一種切換燃料的火箭推力室及其供應(yīng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種切換燃料的火箭推力室及其供應(yīng)系統(tǒng)，屬于過氧化氫/煤油切換成液氫補燃式火箭發(fā)動機。為了解決把過氧化氫/液氫發(fā)動機和過氧化氫/煤油發(fā)動機合而為一并實現(xiàn)切換燃料的問題，本發(fā)明采用適宜切換燃料的頭部四底三腔結(jié)構(gòu)、富氫氣和超富氫氣與煤油共用的組合式燃料噴嘴、切換燃料前后連續(xù)噴注熱的富氧氣的直孔式氧化劑噴嘴和不間斷地流過氧化劑進行冷卻的身部、切換燃料前后都使用的過氧化氫系統(tǒng)、切換燃料前使用的煤油系統(tǒng)、切換燃料后使用的液氫系統(tǒng)等技術(shù)方案。本發(fā)明適用于單級入軌火箭、芯級火箭和可重復(fù)使用航天飛行器的發(fā)動機，也可不切換燃料用于又一種過氧化氫/液氫上面級火箭發(fā)動機。
【專利說明】一種切換燃料的火箭推力室及其供應(yīng)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種切換燃料的火箭推力室(燃燒室)及其供應(yīng)系統(tǒng)，屬于過氧化氫/煤油切換成液氫補燃式火箭發(fā)動機。
【背景技術(shù)】
[0002]液體火箭發(fā)動機有七十年應(yīng)用歷史，各國都是對一種火箭級使用一種推進劑。對于助推器和一級火箭，主要使用以液氧/煤油為代表的密度比沖高的推進劑。對于上面級火箭，主要使用以液氧/液氫為代表的比沖高的推進劑。
[0003]對于新的單級入軌火箭，如使用液氧/煤油發(fā)動機，從起飛到飛行中間的第一階段有高的推進性能，但從飛行中間到高空關(guān)機的第二階段有差一些的推進性能。如使用液氧/液氫發(fā)動機，雖然第二階段飛行有高的推進性能，但第一階段飛行的推進性能差一些。顯然需要一種切換燃料的火箭發(fā)動機，在飛行中間點將煤油切換成液氫，就能取得更高的推進性能。但是，液氧/煤油發(fā)動機與液氧/液氫發(fā)動機差異大，難以切換燃料。
[0004]比液氧/煤油發(fā)動機和液氧/液氫發(fā)動機出現(xiàn)更早和歷史更長的高濃度80 % -98 %過氧化氫/煤油發(fā)動機，雖然推進性能比液氧/煤油發(fā)動機還高，且是使用方便的可儲存推進劑，但由于高純度的高濃度過氧化氫的安全性不夠高、價格貴和分解溫度通常高達740°C _946°C，實際應(yīng)用不多。因此，本人提出“一種無催化床的中等濃度(70% -79% )過氧化氫/煤油燃燒室(推力室)”(專利授權(quán)CN203604065U)，安全性高、使用性好和價格低，且與液氧/煤油推力室的推進性能相當。
[0005]本人還提出“(70% -98% )過氧化氫/液氫氣體發(fā)生器和推力室”(專利申請CN103775246A)。與液氧/液氫推力室相比，雖然比沖低，但推進劑組合密度大一倍左右和密度比沖高出50%左右，用于可重復(fù)使用航天飛行器發(fā)動機和芯級火箭發(fā)動機的推進性能和綜合性能都好。該發(fā)明中采取縮短催化床的措施，控制高濃度過氧化氫的分解溫度不超過600°C。過氧化氫/液氫推力室與過氧化氫/煤油推力室及它們的供應(yīng)系統(tǒng)都有較多相同之處，利于實現(xiàn)切換燃料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對新的單級入軌火箭需要合理推進和性能更好的切換燃料火箭發(fā)動機，為了解決把過氧化氫/液氫發(fā)動機和過氧化氫/煤油發(fā)動機合而為一并實現(xiàn)切換燃料的問題，本發(fā)明根據(jù)切換燃料的特點和優(yōu)化設(shè)計的要求，進行必要的修改和安排，提出一種切換燃料的火箭推力室及其供應(yīng)系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明一種切換燃料的火箭推力室使用的氧化劑是70% -98%過氧化氫。