷却夹层通道11上部流出并注入推力室10头部，另一路通过液氢管道15对电动机3冷却后注入固体氧化物燃料电池8阳极，所述液氢管道15与电动机3外壁接触，所述液氧贮箱2与氧化剂泵5入口相连，所述氧化剂泵5出口流出的液氧分为两路，一路通过液氧控制阀7注入推力室10头部，另一路通过液氧管道16对电动机3冷却后注入固体氧化物燃料电池8阴极，所述液氧管道16与电动机3外壁接触，所述固体氧化物燃料电池8通过电线9为电动机3供电。

本实施例所述燃烧剂泵4和氧化剂泵5处于电动机3的同一根输出转轴上，固体氧化物燃料电池8产生的尾气注入推力室10头部，燃烧剂泵4和氧化剂泵5通过电动机3驱动，通过电能驱动燃烧剂泵4和氧化剂泵5简化了传统需要燃气发生器驱动涡轮泵的发动机结构，可以灵活及时地调整推进剂液氢和液氧的供应情况，有利于发动机总体性能的提升，以及提高工作可靠性和发动机结构的紧凑性。通过液氢和液氧实现对高温部件的冷却防护，来自液氢贮箱1的液氢在压力下输入燃烧剂泵4，在电动机3的驱动下，燃烧剂泵4对液氢加压后流出分为两路，一路在液氢控制阀6的作用下送至冷却夹层通道11底部，自下而上的对推力室10进行冷却，之后从冷却夹层通道11头部汇集输出，再经管道注入推力室10头部；另一路经过液氢管道15对电动机3进行冷却，吸收绝大部分热量对电动机3降温且提升了液氢温度后注入固体氧化物燃料电池8的阳极。来自液氧贮箱2的液氧在压力下输入氧化剂泵5，在电动机3的驱动下，氧化剂泵5对液氧加压后流出分为两路，一路在液氧控制阀7的作用下注入推力室10头部；另一路经过液氧管道16对电动机3进行冷却，吸收绝大部分热量对电动机3降温且提升了液氧温度后注入固体氧化物燃料电池8的阴极。固体氧化物燃料电池8中已加热的液氢和液氧发生电化学反应后产生直流电，通过电线9将电能传给电动机3。推力室10包括喷注器12、燃烧室13和喷管14，输送至推力室10头部的液氢和液氧以及固体氧化物燃料电池8产生的尾气在喷注器12的作用下喷入燃烧室13，在燃烧室13燃烧生成高温高压的燃气，再经过喷管14发生膨胀，将热能转变为动能，以高速方式从喷管14向外喷出，产生推力。

以上对本实用新型所提供的一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (3)

1.一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置，其特征在于：它包括液氢贮箱(1)、液氧贮箱(2)、电动机(3)、燃烧剂泵(4)、氧化剂泵(5)、液氢控制阀(6)、液氧控制阀(7)、固体氧化物燃料电池(8)、推力室(10)和冷却夹层通道(11)，所述燃烧剂泵(4)和氧化剂泵(5)与电动机(3)输出端相连，所述液氢贮箱(1)与燃烧剂泵(4)入口相连，所述燃烧剂泵(4)出口流出的液氢分为两路，一路通过液氢控制阀(6)进入冷却夹层通道(11)底部，对推力室(10)冷却后从冷却夹层通道(11)上部流出并注入推力室(10)头部，另一路通过液氢管道(15)对电动机(3)冷却后注入固体氧化物燃料电池(8)阳极，所述液氢管道(15)与电动机(3)外壁接触，所述液氧贮箱(2)与氧化剂泵(5)入口相连，所述氧化剂泵(5)出口流出的液氧分为两路，一路通过液氧控制阀(7)注入推力室(10)头部，另一路通过液氧管道(16)对电动机(3)冷却后注入固体氧化物燃料电池(8)阴极，所述液氧管道(16)与电动机(3)外壁接触，所述固体氧化物燃料电池(8)通过电线(9)为电动机(3)供电。

2.根据权利要求1所述的一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置，其特征在于：所述燃烧剂泵(4)和氧化剂泵(5)处于电动机(3)的同一根输出转轴上。

3.根据权利要求1所述的一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置，其特征在于：所述固体氧化物燃料电池(8)产生的尾气注入推力室(10)头部。