CN217029123U - 一种液体火箭回流预冷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种液体火箭回流预冷装置，用于为火箭发动机组件进行预冷，包括：顶部设有第一排气口的贮箱、与贮箱底部连通的发动机泵、与发动机泵连通的回流管、以及与第一排气口连通的排气管。其中，回流管远离发动机泵的一端与贮箱连通，使贮箱流出的推进剂至少部分能够回流至贮箱。排气管至少部分包裹地设置在回流管外，使排气管内壁与回流管外壁之间形成通气通道。其中，排气管远离第一排气口的一端设置第二排气口，以实现气体在排气管内流通。贮箱内因低温换热产生的气体通过第一排气口排出贮箱后进入排气管，并第二排气口排出排气管，从而排气管内的气体与回流管的外壁直接接触并进行换热，以促进贮箱内推进剂的循环预冷。

Description

一种液体火箭回流预冷装置

技术领域

本实用新型涉及航天运载火箭技术领域，特别是一种液体火箭回流预冷装置。

背景技术

低温液体火箭发动机由于低温特性在起动前必须对发动机及其增压输送系统进行充分预冷，保持发动机内部流道为低温状态。如果不预冷或预冷不充分，管路及涡轮泵组件的温度会比低温液体推进剂的温度高很多。当发动机起动时，与高温部件接触的低温推进剂将发生剧烈相变，以气相或气液两相混合流体的状态进入管路和发动机泵等组件，引起泵的气蚀、飞转，或延长启动时间和推力爬升的时间，导致压力和流量的波动、失速运行、富氧燃烧等，引起发动机的工作异常，严重的甚至可以使启动完全失败，影响火箭发射。

目前，预冷过程需要借助外部的干预保证预冷后才能持续进行。通常的做法是进行氦气引射，而氦气引射成本较高，经济性较差。

因此，现在亟需设计一种可以持续进行预冷的液体火箭回流预冷装置。

实用新型内容

针对相关技术中的上述技术问题，为避免发动机泵发生汽蚀或飞转，造成发动机启动时间延长和推力爬升慢，也为了避免外部输入和成本高的问题，本实用新型提供了一种液体火箭回流预冷装置，通过在贮箱顶部设置排气口，将推进剂受热后产生的气体排出贮箱进入排气管，并利用排气管将回流管包裹设置，以利用排气管内的气体对回流管进行加热，回流管再对回流管内的推进剂进行加热，推进剂温度上升，密度减小，促进了推进剂的持续回流。同时也可以通过调整排气管第二排气口开度的方式改善回流效果。

本实用新型提供了一种液体火箭回流预冷装置，用于为火箭发动机组件进行预冷。包括：顶部设有第一排气口的贮箱、与所述贮箱底部连通的发动机泵、与所述发动机泵连通的回流管、以及与所述第一排气口连通的排气管，所述发动机泵还与火箭发动机组件连接。所述回流管远离所述发动机泵的一端与所述贮箱连通，使所述贮箱流出的推进剂至少部分能够回流至所述贮箱；所述排气管至少部分包裹地设置在所述回流管外，使所述排气管内壁与所述回流管外壁之间形成通气通道；其中，所述排气管远离所述第一排气口的一端设置第二排气口，以实现气体在所述排气管内流通。所述贮箱内因低温换热产生的气体通过所述第一排气口排出所述贮箱后进入所述排气管，并由所述第二排气口排出所述排气管，从而所述排气管内的气体与所述回流管的外壁直接接触并进行换热，以促进所述贮箱内推进剂的循环预冷。

在一个实施例中，所述第一排气口的位置设有第一排气阀；在火箭加注过程中，所述第一排气阀处于打开状态，以维持所述贮箱内的压力。

在一个实施例中，所述第二排气口设置在所述排气管外壁，且所述第二排气口的开度可调。

在一个实施例中，所述第二排气口处设置有可调节孔板；所述可调节孔板用于调节所述第二排气口的排气速度，以优化循环预冷过程。

在一个实施例中，所述第二排气口处设有开度可调的第二排气阀，通过调小所述第二排气阀开度，降低所述排气管内的气体流速，能够使所述排气管内的气体与所述回流管外壁充分换热。