過氧化氫有工業(yè)級和航天級兩種產(chǎn)品。工業(yè)級是指游離酸、不揮發(fā)物、總碳、硝酸鹽等雜質(zhì)含量與中華人民共和國國家標準GB1616-2003規(guī)定相當并可少量添加穩(wěn)定劑的產(chǎn)品。航天級是這些雜質(zhì)和穩(wěn)定劑含量極少的高純度產(chǎn)品。70 % -79 %過氧化氫宜用航天級產(chǎn)品，以利于完全分解。80% -98%過氧化氫宜用工業(yè)級產(chǎn)品，以提高安全性和降低價格。[0008]本發(fā)明一種切換燃料的火箭推力室在切換燃料前使用煤油燃料。主要選擇航天煤油。也可選用航空煤油。本人提出的“一種與70%-98%過氧化氫自燃的(含煤油)四組分系燃料”(專利申請CN102863994A)稱為自燃煤油，主要用作點火劑。
[0009]本發(fā)明一種切換燃料的火箭推力室在切換燃料后使用液氫燃料。
[0010]本發(fā)明一種切換燃料的火箭推力室由頭部和身部組成。頭部是適宜切換燃料的四底三腔結(jié)構(gòu):一底(噴注器面板)與二底之間是切換燃料前的煤油腔，切換燃料后則成為由液氫與氣體發(fā)生器生成富氫氣相混合而成的超富氫氣腔，統(tǒng)稱為燃料腔；二底與三底之間是切換燃料后的氣體發(fā)生器生成富氫氣腔，即第二燃料腔，切換燃料前是死腔；三底與四底(頂蓋)之間是切換燃料前后共有的氧化劑腔，即反應(yīng)器生成富氧氣腔。頭部的噴注器有富氫氣和超富氫氣與煤油共用的組合式燃料噴嘴，還有在切換燃料前后連續(xù)噴注富氧氣的直孔式氧化劑噴嘴，其排列方式和一周六徑型噴注器隔板的布置類似于上述過氧化氫/液氫推力室。對燃料噴嘴可設(shè)置或不設(shè)置易熔堵塞，在切換燃料前是噴注煤油的有切向孔離心式噴嘴；切換燃料后在富氫氣的溫度和壓力作用下，易熔堵塞熔化脫開，同不設(shè)置易熔堵塞一樣是有入口圓形直孔和切向孔的噴嘴，其中的圓形直孔流入的是富氫氣和切向孔流入的是超富氫氣。身部是在切換燃料前后不間斷地流過氧化劑進行冷卻的雙層夾套結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明一種切換燃料火箭推力室的供應(yīng)系統(tǒng)由過氧化氫系統(tǒng)、煤油系統(tǒng)和液氫系統(tǒng)組成。過氧化氫系統(tǒng):儲箱中的過氧化氫經(jīng)低壓閥門進入過氧化氫泵增壓，經(jīng)高壓閥門流入推力室身部的夾套對推力室內(nèi)壁進行冷卻，之后流入反應(yīng)器經(jīng)催化床分解成溫度為3220C _600°C的主要由水蒸汽和氧氣組成的富氧氣。富氧氣驅(qū)動用來帶動過氧化氫泵和煤油泵的渦輪后，進入推力室頭部的富氧氣腔。煤油系統(tǒng):儲箱中的煤油經(jīng)兩個低壓閥門進入煤油泵增壓，經(jīng)高壓閥門流入推力室頭部的燃料腔。兩個低壓閥門之間是放置點火用自燃煤油的點火管。液氫系統(tǒng):儲箱中的液氫經(jīng)低壓閥門進入液氫泵增壓，一路經(jīng)高壓閥門流入氣體發(fā)生器。與此同時一小股過氧化氫從過氧化氫路的一個支路經(jīng)分流閥門進入氣體發(fā)生器頭部，由催化床分解成與反應(yīng)器類同的富氧氣。富氧氣與液氫進行低混合比燃燒生成溫度500°C _600°C的由氫氣和少量水蒸汽組成的富氫氣，驅(qū)動用來帶動液氫泵的第二渦輪后，一路經(jīng)過單向閥進入推力室頭部的富氫氣腔；另一路富氫氣經(jīng)過單向閥與途經(jīng)氣蝕管和高壓閥門的另一路液氫相混合，成為溫度適中的超富氫氣進入切斷煤油供應(yīng)的燃料腔。
[0012]切換燃料前只用過氧化氫系統(tǒng)和煤油系統(tǒng),不用液氫系統(tǒng)。此時液氫路的各個閥門和過氧化氫分流閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。富氧氣和煤油經(jīng)推力室頭部的噴注器噴入推力室內(nèi)燃燒，生成以水蒸汽和二氧化碳為主的氣體，經(jīng)推力室身部排出產(chǎn)生推力。
