專利名稱：火箭發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及一種用流體燃料推進的火箭發(fā)動機，以及更具體地涉及一種將用以泵送流體燃料的渦輪機構和火箭主燃燒室集成為單一部件的火箭發(fā)動機。
背景技術：
流體燃料的火箭發(fā)動機，例如在美國專利4,879,874、4,901,525和5,267,437中所述，通常采用不同于火箭主噴嘴的渦輪機構將流體燃料在其被注入火箭主噴嘴之前增壓和/或氣化。此外，一個或幾個燃料成分可以通過一個附帶的管路使火箭主噴嘴降溫。因而，這樣的系統(tǒng)通常成本高并且復雜，而復雜性的增加勢必降低可靠性。
美國專利3,541,793和3,577,735披露了一種渦輪火箭發(fā)動機，其中液體燃料由將液體燃料和液體氧化劑增壓的相應的泵加壓。其中的一個燃料成分首先在燃燒室外壁排放以達到冷卻的目的，然后進入預燃室。其他燃料成分一部分排放在預燃室，以及其余部分排入主燃燒室。從預燃室流出的燃料驅(qū)動渦輪，渦輪又接著驅(qū)動相應的泵。燃料流隨后進入主燃燒室。排放噴嘴相對于各自對應的燃燒室靜止，從而使得在預燃室里有溫度差而不是使渦輪受壓力。另外，利用液體燃料冷卻主燃燒室增加了成本、復雜性和重量。
美國專利4,769,996和4,870,825披露了一種設置有旋轉(zhuǎn)壓力阱的液體燃料旋轉(zhuǎn)噴射系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)合并在使用氣態(tài)氧化劑的渦輪發(fā)動機內(nèi)。這些專利中都沒有說明用以旋轉(zhuǎn)噴射燃料和氧化劑成分的渦輪火箭發(fā)動發(fā)動機。
美國專利5,323,602披露了一種針對采用空氣做冷卻介質(zhì)的氣體燃料渦輪發(fā)動機的出流冷卻系統(tǒng)。這一專利沒有說明渦輪火箭發(fā)動發(fā)動機，也沒有講用預燃室的燃氣外流冷卻主燃燒室。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種渦輪火箭發(fā)動機克服了上述問題，該渦輪火箭發(fā)動機將通常與火箭推進主燃燒室相關的功能部件和通常與液體燃料火箭發(fā)動機使用的渦輪泵相關渦輪機集成為單一部件，從而去掉了通常與液體燃料火箭發(fā)動機相關大部分管路和冷卻管。這樣得到一個比在先技術的液體燃料火箭發(fā)動機成本低和重量輕的推進系統(tǒng)。
高壓罐里的液體燃料和液體氧化劑以相對較低的壓力提供給由壓縮比相對較低的渦輪驅(qū)動的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)里的各個獨立的部分，該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由相對高的燃料/氧化劑比運行的預燃室所產(chǎn)生的燃燒排放流驅(qū)動，相對高的燃料/氧化劑比是為使不完全燃燒的排放流的溫度可以被渦輪承受。液體燃料和液體氧化劑的流量比例通過獨立的節(jié)流控制閥以相對較低的供給壓控制，這樣就可以提供花費少且更可靠的改進的控制方法。合并在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)壓力阱將各個節(jié)流控制閥的相對低壓的出口與預燃室及主燃燒室的相對高壓隔離開。
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過一個離心泵裝置向液體燃料和液體氧化劑傳送旋轉(zhuǎn)動能和離心力。離心泵裝置包括設置在一空心軸外壁內(nèi)表面上的一個或幾個縱向肋板或葉片，上面有一個或更多的與位于相鄰的肋板或葉片之間形成的一個或多個相關的凹槽結合的排放孔。通常沿排放孔的壓降相對很小，并且在正常運轉(zhuǎn)過程中排放孔不必充入流體。此外，盡管凹槽和排放孔之間通常具有一一對應的關系，但由于受機械平衡的約束，可能有一個以上的排放孔，或者沒有排放孔與某個特定凹槽連通。還有，盡管排放孔通常具有統(tǒng)一的尺寸和方向，但由于受機械平衡的約束，不同的排放孔可能會有不同的尺寸和方向。液體由肋板或葉片旋轉(zhuǎn)并通過排放孔離心地加速，這向噴射的液體傳遞基本上徑向的和圓周的速度，從而提供完全混合和分布。本發(fā)明所述離心泵裝置不象許多現(xiàn)有的離心泵，不含將動能轉(zhuǎn)換回壓能的擴壓器。所有液體燃料和一些液體氧化劑通過旋轉(zhuǎn)噴射進入預燃室，然后混合、氣化、以及在預燃室里不完全燃燒。預燃室里排放流的溫度由相關的燃料/氧化劑混合比例控制。旋轉(zhuǎn)噴射過程使得預燃室環(huán)形燃燒區(qū)里的溫度分布更加均勻，從而確保渦輪以接近依從于材料的最高運轉(zhuǎn)溫度運行。
