一種基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于航天器系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于采用高飽和蒸汽壓推進(jìn)劑的液體推進(jìn)系統(tǒng)或固?液混合推進(jìn)系統(tǒng)。為了解決自增壓供應(yīng)系統(tǒng)工作過程中貯箱內(nèi)推進(jìn)劑溫度降低、壓力下降嚴(yán)重的問題，本發(fā)明提供了一種基于再生冷卻的自增壓方案，由安全閥、貯箱、加注管路、加注閥、單向閥、冷卻通道、集液腔、主供應(yīng)管路、冷卻劑管路、燃燒劑管路、主閥、增壓管路等組成。推進(jìn)劑在冷卻燃燒室室壁的同時(shí)獲得熱量，換熱氣化之后的推進(jìn)劑返回貯箱給推進(jìn)劑增壓。本發(fā)明可在貯箱內(nèi)液體推進(jìn)劑排空之前保持貯箱壓強(qiáng)基本穩(wěn)定，從而保證推力基本穩(wěn)定。
【專利說明】
一種基于再生冷卻的自増壓供應(yīng)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于航天推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前使用的化學(xué)火箭推進(jìn)系統(tǒng)有:液體推進(jìn)系統(tǒng)、固體推進(jìn)系統(tǒng)、氣體推進(jìn)系統(tǒng)和固-液混合推進(jìn)系統(tǒng)。在上述各類推進(jìn)系統(tǒng)中，液體推進(jìn)系統(tǒng)、固-液推進(jìn)系統(tǒng)和氣體推進(jìn)系統(tǒng)都需要推進(jìn)劑增壓輸送裝置，這類增壓裝置又分為栗壓式和擠壓式兩大類。栗壓式系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是推進(jìn)劑貯箱不必承受高壓，可采用較輕質(zhì)量的貯箱，但由于采用渦輪栗增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，通常只用于大推力、長壽命的大型運(yùn)載火箭。對(duì)于飛行器輔助推進(jìn)系統(tǒng)和上面級(jí)姿軌控系統(tǒng)等推進(jìn)劑質(zhì)量較小的系統(tǒng)，通常采用擠壓式推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，又分為恒壓式和落壓式兩種方案，前者依靠高壓氣瓶通過減壓閥恒定輸出，為貯箱增壓，但增壓氣體和高壓氣瓶以及減壓閥等部件大大增加了系統(tǒng)的質(zhì)量;后者依靠貯箱氣墊的壓力工作，對(duì)貯箱承壓的要求較高，且其壓力將逐漸降低，推力輸出不恒定。
[0003]自增壓是一種落壓式方案，它利用密封容器內(nèi)飽和液體的能量將液體從容器中擠出。其實(shí)現(xiàn)方式如下:推進(jìn)劑從貯箱流出時(shí)，貯箱內(nèi)的壓力將降低，當(dāng)壓力低于推進(jìn)劑的飽和蒸氣壓時(shí)，貯箱內(nèi)剩下的液體推進(jìn)劑將會(huì)部分氣化，產(chǎn)生的蒸氣維持貯箱內(nèi)的壓力基本恒定。這種增壓方式不需要另外設(shè)置高壓氣瓶和減壓閥，既有氣瓶-貯箱型擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，又兼具栗壓式供應(yīng)系統(tǒng)貯箱質(zhì)量小、燃燒室壓力高的優(yōu)良性能。大量試驗(yàn)驗(yàn)證了這種增壓方式的可行性，但同時(shí)也表明，在自增壓供應(yīng)系統(tǒng)工作過程中，由于氣墊做功和液體氣化，貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的溫度將降低，壓力下降嚴(yán)重，使得供應(yīng)系統(tǒng)不能夠以恒定質(zhì)量流量供應(yīng)推進(jìn)劑。為解決這個(gè)問題，較簡單的方法是對(duì)推進(jìn)劑貯箱進(jìn)行熱補(bǔ)償。通常采用的電加熱方式結(jié)構(gòu)簡單、加熱功率可調(diào)節(jié)，但缺點(diǎn)是需要消耗彈箭/衛(wèi)星上寶貴的電能資源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:在傳統(tǒng)自增壓供應(yīng)系統(tǒng)工作過程中壓力下降嚴(yán)重，不能維持貯箱壓力恒定的情況下，提出一種推進(jìn)劑自增壓供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用類似再生冷卻的方法，在燃燒室室壁布置冷卻通道，讓推進(jìn)劑作為冷卻劑流經(jīng)冷卻通道進(jìn)行換熱，在冷卻燃燒室壁的同時(shí)，推進(jìn)劑獲得了熱量從而被氣化，被氣化的推進(jìn)劑被送回貯箱，給貯箱增壓，達(dá)到使貯箱壓力基本穩(wěn)定的目的。