[0013]切換燃料時需打開液氫系統(tǒng)的各個閥門和過氧化氫分流閥門，并及時關(guān)閉煤油系統(tǒng)各閥門，煤油泵停轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)。切換燃料后只用過氧化氫系統(tǒng)和液氫系統(tǒng)。富氫氣、超富氫氣和富氧氣由推力室頭部的噴注器噴入推力室內(nèi)燃燒，生成含大量水蒸汽的氣體，經(jīng)推力室身部排出產(chǎn)生推力。
[0014]一種切換燃料火箭推力室及其供應(yīng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點和有益效果:
[0015](I)首次提出一臺火箭推力室在一次飛行中先后使用兩種不同液體燃料的設(shè)想和方案，以使單級入軌火箭發(fā)動機有高的推進性能。切換燃料時用超富氫氣進入煤油系統(tǒng)，可避免發(fā)生液氫直接進入煤油系統(tǒng)的煤油凍結(jié)堵塞問題。加上在切換燃料前后連續(xù)噴注熱的富氧氣和不間斷地流過再生冷卻劑，可保證安全、可靠、平穩(wěn)地切換燃料。[0016](2)燃料腔內(nèi)的煤油、超富氫氣可有效冷卻一底(噴注器面板)，70^-98%過氧化氫可有效冷卻身部，設(shè)置的噴注器隔板可有效抑制高頻不穩(wěn)定燃燒，由此可保證推力室可
靠工作。
[0017](3)推力室燃燒溫度為1958°C _2714°C，比液氧/液氫的燃燒溫度3250°C左右和液氧/煤油燃燒溫度3400°C左右都低得多，改善了工作條件，減小了研制難度。富氫氣溫度控制在500°C _600°C，富氧氣溫度控制在不超過600°C，可使接觸這些熱氣體的零件不會過熱燒壞，提高工作可靠性和延長壽命。
[0018]本發(fā)明涉及一種切換燃料的火箭推力室及其供應(yīng)系統(tǒng)，構(gòu)成過氧化氫/煤油切換成液氫補燃式火箭發(fā)動機。主要適用于單級入軌火箭發(fā)動機，也適用于在地面點火啟動的可重復(fù)使用航天飛行器發(fā)動機和芯級火箭發(fā)動機。該推力室還可不切換燃料用于又一種過氧化氫/液氫補燃式發(fā)動機，作為上面級火箭發(fā)動機使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明一種切換燃料的火箭推力室的頭部仰視圖，即噴注器排列圖和噴注器隔板布置圖。
[0020]圖2是圖1的A-A剖面圖，即頭部結(jié)構(gòu)示意圖，其中局部放大圖1是有易熔堵塞的燃料噴嘴，局部放大圖2是易熔堵塞熔化脫開后或不設(shè)置易熔堵塞的燃料噴嘴。 [0021]圖3是推力室身部與頭部焊為一體的推力室結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明一種切換燃料火箭推力室的供應(yīng)系統(tǒng)簡圖。
【具體實施方式】
[0023]圖1、圖2和圖3是本發(fā)明一種切換燃料的火箭推力室優(yōu)選實施例。圖4是與該推力室配套的供應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)選實施例。
[0024]如圖1至圖3所示，本發(fā)明一種切換燃料的火箭推力室，由頭部和身部組成，頭部包括圓形一底1、環(huán)形一底2、圓形二底3、環(huán)形二底4、三底5、四底6、易熔堵塞7(或不設(shè)置)、集合器8、富氫氣法蘭盤9、富氧氣法蘭盤10和煤油或超富氫氣法蘭盤11，身部包括圓柱段內(nèi)壁12、圓柱段外壁13、收斂段內(nèi)壁14、收斂段外壁15、擴散段內(nèi)壁16、擴散段外壁17、環(huán)形板18、集液環(huán)19、過氧化氫出口法蘭盤20、過氧化氫法蘭盤21、集合器22、尾環(huán)23、加強環(huán)24和連接環(huán)25，各零件焊接固定。一底1、2，二底3、4，三底5和四底6組成適宜把煤油切換成液氫的頭部四底三腔結(jié)構(gòu)，二底3、4上設(shè)置的燃料噴嘴26是有兩個入口和一個出口的組合式噴嘴，三底5上設(shè)置的氧化劑噴嘴27是在切換燃料前后連續(xù)噴注富氧氣的直孔式噴嘴，身部是在切換燃料前后不間斷地流過氧化劑進行冷卻的雙層夾套結(jié)構(gòu)。