液體燃料和液體氧化劑都被離心地泵送。因此，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)含有同軸的空心部分，液體氧化劑從空心主軸的中心泵吸并經(jīng)此空心部分傳送，以及液體燃料從與空心部分同心的環(huán)形腔室里泵送。離心泵元部件，包括肋板/葉片和排放孔，其布局和尺寸設置為可以不破壞轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機械平衡。但是，肋板/葉片和/或排放孔按照此約束可以不以均勻的間隔布置。
預燃室的一部分排放流經(jīng)預燃室管線引導，途經(jīng)主燃燒室管線外部，并通過出流冷卻洞進入主燃燒室以便利用出流冷卻來冷卻主燃燒室。一部分燃料，液態(tài)的或氣態(tài)的，也沿預燃室管線引導用以冷卻預燃室，然后與用以冷卻主燃燒室管線的排放流匯合。此外，出流冷卻氣一部分可排放在主燃燒室以便對收斂/擴散噴嘴提供邊界層冷卻。
傳送到預燃室和主燃燒室的液體氧化劑的相對量由主轉(zhuǎn)子系統(tǒng)里的液體氧化劑分配系統(tǒng)的結構設定。液體氧化劑泵的排放在其出口處分叉，將小部分的排放流送入將氧化劑傳送到預燃室的旋轉(zhuǎn)噴射裝置。旋轉(zhuǎn)噴射裝置含有一個環(huán)形壓力擋料圈，將預燃室壓力隔離于主燃燒室壓力，從而防止預燃室氣體經(jīng)旋轉(zhuǎn)噴射裝置在二者之間流運。一部分液體燃料也被送入一個幾乎同處一個軸向平面的類似旋轉(zhuǎn)噴射裝置，從而當這兩種液體從空心軸系統(tǒng)出來后被混合及霧化。在混合及霧化的同時混合物進行燃燒。另外的液體燃料噴入預燃室以幫助混合以及控制混合比以便當氣體送達渦輪時達到適當?shù)臏囟?。因此，燃?氧化劑混合比例應當在預燃室的某個區(qū)域加以控制，從而可以得到改進的燃燒特性。
點火器，例如高溫噴燈，用來啟動預燃室里的燃燒，隨后燃燒連續(xù)不斷并且自身維持。預燃室里的燃燒熱量將噴入的液體燃料和液體氧化劑，包括所有用以冷卻預燃室和/或主燃燒室管線的液體燃料氣化。
大部分預燃室排放流在驅(qū)動渦輪后直接流入主燃燒室。這些排放流以及用以冷卻預燃室和/或主燃燒室管線的氣體與經(jīng)由連接泵和渦輪的空心軸的中心傳送的其余液體氧化劑匯合并燃燒，并當通過離心泵裝置離開空心軸后利用旋轉(zhuǎn)噴射裝置直接噴入主燃燒室。這一高速的旋轉(zhuǎn)噴射霧化液態(tài)氧化劑，液態(tài)氧化劑迅速氣化并完成從渦輪進入主燃燒室的高熱燃料氣體的燃燒。暴露于主燃燒室高溫燃燒氣的空心軸端部可以由從那里發(fā)出的氣態(tài)氧化劑的排放為之提供冷卻或通風?？招妮S端部還可以或可選地拋光或覆上涂層以提供對高溫燃燒氣的熱絕緣。最終的或總說的燃料/氧化劑混合比按照特定的目標函數(shù)可以調(diào)整，例如由于受相關燃料罐相對尺寸的約束的最大推壓力。
本發(fā)明可選地可以包含有一個經(jīng)向泵或軸向泵安裝在空心軸外部，預燃室前面，用以向火箭發(fā)動機泵送和噴射液體燃料。此外，液體氧化劑泵可以設置在液體氧化劑在預燃室和主燃燒室之間分流外位置的下游部位。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種低成本的火箭發(fā)動機。
本發(fā)明的另一個目的在于提供具有可靠性提高的火箭發(fā)動機。
根據(jù)這些目的，本發(fā)明的一個特征在于燃料和氧化劑均以液態(tài)噴入相應的燃燒室。
本發(fā)明的另一個特征在于燃料和氧化劑均以低溫液態(tài)噴入相應的燃燒室。
本發(fā)明的另一個特征在于預燃室和主燃燒室之間設置有渦輪的組合結構，其中渦輪驅(qū)動泵，泵將所有液體燃料和一部分液體氧化劑噴入預燃室，通過控制燃料/氧化劑混合比例使預燃室排放流溫度可以被渦輪承受，以及其余的液體氧化劑與預燃室/渦輪的排放流匯合以較好地全面燃燒。
本發(fā)明的另一個特征在于裝入用來泵送和噴射液體燃料和液體氧化劑的相應的氣化芯體離心泵。
本發(fā)明的另一個特征在于液體燃料和液體氧化劑通過旋轉(zhuǎn)噴射噴入相應的燃燒室。
本發(fā)明的另一個特征在于裝入將液體燃料與燃燒室壓力隔離開的環(huán)形壓力擋料圈合。
本發(fā)明的另一個特征在于用出相關壓力罐時以相對低的相關饋氣壓力控制液態(tài)燃料和液態(tài)氧化劑。
本發(fā)明的另一個特征在于利用預燃室排放流來對主燃燒室進行噴放冷卻。
本發(fā)明特有的特征提供了許多相關聯(lián)的優(yōu)點。相對于在先技術，本發(fā)明的一個優(yōu)點在于附接在現(xiàn)有液體燃料火箭發(fā)動機上的大量管路和機構可以去除，從而降低成本和提高可靠性。
在參照附圖和所附權利要求書閱讀下面優(yōu)選實施例的詳細描述后，將會更加全面地了解本發(fā)明上述這些以及其他的目的、特征、和優(yōu)點。由于本說明將描述本發(fā)明應用于使用液氫和液氧的液體燃料火箭的實施，可以理解，對于本領域內(nèi)具有一般專業(yè)知識的人來說本發(fā)明還可以應用于任何包含液體燃料和液體氧化劑的雙液體燃料的系統(tǒng)中。
附圖簡介