在一个实施例中，所述回流管远离所述发动机泵的一端设置于所述贮箱筒段的中间位置。

在一个实施例中，所述贮箱通过输送管与所述发动机泵连接。

在一个实施例中，所述回流管包括被所述排气管包裹设置的第一管路和未被所述排气管包裹的第二管路；所述第一管路的一端与所述发动机泵连接，其另一端与所述第二管路可拆卸连接；所述第二管路的另一端连接至所述贮箱。

在一个实施例中，所述第一管路用于与所述第二管路对接的一端贯穿所述排气管一侧的外壁设置；所述排气管与所述第一管路对接端接触的位置密封设置，防止漏气。

在上述任意一个实施例中，所述排气管内壁与所述回流管外壁之间的距离至少为5mm。

在一个实施例中，所述排气管远离所述第一排气口的一端靠近所述发动机泵设置。

本实用新型实施例的液体火箭回流预冷装置，可以根据火箭预冷过程中的实际工况，将排气管包裹设置在回流管外侧，能够促进循环预冷的进行。同时还能够通过调整第二排气口的开度，从而改变推进剂的循环预冷效果。本实用新型实施例的液体火箭回流预冷装置，不需要引入任何外部输入，仅依靠火箭自身就能实现，明显降低了经济成本，简化了地面设备以及发射流程。

在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的回流预冷装置的整体结构示意图。

图2是本实用新型实施例的排气管包裹回流管的结构示意图。

图3是本实用新型实施例的回流管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

参见图1，本实用新型提供了一种液体火箭回流预冷装置，用于为火箭发动机组件200进行预冷。本实用新型提供的液体火箭回流预冷装置包括顶部设有第一排气口11的贮箱1、与贮箱1底部连通的发动机泵2、与发动机泵2连通的回流管3、以及与第一排气口11连通的排气管4。其中发动机泵2还与火箭发动机组件连接，由贮箱1流入发动机泵2的推进剂100至少部分流向回流管3。回流管3远离发动机泵2的一端与贮箱1连通，使由贮箱1流出的推进剂至少部分能够回流至贮箱1。排气管4至少部分包裹地设置在回流管3外，使排气管4内壁与回流管3外壁之间形成通气通道，能够利用排气管4内流动的气体对回流管3进行换热。其中，排气管4远离第一排气口11的一端设置第二排气口41，以实现气体由贮箱的第一排气口11排出后进入排气管4，最终由排气管4的第二排气口41排出的流程，使气体能够在排气管4内流通，以保持贮箱内的多余气体可以正常排出，同时充分对回流管的推进剂进行加热。

具体地，在火箭加注及预冷过程开始后，贮箱1内因低温换热产生的气体将通过第一排气口11排出贮箱1后进入排气管4，并由第二排气口41排出排气管4，从而能够使排气管4内的气体不断与回流管3的外壁直接接触并进行换热，以促进贮箱内推进剂的循环预冷。

本实用新型实施例的液体火箭回流预冷装置，通过将排气管包裹设置于回流管的外侧，利用排气管内的气体与排气管外壁进行换热，再利用排气管外壁与排气管内的推进剂进行换热，能够促进循环预冷的进行。且本实用新型实施例的液体火箭回流预冷装置不用引入任何外部输入，仅依靠火箭自身的结构就能够实现，大幅降低了经济成本，简化了地面设备以及发射流程。

继续参见图1，在一个实施例中，在第一排气口11的位置设有第一排气阀12，用于控制第一排气口的开关状态。在贮箱运输及装配过程中，第一排气阀全程处于关闭状态，以防止多余物进入贮箱。在火箭加注过程中，为保证火箭加注过程中贮箱1不超压，需要保证第一排气阀12全程处于打开状态，将贮箱1内因低温换热产生的气体排出贮箱，以维持贮箱内的压力。