[0025]頭部四底三腔結(jié)構(gòu)是一底1、2與二底3、4之間為煤油或超富氫氣腔28，二底3、4與還設(shè)置開有加長富氧氣噴孔29的噴注器隔板30的三底5之間為富氫氣腔31或死腔,三底5與四底6之間為富氧氣腔32。
[0026]燃料噴嘴26有煤油或超富氫氣進入的切向圓孔33、富氫氣進入的圓柱圓錐孔34和出口圓柱孔35。
[0027]易熔堵塞7由熔點不超過400°C的易熔合金制作，形狀為上部圓柱體和下部圓錐體，與圓柱圓錐孔34吻合。[0028]如圖4所示，本發(fā)明一種切換燃料火箭推力室的供應(yīng)系統(tǒng)，由通往推力室36的過氧化氫系統(tǒng)、煤油系統(tǒng)和液氫系統(tǒng)組成，過氧化氫系統(tǒng)包括過氧化氫箱41、低壓閥門42、過氧化氫泵43、高壓閥門44、推力室36冷卻夾套、反應(yīng)器45、渦輪46、通往推力室36富氧氣腔的導(dǎo)管47、分流閥門48和通往氣體發(fā)生器65的導(dǎo)管49，煤油系統(tǒng)包括煤油箱51、低壓閥門52、點火管53、低壓閥門54、煤油泵55、高壓閥門56和通往推力室36煤油或超富氫氣腔28的導(dǎo)管57，液氫系統(tǒng)包括液氫箱61、低壓閥門62、液氫泵63、高壓閥門64、氣體發(fā)生器65、第二潤輪66、單向閥67、通往推力室36富氫氣腔的導(dǎo)管68、單向閥69、通往導(dǎo)管57的氣液導(dǎo)管70、汽蝕管71和出口通往氣液導(dǎo)管70的高壓閥門72，各相關(guān)部分用導(dǎo)管連接。過氧化氫系統(tǒng)是在切換燃料前后都使用，煤油系統(tǒng)是在切換燃料前使用，液氫系統(tǒng)是在切換燃料后使用，切換燃料的操作是開啟閥門48、62、64和72并隨即關(guān)閉閥門52、54和56。
[0029]點火管53設(shè)置在兩個低壓閥門52、54之間，裝滿點火用的自燃煤油。
[0030]氣液導(dǎo)管70通過兩根導(dǎo)管分別與單向閥69和高壓閥門72連接，把引入的富氫氣和液氫混合成超富氫氣送至導(dǎo)管57。
[0031]汽蝕管71用來準確控制進入氣液導(dǎo)管70的液氫流量，消耗掉液氫泵63后面與氣液導(dǎo)管70內(nèi)的液氫壓力差。
【權(quán)利要求】
1.一種切換燃料的火箭推力室，由頭部和身部組成，頭部包括圓形一底(I)、環(huán)形一底(2)、圓形二底(3)、環(huán)形二底(4)、三底(5)、四底(6)、易熔堵塞(7)(或不設(shè)置)、集合器(8)、富氫氣法蘭盤(9)、富氧氣法蘭盤(10)和煤油或超富氫氣法蘭盤(11)，身部包括圓柱段內(nèi)壁(12)、圓柱段外壁(13)、收斂段內(nèi)壁(14)、收斂段外壁(15)、擴散段內(nèi)壁(16)、擴散段外壁(17)、環(huán)形板(18)、集液環(huán)(19)、過氧化氫出口法蘭盤(20)、過氧化氫法蘭盤(21)、集合器(22)、尾環(huán)(23)、加強環(huán)(24)和連接環(huán)(25)，各零件焊接固定，其特征在于:所述的一底(I)、(2)，二底(3)、(4)，三底(5)和四底(6)組成適宜把煤油切換成液氫的頭部四底三腔結(jié)構(gòu)，所述的二底(3)、(4)上設(shè)置的燃料噴嘴(26)是有兩個入口和一個出口的組合式噴嘴，所述的三底(5)上設(shè)置的氧化劑噴嘴(27)是在切換燃料前后連續(xù)噴注富氧氣的直孔式噴嘴，所述的身部是在切換燃料前后不間斷地流過氧化劑進行冷卻的雙層夾套結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