圖1是本發(fā)明所述火箭發(fā)動機的等比截面圖；圖2a是本發(fā)明所述火箭發(fā)動機的第一個截面圖；圖2b是本發(fā)明所述火箭發(fā)動機的第二個截面圖；圖3是本發(fā)明所述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的第一個截面圖；圖4是本發(fā)明所述第三空心軸部分截面圖；圖5是本發(fā)明所述擋料圈部分截面圖；以及圖6是本發(fā)明所述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的第二個截面圖。
優(yōu)選實施例詳述參照圖1、2a和2b，具有第一端部12和第二端部14的火箭發(fā)動機10將第二端部14的推進力對準軸16的方向。第一推進劑組分18’和第二推進劑組分20’，例如對應的液氧18和液氫20，從各自的供給源22’和24’，如相應的第一和第二高壓罐22和24，通過對應的第一和第二入口26’和28’，例如相應的渦管26和28，進入單個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)30，該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括用以將液氧18和液氫20泵送到第一和第二燃燒室34’和36’，例如對應的預燃室34和主燃燒室36的泵32。至少一部分由預燃室34出口39出來的排放流38來驅(qū)動帶動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)30旋轉(zhuǎn)的渦輪40。所有的，或者大部分的液氫傳送入預燃室34，但是預燃室34只接收足夠量的液氧以便將其出流溫度提高到渦輪40易于承受的的水平。渦輪40排出的富含氫的排放流38以及那些繞過渦輪40的氫被送入主燃燒室36，余下的氧也被注入，從而可以在主燃燒室36里提供適合于特定燃料/氧化劑系統(tǒng)的最終燃料/氧化劑混合比，由此，主燃燒室36內(nèi)的燃燒產(chǎn)生通常與火箭關聯(lián)的甚高溫。例如，在一個液氫(LH2)/液氧(LO2)系統(tǒng)中，燃料/氧化劑混合比例優(yōu)選為5.5∶1，但也可以是任何能夠支持燃燒的公知的混合比或混合比范圍。比如，混合比例為2.8∶1(LH2∶LO2)可以達到最大推動力，雖然會帶來需要不希望有的很大的液氫儲罐的缺點。
參照圖3，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包含一根軸44，該軸具有彼此相鄰相接且相通的第一和第二空心軸部46和48。第二空心軸部48至少有一部分的內(nèi)徑要比第一空心軸部46的內(nèi)徑大。液氧18從氧罐22以大約30磅/平方英寸的壓力進入火箭發(fā)動機10第一端部12處的輸氧渦管26，途經(jīng)許多導流葉片49，然后進入在第一空心軸部46的經(jīng)過第一端部52并在其內(nèi)延伸的靜止管50里。供給火箭發(fā)動機10的總氧量由一個構成受控的第一節(jié)流閥56的可動圓錐節(jié)流元件54控制，該節(jié)流元件形成一個限制從靜止管50送氧的受控制的第一節(jié)流閥56。圓錐節(jié)流元件54由桿58定位，該桿58由火箭發(fā)動機10第一端部12形成的第一控制器60致動。
流過第一節(jié)流閥56的液氧18被導入旋轉(zhuǎn)軸44第二空心軸部48的內(nèi)部62，其中設有至少含一個螺紋樣葉片的第一誘導葉輪64用以為液氧18提供結合的軸向加速度和角加速度，從而引導液氧18隨軸44旋轉(zhuǎn)，同時減少誘導過程的機械攪動所導致的加熱并引起氣化的熱量。軸44的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使得液氧18移向軸44的內(nèi)表面66，并在此使全部氣化的氧68流向軸44的中心70，這些氣化氧通過至少一個排放管71排到靜止管50的外面。因為第一空心軸部46的內(nèi)徑比第二空心軸部48的內(nèi)徑小，液氧18和氣化氧68的離心分離導致旋轉(zhuǎn)的第一空心軸部46充滿氣化氧68，氣化氧68排入一個固定的第一環(huán)形排放腔72，途經(jīng)出氣口73，并進入一個固定的第二環(huán)形排放腔74，氣化氧68從這里排出火箭發(fā)動機10。
預燃室34里與軸44連接，確切地說與第二空心軸部48連接的第一旋轉(zhuǎn)噴嘴76包含至少一個與入口80及預燃室34流體連通的第一旋轉(zhuǎn)噴孔78。入口80與輸氧渦管26流體連通，該渦管26通過位于第一和第二空心軸部46和48相應的內(nèi)部82和62里的相關流體通道傳送液氧18。第一旋轉(zhuǎn)噴孔78隨軸44繞其軸線16旋轉(zhuǎn)。第一旋轉(zhuǎn)噴嘴76還包含至少一個第一環(huán)形壓力擋料圈86，該第一環(huán)形壓力擋料圈86包括具有與沿其中一定長度流體連通的入口90和出口92的第一流體通道88。第一流體通道88用于在繞旋轉(zhuǎn)軸線16旋轉(zhuǎn)時，使得第一流體通道88上任一點的離心加速度能夠比入口90或出口92處的離心加速度都大。