在上述实施例中，贮箱1通过输送管5与发动机泵2连接。

同时参加图1和图2，具体地，火箭预冷流程：通过对贮箱1进行加注，贮箱1内推进剂从输送管5流向发动机泵2，并流向回流管3，随着加注进行，回流管3内的推进剂充填完毕，循环预冷开始进行。

排气管4将回流管3外侧包裹设置，排气管4的内壁与回流管3的外壁形成排气通道7。A-A截面中液体推进剂从回流管内侧6流通，气体从排气通道7流通。在循环预冷过程中，排气通道7可以始终保持气体排出，并且气体是由贮箱内液体蒸发换热产生，从排气通道7流出后，温度仍明显大于回流管内侧6的液体温度。

因此，根据公式：Q＝h*A*(tw-t)可知，排气管内气体与回流管管壁进行强迫对流换热，回流管管壁结构温度上升，进而回流管内侧的推进剂温度上升。(式中：Q为单位时间内面积A上的传热热量，单位W；tw、t分别为固体表面和流体的温度，单位K；A为壁面面积，单位m²；h称为表面对流传热系数，单位W/(m².K))。

在一个实施例中，排气管靠近发动机泵的一端与回流管外壁形成轴向封闭端面。第二排气口41可以设置在排气管4的轴向端面，也就是排气管4沿其轴向靠近发动机泵2的端面。或者第二排气口41也可以设置在排气管4的周向侧面外壁。鉴于液体火箭预冷过程的初始阶段状态不稳，回流管的回流效果较差，因此可将第二排气口41的开度设置为可调。本实用新型实施例的液体火箭回流预冷装置，通过调节第二排气口的开度，可以降低排气管内气流的流速，使气体与回流管的外壁更充分的进行换热，从而可以进一步促进循环预冷的进行。

进一步，为了优化整个循环预冷过程，可以在第二排气口41处设置可调节孔板。通过调节排气口处的可调节孔板开度，使第二排气口的排气速度改变，进而改变排气管内的气体流速，保证循环预冷过程能够正常进行。

或者，在一个实施例中，第二排气口处设置有开度可调的第二排气阀。通过调小第二排气阀开度，降低排气管内的气体流速，能够促使排气管内的气体与回流管外壁充分换热。

本实用新型实施例的液体火箭回流预冷装置，其循环预冷发生的机理是输送管与回流管内推进剂密度差引起的压差：

(ρ₁-ρ₂)gh＝△P，式中：ρ₁为回流管内推进剂密度；ρ₂为输送管内推进剂密度；△P为循环预冷的压差驱动力。

回流管管壁受热后，对回流管内部推进剂进行加热，回流管内推进剂密度ρ1上升，由上述公式可知驱动力增大，因此促进了回流的进行。

在一个实施例中，回流管3可以根据实际工况设置在贮箱1的适当位置。

参见图3，在一个实施例中，回流管3包括被排气管4包裹设置的第一管路31和未被排气管4包裹的第二管路32。第一管路31的一端与发动机泵连接，其另一端与第二管路32可拆卸连接，第二管路32的另一端连接至贮箱1。本实用新型实施例的液体火箭回流预冷装置，将回流管的第一管路包裹设置于排气管内，实现气体与第一管路内的推进剂进行热交换。使第二管路一端与第一管路可拆卸连接，可以简化地面设备的生产，降低回流管路与排气管路的生产难度，同时也便于维修更换，明显降低了经济成本。

进一步地，第一管路31用于与第二管路32对接的一端贯穿排气管4一侧的外壁设置，且第一管路32与排气管4直接接触的位置密封操作，以防止排气管4漏气。

在上述任意一个实施例中，为了保证推进剂的回流效果，可以将排气管4内壁与回流管3外壁之间的距离设置为5mm以上，以保证排气管内气体温度和流速均在适当范围内。作为优选，可以将排气管4内壁与回流管3外壁之间的距离设置在6mm至12mm之间。