種切換燃料的火箭推力室，其特征在于:所述的頭部四底三腔結(jié)構(gòu)是一底(I)、(2)與二底(3)、(4)之間為煤油或超富氫氣腔(28)，二底(3)、(4)與還設(shè)置開有加長富氧氣噴孔(29)的噴注器隔板(30)的三底(5)之間為富氫氣腔(31)或死腔，三底(5)與四底(6)之間為富氧氣腔(32)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種切換燃料的火箭推力室，其特征在于:所述的燃料噴嘴(26)有煤油或超富 氫氣進入的切向圓孔(33)、富氫氣進入的圓柱圓錐孔(34)和出口圓柱孔(35)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種切換燃料的火箭推力室，其特征在于:所述的易熔堵塞(7)由熔點不超過400°C的易熔合金制作，形狀為上部圓柱體和下部圓錐體，與圓柱圓錐孔(34)吻合。
5.一種切換燃料火箭推力室的供應(yīng)系統(tǒng)，由通往推力室(36)的過氧化氫系統(tǒng)、煤油系統(tǒng)和液氫系統(tǒng)組成，過氧化氫系統(tǒng)包括過氧化氫箱(41)、低壓閥門(42)、過氧化氫泵(43)、高壓閥門(44)、推力室(36)冷卻夾套、反應(yīng)器(45)、渦輪(46)、通往推力室(36)富氧氣腔的導(dǎo)管(47)、分流閥門(48)和通往氣體發(fā)生器(65)的導(dǎo)管(49)，煤油系統(tǒng)包括煤油箱(51)、低壓閥門(52)、點火管(53)、低壓閥門(54)、煤油泵(55)、高壓閥門(56)和通往推力室(36)煤油或超富氫氣腔(28)的導(dǎo)管(57),液氫系統(tǒng)包括液氫箱(61)、低壓閥門(62)、液氫泵(63)、高壓閥門(64)、氣體發(fā)生器(65)、第二渦輪(66)、單向閥(67)、通往推力室(36)富氫氣腔的導(dǎo)管(68)、單向閥(69)、通往導(dǎo)管(57)的氣液導(dǎo)管(70)、汽蝕管(71)和出口通往氣液導(dǎo)管(70)的高壓閥門(72)，各相關(guān)部分用導(dǎo)管連接，其特征在于:所述的過氧化氫系統(tǒng)是在切換燃料前后都使用，所述的煤油系統(tǒng)是在切換燃料前使用，所述的液氫系統(tǒng)是在切換燃料后使用，切換燃料的操作是開啟閥門(48)、(62)、(64)和(72)并隨即關(guān)閉閥門(52)、(54)和(56)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種切換燃料火箭推力室的供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的點火管(53)設(shè)置在兩個低壓閥門(52)、(54)之間，裝滿點火用的自燃煤油。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種切換燃料火箭推力室的供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的氣液導(dǎo)管(70)通過兩根導(dǎo)管分別與單向閥(69)和高壓閥門(72)連接，把引入的富氫氣和液氫混合成超富氫氣送至導(dǎo)管(57)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種切換燃料火箭推力室的供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的汽蝕管(71)用來準確控制進入氣液導(dǎo)管(70)的液氫流量，消耗掉液氫泵(63)后面與氣液導(dǎo)管(70)內(nèi)的液 氫壓力差。
【文檔編號】F02K9/62GK103982332SQ201410246890
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】葛明龍 申請人:葛明龍