參照圖1和4，第二空心軸部48還包括第三空心軸部94，第三設有空心軸部94里面設有許多縱向肋板96和凹槽98?？v向凹槽98構成了介于輸氧渦管26和第一旋轉(zhuǎn)噴嘴76之間的流體通道100的一部分。對于均勻尺寸的縱向凹槽98，每個縱向凹槽98都會從第一誘導葉輪64接收等量的液氧18。但是，縱向凹槽98可以是不均勻尺寸的——在旋轉(zhuǎn)平衡約束下，從而在各個縱向凹槽98里有相應的不同液氧流量。至少有一個第一凹槽102與第一旋轉(zhuǎn)噴嘴76的入口80流體連通。第二空心軸部48還包括第四空心軸部104，至少有一個第二凹槽106從第三空心軸部94沿其內(nèi)部延伸到第四空心軸部104里。參照圖5，那些沒有延伸到第四空心軸部102里的第一凹槽102被介于第三空心軸部94和第四空心軸部104之間的關聯(lián)環(huán)形擋料段108堵塞住。
沿第一凹槽102流動的液氧18通過相應的第一旋轉(zhuǎn)噴孔78排入預燃室34。沿縱向凹槽98，具體地是第二凹槽106流動的其余液氧18經(jīng)由相應的第三旋轉(zhuǎn)噴孔109排入主燃燒室36，其中進入預燃室34和主燃燒室36的液氧18的相對流量在對應的燃燒室里中用以控制混合比例，尤其使預燃室34里的混合物濃度比主燃燒室36高得多，并且在比主燃燒室36低得多的溫度下燃燒。這種設置不需要針對進入預燃室34的液氧流進行獨立的伺服控制。優(yōu)選地，每一個通過第一旋轉(zhuǎn)噴孔78排流進入預燃室34的縱向凹槽98，大約對應有五(5)個通過第三旋轉(zhuǎn)噴孔109排流進入主燃燒室36的縱向凹槽98。從軸44流入預燃室34和主燃燒室36的液氧18的徑向噴射可以在各燃燒室里達到均勻的周向分布和霧化。
參照圖1、2a和2b，液氫20從相關的高壓氫罐24以大約15磅/平方英寸的壓力進入氫渦管28。液氫20由氫渦管28通過第二節(jié)流閥110徑向向內(nèi)流動，該第二節(jié)流閥110由節(jié)流環(huán)112控制，節(jié)流環(huán)112由至少一個穿過殼體116并連接于第二控制器118的控制桿114定位。
第二節(jié)流閥110下部，液氫20流經(jīng)一個彎曲的環(huán)狀偏流器120，環(huán)狀偏流器120將流向由徑向向內(nèi)轉(zhuǎn)換為軸向。該彎曲的環(huán)狀偏流器120可設有葉片向液氫流施以預彎。從彎曲的環(huán)狀偏流器120出來的液氫20排入轉(zhuǎn)子系統(tǒng)30里的環(huán)形管124的內(nèi)部122里以及設置在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)30中并隨之旋轉(zhuǎn)的第二誘導葉輪126內(nèi)。第二誘導葉輪126含有至少一個螺紋葉片用以為液氫20提供結合軸向加速度和角加速度，從而引導液氫20隨軸44旋轉(zhuǎn)，同時減少誘導過程的機械攪動所產(chǎn)生加熱并引起氣化的熱。第二誘導葉輪126下部，環(huán)形管124直徑擴大，離心力使環(huán)形管124里的液氫20移向環(huán)形管124的最外面，從而將其中的氣化氫130排向它的內(nèi)部122。
設置在第二空心軸部48和彎曲的環(huán)狀偏流器120機構之間的第一迷宮式密封134可檢測從環(huán)形管124沿第一排放管136進入第三環(huán)形排放腔138的氣化氫130的泄漏，氣化氫130從第三環(huán)形排放腔138處排出火箭發(fā)動機10。第一密封140，例如碳素密封，設置在旋轉(zhuǎn)環(huán)形管124外面和固定的第三環(huán)形排放腔138之間，用以密封從固定的環(huán)狀偏流器120沿旋轉(zhuǎn)的環(huán)形管124進入固定的第三環(huán)形排放腔138的氫泄漏。
大部分液氫流從旋轉(zhuǎn)的環(huán)形管124向外傳送到連接于軸44的預燃室34內(nèi)，具體地是第二空心軸部48的第二旋轉(zhuǎn)噴嘴142。第二旋轉(zhuǎn)噴嘴142包括至少一個與環(huán)形管124及預燃室34流體連通的第二旋轉(zhuǎn)噴孔144。第二旋轉(zhuǎn)噴孔144繞軸44的軸線16旋轉(zhuǎn)。第二旋轉(zhuǎn)噴嘴142還包括至少一個第二環(huán)形壓力擋料圈146，該第二環(huán)形壓力擋料圈146包括一個具有沿其一段流體連通的入口150和出口152的第二流體通道148。第二流體通道148用于使當繞旋轉(zhuǎn)軸線16旋轉(zhuǎn)時第二流體通道148上任一點的離心加速度能夠比入口150或出口152處的離心加速度都大。參照圖2a、3和6，每個第二環(huán)形壓力擋料圈146都與環(huán)形歧管154流體連通，該環(huán)形歧管154與環(huán)形腔156流體連通，該環(huán)形腔156被一組徑向葉片158分隔為多個徑向腔160，并且至少有一部分徑向腔160可向?qū)牡诙D(zhuǎn)噴孔144排流。