[0005]本發(fā)明“一種基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)”是按下述方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]該系統(tǒng)包括安全閥1、貯箱2、加注管路3、加注閥4、單向閥5、冷卻通道6、集液腔7、主供應(yīng)管路8、冷卻劑管路8a、燃燒劑管路8b、主閥9、增壓管路1、燃燒室11、推進(jìn)劑12。
[0007]安全閥I設(shè)置在貯箱2上，位于貯箱氣墊端。加注管路3與貯箱2連通，加注時(shí)，液態(tài)推進(jìn)劑12經(jīng)加注閥4由加注管路3進(jìn)入貯箱。主供應(yīng)管路8與貯箱2連通，主供應(yīng)管路8上設(shè)置主閥9。在主閥9下游，主供應(yīng)管路8分為冷卻劑管路8a和燃燒劑管路Sb兩條支路，其中冷卻劑管路8a與集液腔7連通，該支路上還設(shè)置了單向閥5，燃燒劑管路Sb直接與燃燒室11連通。槽肋式冷卻通道6設(shè)置在燃燒室11的內(nèi)外壁之間，冷卻通道6的入口端與集液腔7連接，出口端與增壓管路10的入口端連接。增壓管路10連通冷卻通道6與貯箱2，其出口端位于貯箱氣墊端。所述氣墊端指的是貯箱上部有氣體的一端。
[0008]作為冷卻劑的推進(jìn)劑12必須是液體，且要求其具有較高的飽和蒸汽壓(常溫下高于IMPa，例如，N2O在287.15K時(shí)的飽和蒸汽壓為4.58MPa，在298.15K時(shí)的飽和蒸汽壓約為5.38MPa)，加熱條件下不易分解，與冷卻通道室壁材料具有較好的相容性。
[0009]冷卻通道6的工作原理與通常的再生冷卻方式相同，由內(nèi)部的槽肋式結(jié)構(gòu)(內(nèi)壁)和外部支承結(jié)構(gòu)(外壁)構(gòu)成，內(nèi)壁采用熱導(dǎo)率較高的銅合金材料，通過機(jī)械加工銑出矩形槽道和肋片供冷卻劑流動(dòng);外壁采用不銹鋼或高溫合金以承受燃燒室11內(nèi)的高溫和高壓。內(nèi)外結(jié)構(gòu)之間采用焊接方式密封。
[0010]在開始工作之前，打開加注閥4，將液體推進(jìn)劑由加注管路3加注到貯箱2內(nèi)。加注完成后，關(guān)閉加注閥4，貯箱2內(nèi)留有一定體積的氣墊，達(dá)到平衡后，氣墊壓強(qiáng)為推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓。
[0011]發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作時(shí)，開啟主閥9，貯箱2內(nèi)的液體推進(jìn)劑在氣墊壓力作用下從主供應(yīng)管路8流出，貯箱2內(nèi)的壓力將降低，根據(jù)相平衡關(guān)系，貯箱內(nèi)一部分液體將氣化，以彌補(bǔ)液體推進(jìn)劑排出所空出的氣相體積。隨著工作的繼續(xù)，氣墊體積增大，貯箱2中的壓力和溫度都將降低。
[0012]由貯箱2流出的液體推進(jìn)劑12，流經(jīng)主閥9后，一部分經(jīng)燃燒劑管路Sb直接進(jìn)入燃燒室11，進(jìn)行燃燒反應(yīng)產(chǎn)生高溫燃?xì)?，從而產(chǎn)生推力。另一小部分經(jīng)冷卻劑管路8a，流經(jīng)單向閥5，進(jìn)入集液腔7內(nèi)，由集液腔7分配到燃燒室11外布置的槽肋式冷卻通道6內(nèi)。作為冷卻劑的該部分液體推進(jìn)劑在冷卻通道6內(nèi)吸收燃?xì)饨?jīng)過燃燒室11內(nèi)壁傳遞的熱量，溫度升高并氣化，同時(shí)冷卻了燃燒室室壁。氣化后的推進(jìn)劑由冷卻通道6流出后經(jīng)增壓管路10回到貯箱2內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貯箱2的壓力補(bǔ)償和熱補(bǔ)償，從而維持貯箱2的壓強(qiáng)在工作過程中基本恒定，直到貯箱2內(nèi)的液體推進(jìn)劑全部排空，系統(tǒng)停止工作。
[0013]其中安全閥I在貯箱2的壓強(qiáng)高于安全閾值時(shí)打開，排出部分氣體以確保貯箱壓強(qiáng)不致過高;貯箱2的壓強(qiáng)低于安全閾值時(shí)，安全閥I保持關(guān)閉。
[0014]其中單向閥5防止推進(jìn)劑逆向流動(dòng)，確保冷卻通道6內(nèi)的氣體由增壓管路10進(jìn)入貯箱2。