为了使回流管内的推进剂能够与排气管内的气体充分换热，可以延长排气管的长度。例如，排气管远离第一排气口的一端靠近发动机泵设置，使由发动机泵流出的推进剂进入回流管后，能够尽快与排气管内的气体进行换热。

本实用新型的液体火箭回流预冷装置，充分考虑了火箭实际工作流程，提出了新的预冷干预方式。通过将排气管包裹回流管设置，利用冷热替换的方式，使回流管内的推进剂升温，从而促进循环预冷的持续进行。还可以通过调整第二排气口开度的方式改变排气管内的气体流速，从而进一步改善循环预冷效果。本实用新型的液体火箭回流预冷装置，既减少了成本，又最大限度地发挥了火箭自身的特点，简化回流预冷系统，减少外部输入，解决了预冷效率的问题。

本实用新型的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液体火箭回流预冷装置，用于为火箭发动机组件进行预冷，其特征在于，包括：顶部设有第一排气口的贮箱、与所述贮箱底部连通的发动机泵、与所述发动机泵连通的回流管、以及与所述第一排气口连通的排气管；所述发动机泵还与火箭发动机组件连接；

其中，所述回流管远离所述发动机泵的一端与所述贮箱连通，使所述贮箱流出的推进剂至少部分能够回流至所述贮箱；

所述排气管至少部分包裹地设置在所述回流管外，使所述排气管内壁与所述回流管外壁之间形成通气通道；其中，所述排气管远离所述第一排气口的一端设置第二排气口，以实现气体在所述排气管内流通；

所述贮箱内因低温换热产生的气体通过所述第一排气口排出所述贮箱后进入所述排气管，并由所述第二排气口排出所述排气管，从而所述排气管内的气体与所述回流管的外壁直接接触并进行换热，以促进所述贮箱内推进剂的循环预冷。

2.根据权利要求1所述的液体火箭回流预冷装置，其特征在于，所述第一排气口的位置设有第一排气阀；在火箭加注过程中，所述第一排气阀处于打开状态，以维持所述贮箱内的压力。

3.根据权利要求2所述的液体火箭回流预冷装置，其特征在于，所述第二排气口设置在所述排气管外壁，且所述第二排气口的开度可调。

4.根据权利要求3所述的液体火箭回流预冷装置，其特征在于，所述第二排气口处设置有可调节孔板；所述可调节孔板用于调节所述第二排气口的排气速度，以优化循环预冷过程。

5.根据权利要求3所述的液体火箭回流预冷装置，其特征在于，所述第二排气口处设有开度可调的第二排气阀，通过调小所述第二排气阀开度，降低所述排气管内的气体流速，能够使所述排气管内的气体与所述回流管外壁充分换热。

6.根据权利要求1所述的液体火箭回流预冷装置，其特征在于，所述贮箱通过输送管与所述发动机泵连接。

7.根据权利要求1所述的液体火箭回流预冷装置，其特征在于，所述回流管包括被所述排气管包裹设置的第一管路和未被所述排气管包裹的第二管路；

所述第一管路的一端与所述发动机泵连接，其另一端与所述第二管路可拆卸连接；所述第二管路的另一端连接至所述贮箱。

8.根据权利要求7所述的液体火箭回流预冷装置，其特征在于，所述第一管路用于与所述第二管路对接的一端贯穿所述排气管一侧的外壁设置；所述排气管与所述第一管路对接端接触的位置密封设置，防止漏气。

9.根据权利要求1至8任一项所述的液体火箭回流预冷装置，其特征在于，所述排气管内壁与所述回流管外壁之间的距离至少为5mm。

10.根据权利要求9所述的液体火箭回流预冷装置，其特征在于，所述排气管远离所述第一排气口的一端靠近所述发动机泵设置。

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