運行時，徑向葉片158可使環(huán)形腔156里的液氫20在其中旋轉(zhuǎn)，以及所產(chǎn)生的離心力使旋轉(zhuǎn)的液氫20產(chǎn)生很大的壓力梯度并在第二旋轉(zhuǎn)噴孔144形成很高的排放壓力。第二旋轉(zhuǎn)噴孔144優(yōu)選地設置在不同的軸向位置以便在預燃室34內(nèi)達到改善的混合和燃燒。此外，所有第二旋轉(zhuǎn)噴孔144中的一部分相對直徑方向呈一定角度。相關的第二旋轉(zhuǎn)噴孔144的位置、方向以及尺寸要設置得可使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)30保持機械平衡。
以正常的流量，液氫20不能完全充滿共同充當氣化芯泵的環(huán)形管124或環(huán)形腔156。第二環(huán)形壓力擋料圈146的第二流體通道148保持充載液氫20以防止高壓氣從第二環(huán)形壓力擋料圈146的下部區(qū)域回流。
第二空心軸部48還包括一個含有分別貼近第二空心軸部48第一端部168和第二端部170的封閉端164和第二端部166的軸套筒162，其中軸套筒162的封閉端164形狀上作成第三環(huán)形壓力擋料圈174的邊界172。第三環(huán)形壓力擋料圈174包括一個具有沿其中一段流體連通的入口178和出口180的第三流體通道176。由于邊界172，第三流體通道176用于在繞旋轉(zhuǎn)軸線16旋轉(zhuǎn)時第三流體通道176上任一點的離心加速度能夠比入口178或出口180處的離心加速度都大。
位于主燃燒室36里的第三旋轉(zhuǎn)噴嘴182包括至少一個設置在第二空心軸部48的第二端部170處的第三旋轉(zhuǎn)噴孔109，該噴孔與至少一個第二凹槽106并與主燃燒室36流體連通，其中該至少一個第二凹槽106與第三環(huán)形壓力擋料圈174的出口180在從提供液氧18的輸氧渦管26到第三旋轉(zhuǎn)噴孔109的流體通道中流體連通。第三流體通道176連接于軸44，具體地說連接于第四空心軸部104，并隨軸44繞其軸線16旋轉(zhuǎn)。
運行時，高壓氧罐22的液氧18途徑第一空心軸部46里的靜止管50從第一節(jié)流閥56向外排放進入第二空心軸部48，并被第一誘導葉輪64旋轉(zhuǎn)加速從而液氧18隨軸44旋轉(zhuǎn)。所產(chǎn)生的離心力將液氧18與軸44的中心70的徑向面積成比例地增壓，從而液氧18沿第二空心軸部48內(nèi)表面流動。液氧18充入第三環(huán)形壓力擋料圈174的第三流體通道176，并且具有相當高的軸速的第三流體通道176保持充滿液氧18以將第三環(huán)形壓力擋料圈174下部的主燃燒室36的高壓與第三環(huán)形壓力擋料圈174上游的液氧18的相對低壓分隔開。
按照美國專利4,870,825的描述，——在此引做參考，環(huán)形壓力擋料圈包括具有入口出口的流體通道，其中當環(huán)形壓力擋料圈旋轉(zhuǎn)時，流體通道上任一點的離心加速度能夠比入口出口處任一點的離心加速度都大。因此，當流體通道充滿相對高濃度介質(zhì)時，例如液體，如果入口和出口之間沒有壓力差那么入口和出口徑向液面一致，否則根據(jù)壓力差梯度及旋轉(zhuǎn)速度會有不同。因此，供給環(huán)形壓力擋料圈入口的相對低壓的液體送入出口相對高壓的區(qū)域，環(huán)形壓力擋料圈能夠防止氣體經(jīng)此回流。
因此，第一環(huán)形壓力擋料圈86將第一旋轉(zhuǎn)噴嘴76入口80處具有主燃燒室36的壓力的液氧18與預燃室里相對高壓的氣體分隔開。類似地，第二環(huán)形壓力擋料圈146將環(huán)形管124里具有供給壓的液氫20與預燃室里相對高壓的氣體分隔開。此外，第三環(huán)形壓力擋料圈174將第一節(jié)流閥56具有供給壓的液氧18與預燃室里相對高壓的氣體分隔開。
優(yōu)選地，第二旋轉(zhuǎn)噴孔144全部排放于預燃室34內(nèi)。但是，出于冷卻預燃室34和主燃燒室36的目的，一部分第二旋轉(zhuǎn)噴孔144可以用于通過設于預燃室襯套188外面的第一孔口186排放液氫20的分流185。達50％的氫流排到預燃室襯套188外面，并且其余的排入接近于用以排出液氧18的第一旋轉(zhuǎn)噴孔78的預燃室34。以高角速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)30向從這里排出的液氫20和液氧18傳送很大的切向速度，從而預燃室34里的環(huán)形區(qū)190中形成混合均勻的氫/氧混合物，并且一旦由諸如化學點火器或者電火花或等離子設備的點火器192點燃后可以保持燃燒。
預燃室34出來的排放流38的第一部分194流經(jīng)預燃室襯套188里的至少一個第一排放孔196，進入至少部分圍繞預燃室襯套188的第一環(huán)形通道198，流過燃燒室襯套支撐結構202上的第二孔口200，進入第二環(huán)形通道204，流入主燃燒室襯套208里的出流冷卻孔206。