[0015]所述冷卻通道6，可以布置在固-液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的前燃室、裝藥段、后燃室或噴管中的一段或幾段，可以串聯(lián)布置或并聯(lián)布置，根據(jù)冷卻和增壓的需求具體確定其布置方式。所述冷卻通道6亦可用于液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的自增壓，可以布置在液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中的一段或多段;可以串聯(lián)布置或并聯(lián)布置。
[0016]本發(fā)明基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于液體推進(jìn)系統(tǒng)或固-液混合推進(jìn)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于:
[0017](I)基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)不需要增壓氣瓶和渦輪栗就能對(duì)推進(jìn)劑產(chǎn)生較高的增壓壓力，在保證一定增壓性能的同時(shí)減小了供應(yīng)系統(tǒng)的質(zhì)量和復(fù)雜性；
[0018](2)基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)不需要增壓氣瓶、減壓閥和渦輪栗等造價(jià)昂貴的部件，降低了供應(yīng)系統(tǒng)的成本；
[0019](3)基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)在增壓的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室壁面的冷卻，適用于液體推進(jìn)系統(tǒng);對(duì)于固-液混合推進(jìn)系統(tǒng)，在冷卻段不需要設(shè)置高硅氧等昂貴的隔熱內(nèi)襯，可節(jié)約成本，確保安全。
【附圖說明】
[0020]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0021 ]圖1本發(fā)明中自增壓系統(tǒng)的示意圖；
[0022]圖2本發(fā)明實(shí)施例中槽肋式冷卻通道的三維立體圖；
[0023]圖3本發(fā)明實(shí)施例中貯箱壓強(qiáng)隨工作時(shí)間變化的曲線圖。
[0024]圖例說明:
[0025]1-安全閥；2-貯箱;3-加注管路;4-加注閥；5-單向閥;6_冷卻通道;7_集液腔;8_主供應(yīng)管路;8a-冷卻劑管路;8b-燃燒劑管路;9-主閥；10-增壓管路;11-燃燒室；12-液體推進(jìn)劑;61-燃燒室內(nèi)壁面，62-燃燒室外壁面，63-槽肋結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0027]本發(fā)明“一種基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)”包括:安全閥1、貯箱2、加注管路3、加注閥4、單向閥5、冷卻通道6、集液腔7、主供應(yīng)管路8、冷卻劑管路8a、燃燒劑管路8b、主閥
9、增壓管路10、燃燒室11、推進(jìn)劑12。
[0028]在本實(shí)施例中，采用氧化亞氮N2O作為液體推進(jìn)劑。
[0029]在開始工作之前，打開加注閥4，將液體推進(jìn)劑由加注管路3加注到貯箱2內(nèi)。加注完成后，關(guān)閉加注閥4，貯箱2內(nèi)留有一定體積的氣墊，達(dá)到平衡后，氣墊壓強(qiáng)為推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓。環(huán)境溫度為287K時(shí)，貯箱內(nèi)的壓力約為4.58MPa。
[0030]發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作時(shí)，打開主閥9，貯箱2內(nèi)的液體推進(jìn)劑在氣墊壓力作用下從主供應(yīng)管路8流出，同時(shí)貯箱2內(nèi)的一部分液體將氣化，氣墊體積增大，壓力和溫度都有所降低。
[0031]由貯箱2流出的液體推進(jìn)劑12，流經(jīng)主閥9后，一部分經(jīng)燃燒劑管路Sb進(jìn)入燃燒室U，進(jìn)行燃燒反應(yīng)產(chǎn)生高溫燃?xì)?，從而產(chǎn)生推力。另一部分經(jīng)冷卻劑管路8a，流經(jīng)單向閥5，進(jìn)入集液腔7內(nèi)，由集液腔7分配到燃燒室11外布置的槽肋式冷卻通道6內(nèi)。其中槽肋式冷卻通道6的結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)壁面采用鋯銅材料，外壁面采用30CrMnSi材料。