預燃室34出來的排放流38是具有適中溫度——例如1,200°F的濃度很大的混合物(如富含氫)。排放流38的第二部分210流向安裝在氫和氧流動通道上的僅為驅(qū)動泵32而產(chǎn)生必要能量的低負荷單極軸向流渦輪40，其中泵32含有各種誘導葉輪和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)30的肋板及葉片件并向液氧18和液氫20提供動能。
經(jīng)渦輪40的壓降足以使排放流38的第一部分194由相對高壓的預燃室34流入相對低壓的主燃燒室36。流向預燃室襯套188外面的液氫20的分流185向預燃室襯套188以及流入預燃室襯套188的排放流38的第一部分194吸收足夠的熱量使液氫20蒸發(fā)。
從渦輪40流入主燃燒室36的相對高濃度的排放流38的第二部分210與從出流冷卻孔206流出的相對高濃度的出流冷卻氣212相混合，以及與由至少一個第三旋轉(zhuǎn)噴孔109旋轉(zhuǎn)排出的液氧18混合，從而形成實現(xiàn)理想推進功效所必要的高溫排放流214。該高溫排放流214通過現(xiàn)有類型的收斂/擴散噴嘴216來擴散。收斂/擴散噴嘴216的表面218達噴管喉部220都由沿主燃燒室襯套208流動的出流冷卻氣212冷卻。收斂/擴散噴嘴216的擴散部分222優(yōu)選地沿可更換的燒蝕材料224鋪設。
從環(huán)形腔156出來的一少部分冷氫氣226流經(jīng)至少一個第二排放孔228進入第二環(huán)形腔230，然后流經(jīng)支撐渦輪40的花鍵軸襯234上的至少一個第三排放孔232，流經(jīng)花鍵軸襯234里的第三環(huán)形腔236，流經(jīng)花鍵軸襯234上的至少一個第四排放孔238，進入渦輪端部軸承套240冷卻第一支撐軸承242，流經(jīng)一組第二迷宮式密封244，進入主燃燒室36。渦輪端部軸承套240利用第三迷宮式密封246密封于預燃室34。
設置有至少一個充滿諸如氦的高壓惰性氣體248的環(huán)形緩沖室以分隔開第一推進劑組分18’和第二推進劑組分20’從而防止在此處而非第一或第二燃燒室34’和36’里形成易燃混合物。在至少一個環(huán)形緩沖室里的高壓惰性氣體248的壓力比鄰近的燃燒室里的任一推進劑組分的壓力都要高。參照圖2a，第一環(huán)形緩沖室250可以接收高壓惰性氣體248，該高壓惰性氣體248被引向啟動火箭發(fā)動機10的小推進泵252。在第二環(huán)形緩沖室254里的高壓惰性氣體248通過介于第一環(huán)形排放腔72和第二環(huán)形緩沖室254之間的第二密封256，如碳素密封，對氧氣密封。在第三環(huán)形緩沖室258里的高壓惰性氣體248通過介于第三環(huán)形排放腔138和第三環(huán)形緩沖室258之間的第三密封260，如碳素密封，對氫氣密封。在至少一個第四環(huán)形緩沖室262中的高壓惰性氣體248冷卻第二支撐軸承264以及設于反推轉(zhuǎn)子270上的第一和第二推力軸承266和268。
在一個示范性的系統(tǒng)中，以大約40磅/平方英寸的壓力從高壓罐按照大約每秒9.3磅的流量流入預燃室的液氧與以大約40磅/平方英寸的壓力從高壓罐按照大約每秒9.3磅的流量流入預燃室的液氧反應生成具有大約1300°F的溫度和大約220磅/平方英寸的壓力的排放流。從預燃室出來的該排放流驅(qū)動為液體推進劑組分提供旋轉(zhuǎn)動能的渦輪。然后從預燃室出來的該排放流在主燃燒室與另外的每秒41.8磅的氧反應生成具有大約5400°F溫度和大約200磅/平方英寸的壓力的排放流，可以在真空裝置里提供大約25,000磅的推力。
任何本領域具備一般專業(yè)知識的人員能夠明白本發(fā)明可以容易地適用于非液氫的液體燃料，以及非液氧的液體氧化劑。因此，相比于液氫和液氧的比例如果運行選用的液體燃料比輔助的液體氧化劑濃度高，那么連接于液體燃料泵及傳送系統(tǒng)的環(huán)形腔直徑比傳送液體氧化劑的腔/軸直徑相對要小。此外，優(yōu)選的幾何尺寸還要依賴于運行速度以及推進劑組分在運行壓力和溫度下的相關屬性。
以上的詳細描述以及附圖的圖解已經(jīng)詳細說明了具體實施例，本領域具備一般專業(yè)知識的人員能夠明白在本發(fā)明講解的啟發(fā)下針對本發(fā)明可以作出各種修改及變化。因此，本發(fā)明所講的具體方案和設置其目的僅僅在于講解而并不限制本發(fā)明的范圍，隨后將給出所附權利要求書以及本發(fā)明所有等效物的詳盡的范圍。
權利要求
1.一種火箭發(fā)動機，包括a.一個第一燃燒室，包含I.一個出口；以及II.含有至少一個第一排放孔的第一燃燒室襯套；以及b.至少部分圍繞所述第一燃燒室襯套的一個第一環(huán)形通道；c.與所述第一燃燒室的所述出口流體連通的第二燃燒室，其中，所述第二燃燒室包含設有至少一個第二排放孔的第二燃燒室襯套；以及d.至少部分圍繞所述第二燃燒室襯套的一個第二環(huán)形通道，其中，所述第二環(huán)形通道與所述第一環(huán)形通道流體連通，從而運行時，所述第一燃燒室生成排放流，所述排放流的第一部分流經(jīng)所述至少一個第一排放孔，流經(jīng)所述第一和第二環(huán)形通道，流經(jīng)所述至少一個第二排放孔，以及排入所述第二燃燒室以對所述第二燃燒室襯套進行出流冷卻。
2.如權利要求1所述火箭發(fā)動機，其特征在于，在所述第一和第二燃燒室之間還包括一個流體節(jié)流閥，其中，當運行時，來自所述第一燃燒室的所述排放流的第二部分通過所述流體節(jié)流閥流入所述第二燃燒室，從而所述第一燃燒室在所述至少一個第一排放孔處的壓力比所述第二燃燒室在所述至少一個第二排放孔處的壓力要高。
3.如權利要求2所述火箭發(fā)動機，其特征在于，所述流體節(jié)流閥包含一個設有一個入口和一個出口的渦輪，所述入口與所述第一燃燒室的所述出口流體連通，以及所述第二燃燒室與所述渦輪的所述出口流體連通，從而所述渦輪由來自所述第一燃燒室的所述排放流的所述第二部分的至少一部分驅(qū)動。
4.如權利要求1所述火箭發(fā)動機，其特征在于，還包括一個第一推進劑組分的供給源，其中，所述第一推進劑組分的所述供給源與所述第一燃燒室及所述第一環(huán)形通道流體連通，從而當運行時，所述第一推進劑組分的一部分流入所述第一環(huán)形通道，流入所述第二環(huán)形通道，途經(jīng)所述至少一個第二排放孔，以及排入所述第二燃燒室以對所述第二燃燒室襯套進行出流冷卻。
5.如權利要求2所述火箭發(fā)動機，其特征在于，還包括一個第一推進劑組分的供給源，其中，所述第一推進劑組分的所述供給源與所述第一燃燒室及所述第一環(huán)形通道流體連通，從而當運行時，所述第一推進劑組分的一部分流入所述第一環(huán)形通道，流入所述第二環(huán)形通道，途經(jīng)所述至少一個第二排放孔，以及排入所述第二燃燒室從而對所述第二燃燒室襯套提供出流冷卻。
6.如權利要求3所述火箭發(fā)動機，其特征在于，還包括一個第一推進劑組分的供給源，其中，所述第一推進劑組分的所述供給源與所述第一燃燒室及所述第一環(huán)形通道流體連通，從而當運行時，所述第一推進劑組分的一部分流入所述第一環(huán)形通道，流入所述第二環(huán)形通道，途經(jīng)所述至少一個第二排放孔，以及排入所述第二燃燒室從而對所述第二燃燒室襯套提供出流冷卻。
7.如權利要求4所述火箭發(fā)動機，其特征在于，所述第一推進劑組分含有燃料。
8.如權利要求1所述火箭發(fā)動機，其特征在于，還包括一個第二推進劑組分的供給源，其中，所述第二推進劑組分的所述供給源與所述第一燃燒室流體連通，從而當運行時，所述第二推進劑組分的第一部分流入所述第一燃燒室，以及所述第二推進劑組分的其余第二部分排入所述第二燃燒室，其中，所述第一燃燒室里的燃燒溫度比所述第二燃燒室里的燃燒溫度要低。
9.如權利要求8所述火箭發(fā)動機，其特征在于，所述第二推進劑組分含有氧化劑。
10.如權利要求8所述火箭發(fā)動機，其特征在于，所述第一燃燒室里的所述第一和第二推進劑組分比對照化學計量比例更富含燃料。
11.如權利要求8所述火箭發(fā)動機，其特征在于，所述第二推進劑組分的所述第二部分流入所述第二燃燒室于所述第二燃燒室的中間位置，從而通過選自來自所述第一燃燒室的所述排放流的所述第二部分的第二部分，以及來自所述第一燃燒室的所述排放流的所述第一部分的排放流，來自所述第一燃燒室的所述排放流的所述第二部分的第一部分的燃燒與所述第二燃燒室襯套分隔開。
12.如權利要求11所述火箭發(fā)動機，其特征在于，所述中間位置貼近于流經(jīng)所述第二燃燒室的流體的中心軸線。
13.如權利要求4所述火箭發(fā)動機，其特征在于，還包括一個第二推進劑組分的供給源，其中，所述第二推進劑組分的所述供給源與所述第一燃燒室流體連通，從而當運行時，所述第二推進劑組分的第一部分流入所述第一燃燒室，以及所述第二推進劑組分其余的第二部分排入所述第二燃燒室，其中，所述第一燃燒室里的燃燒溫度比所述第二燃燒室里的燃燒溫度要低。
14.如權利要求5所述火箭發(fā)動機，其特征在于，還包括一個第二推進劑組分的供給源，其中，所述第二推進劑組分的所述供給源與所述第一燃燒室流體連通，從而當運行時，所述第二推進劑組分的第一部分流入所述第一燃燒室，以及所述第二推進劑組分其余的第二部分排入所述第二燃燒室，其中，所述第一燃燒室里的燃燒溫度比所述第二燃燒室里的燃燒溫度要低。
15.如權利要求6所述火箭發(fā)動機，其特征在于，還包括一個第二推進劑組分的供給源，其中，所述第二推進劑組分的所述供給源與所述第一燃燒室流體連通，從而當運行時，所述第二推進劑組分的第一部分流入所述第一燃燒室，以及所述第二推進劑組分的其余第二部分排入所述第二燃燒室，其中，所述第一燃燒室里的燃燒溫度比所述第二燃燒室里的燃燒溫度要低。
16.如權利要求13所述火箭發(fā)動機，其特征在于，所述第一推進劑組分含有燃料以及所述第二推進劑組分含有氧化劑。