[0032]如圖3所示，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示貯箱壓力，實(shí)線表示當(dāng)有4.1%的再生冷卻出口流量用作自增壓氣體時(shí)，貯箱內(nèi)壓力隨時(shí)間變化的曲線;虛線表示無再生冷卻系統(tǒng)時(shí)，貯箱內(nèi)壓力隨時(shí)間變化的曲線?？梢钥吹剑景l(fā)明中的貯箱內(nèi)的壓力在O?約3500秒時(shí)段，基本保持穩(wěn)定。其原理是:液體推進(jìn)劑在冷卻通道6內(nèi)吸收燃?xì)鈧鬟f的熱量，溫度升高并氣化，同時(shí)冷卻燃燒室室壁。氣化后的推進(jìn)劑由冷卻通道6流出后，經(jīng)增壓管路10回到貯箱2內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貯箱2的壓力補(bǔ)償和熱補(bǔ)償，從而維持貯箱2內(nèi)的壓強(qiáng)在工作過程中恒定，一直保持在4.5MPa左右，直到貯箱2內(nèi)的液體推進(jìn)劑排空，系統(tǒng)停止工作。而無再生冷卻系統(tǒng)時(shí)，貯箱內(nèi)壓力急劇下降，基本無穩(wěn)定段。
[0033]如果工作過程中，貯箱2的壓強(qiáng)高于安全閾值，安全閥I將打開，排出部分氣體以確保貯箱壓強(qiáng)不致過高;貯箱2的壓強(qiáng)低于安全值時(shí)，安全閥I保持關(guān)閉。其中單向閥5防止推進(jìn)劑逆向流動(dòng)，確保冷卻通道6內(nèi)的氣體由增壓管路10進(jìn)入貯箱2
[0034]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)，其特征是:它包括有安全閥(I)、貯箱(2)、加注管路(3)、加注閥(4)、單向閥(5)、冷卻通道(6)、集液腔(7)、主供應(yīng)管路(8)、冷卻劑管路(8a)、燃燒劑管路(Sb)、主閥(9)、增壓管路(10)、燃燒室(11)、推進(jìn)劑(12); 所述安全閥(I)設(shè)置在貯箱(2)的氣墊端，加注管路(3)與貯箱(2)連通，加注閥(4)安裝在加注管路(3)上；主供應(yīng)管路(8)與貯箱(2)連通;主供應(yīng)管路(8)上設(shè)置主閥(9);在主閥(9)下游，主供應(yīng)管路(8)分為冷卻劑管路(Sa)和燃燒劑管路(Sb)兩條支路，其中冷卻劑管路(Sa)與集液腔(7)連通，所述冷卻劑管路(Sa)上還設(shè)置了單向閥(5a);燃燒劑管路(Sb)直接與燃燒室(11)連通;所述冷卻通道(6)為槽肋結(jié)構(gòu)，冷卻通道(6)設(shè)置在燃燒室(11)內(nèi)外壁之間，冷卻通道(6)的入口端與集液腔(7)連接，出口端與增壓管路(10)的入口端連接;增壓管路(10)連通冷卻通道(6)與貯箱(2)，其出口端位于貯箱(2)的氣墊端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)，其特征是:所述推進(jìn)劑(12)采用常溫下飽和蒸汽壓高于IMPa的液體推進(jìn)劑。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)，其特征是:所述冷卻通道(6)由內(nèi)壁和外壁構(gòu)成，內(nèi)壁朝向外壁的一側(cè)銑有矩形槽道和肋片；內(nèi)壁采用熱導(dǎo)率較高的銅合金材料，外壁采用不銹鋼或高溫合金；內(nèi)外壁之間采用焊接方式密封。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)，其特征是:所述冷卻通道(6)可以布置在固-液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的前燃室、后燃室、裝藥段或噴管中的一段或多段;可以串聯(lián)布置或并聯(lián)布置。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于再生冷卻的自增壓供應(yīng)系統(tǒng)，其特征是:所述冷卻通道(6)可以布置在液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中的一段或多段;可以串聯(lián)布置或并聯(lián)布置。
【文檔編號(hào)】F02K9/64GK105971768SQ201610402329
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月10日
【發(fā)明人】胡小平, 王正凱, 于萌
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)