17.一種冷卻火箭發(fā)動機的方法，包括a.通過不完全燃燒一組推進劑組分在所述第一燃燒室里生成排放流，其中，所述第一燃燒室含有一個設有至少一個第一排放孔的第一燃燒室襯套，所述至少一個第一排放孔與所述第一燃燒室襯套外部第一區(qū)域流體連通；b.將來自所述第一燃燒室的所述排放流的第一部分排入第二燃燒室，其中，所述第二燃燒室含有一個第二燃燒室襯套，所述第一燃燒室襯套外部第一區(qū)域與所述第二燃燒室襯套的外部第二區(qū)域流體連通，所述第二燃燒室襯套在所述第二區(qū)域和所述第二燃燒室之間含有至少一個第二排放孔；以及c.排放來自所述第一燃燒室的所述排放流的第二部分流經(jīng)所述至少一個第一排放孔，流經(jīng)所述第一區(qū)域并流過所述第一燃燒室襯套至少一部分的外部，流經(jīng)所述第二區(qū)域并流過所述第二燃燒室襯套至少一部分的外部，從而對所述第二燃燒室襯套提供出流冷卻。
18.如權利要求17所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，所述一組推進劑組分同心地排入所述第一燃燒室。
19.如權利要求17所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，來自所述第一燃燒室的所述排放流的所述第一部分通過一個流體節(jié)流閥流入所述第二燃燒室，從而所述第一燃燒室在所述至少一個第一排放孔處的壓力比所述第二燃燒室在所述第二排放孔處的壓力要高。
20.如權利要求19所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，所述流體節(jié)流閥含有一個渦輪。
21.如權利要求17所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，所述第一燃燒室里的燃燒溫度比所述第二燃燒室里的燃燒溫度要低。
22.如權利要求17所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，所述一組推進劑組分含有燃料和氧化劑，以及所述第一燃燒室里的所述燃料和所述氧化劑的比例對照化學計量比例更富含燃料。
23.如權利要求22所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，所述燃料的第一部分排入所述第一燃燒室，以及所述燃料的第二部分排入所述第一燃燒室襯套外部所述第一區(qū)域。
24.如權利要求22所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，所述氧化劑的第一部分排入所述第一燃燒室以及所述氧化劑的第二部分排入所述第二燃燒室。
25.如權利要求24所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，所述氧化劑的所述第二部分同心地排入所述第二燃燒室。
26.如權利要求24所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，所述氧化劑的所述第二部分在所述第二燃燒室里的中間位置排放。
27.如權利要求26所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，所述中間位置貼近于流經(jīng)所述第二燃燒室的流體的中心軸線。
28.如權利要求24所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，還包括通過將所述氧化劑的所述第二部分排入第二燃燒室里的所述操作來改變排入所述第二燃燒室的來自所述第一燃燒室的所述排放流的所述第一部分的至少一種特性，其中，所述至少一種特性選自流動模式和混合模式。
29.如權利要求17所述冷卻火箭發(fā)動機的方法，其特征在于，還包括通過將所述排放流的所述第二部分通過所述至少一個第二排放孔排入第二燃燒室里的所述操作來改善排入第二燃燒室的來自所述第一燃燒室的所述排放流的所述第一部分的至少一種特性，其中，所述至少一種特性選自流動模式和混合模式。
全文摘要
一種火箭發(fā)動機(10)，包含用以將相應的燃料(20)和氧化劑(18)推進劑組分噴入第一燃燒室(34)的第一(76)和第二(142)旋轉(zhuǎn)噴嘴，并且從第一燃燒室(34)出來的排放流(38)驅(qū)動用以使旋轉(zhuǎn)噴嘴(76，142)旋轉(zhuǎn)的渦輪(40)。第一燃燒室(34)里的混合物優(yōu)選地富含燃料從而降低相關的燃燒溫度，以及在第二燃燒室(36)里該富含燃料的排放流與由第三旋轉(zhuǎn)噴嘴(182)噴入的輔助氧化劑混合，從而形成適于推進的高溫排放流(214)。旋轉(zhuǎn)噴嘴(76，142，182)附設有環(huán)形壓力擋料圈(86，146，174)以將低壓推進劑供給源(22’，24’)與對應的燃燒室(34，36)的相對高壓分隔開。一部分從第一燃燒室(34)出來的富含燃料的排放流流向圍繞燃燒室(34，36)的環(huán)形通道(198，204)以向第二燃燒室(36)的表面(218)提供出流冷卻。
文檔編號F02K9/62GK1670353SQ20051005503
公開日2005年9月21日 申請日期2000年3月10日 優(yōu)先權日1999年3月10日
發(fā)明者理查德·D·斯蒂芬斯, 小羅伯特·S·湯普森, 吉多·J·德菲爾, 約翰·F·瓊斯, 迪安·S·馬斯格雷夫, 格雷格·G·威廉 申請人:威廉國際有限責任公司