一种朗肯循环火箭发动机系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种朗肯循环火箭发动机系统，该系统包括推力室(1)、冷凝器(5)、推进剂增压单元、膨胀机(4)、朗肯循环增压泵(6)和电机，所述推进剂增压单元与推力室(1)连接并供给燃料，所述推力室(1)、膨胀机(4)、冷凝器(5)和朗肯循环增压泵(6)串联形成朗肯循环子系统，所述膨胀机(4)传动连接推进剂增压单元，或者同时传动连接推进剂增压单元与朗肯循环增压泵(6)；所述推进剂增压单元和/或朗肯循环增压泵(6)连接提供额外动力的电机。与现有技术相比，本实用新型专利技术电池重量大大降低，且简单可靠，易于控制，价格低廉。

【技术实现步骤摘要】
一种朗肯循环火箭发动机系统
本技术涉及发动机系统领域，具体涉及一种朗肯循环火箭发动机系统。
技术介绍
传统泵压式火箭发动机系统按发动机循环方式分为开式循环和闭式循环，开式循环主要是燃气发生器循环，闭式循环则主要包括分级燃烧循环与膨胀循环。而无论是开式循环还是闭式循环，由于其均涉及到采用部分推进剂燃烧或气化驱动涡轮，因此系统均较为复杂，控制均涉及到较为复杂的反馈。尤其是闭式循环，其反馈程度极深，系统复杂度与控制难度均堪称工业产品之最。再加上诸如推力室高温高压等特点，泵压式火箭发动机系统为自己筑就了一道高不可攀的技术门槛，只有少数航天强国才能够掌控。而随着2018年1月21日电子号”运载火箭的发射成功，这一领域出现了松动。“电子号”运载火箭以其全新的电动火箭发动机循环，为未来火箭发动机的设计指明了一条全新的道路：其推进剂增压的动力来源不再来自于涡轮，而仅由电机提供。这一循环方式使得系统具有设计、调试简单，发动机性能高，易维护使用、易扩展等特点。再加上火箭公司低廉的发射报价，使这一技术被业界称为“有可能大幅度降低小型火箭发动机的设计和制造难度”。然而电动火箭发动机循环存在致命弱点，即电池重量过高。从分析来看，即使以现有锂电池最高技术水平，为火箭一级提供泵增压动力所需要的电池重量也必须达到2t，而箭体总重不过10t。因此即使采用了各种减重的方法，其500km太阳同步轨道标称发射质量也仅为150kg，而首次发射时实际搭载的有效载荷质量仅39kg。电池重量过高已经成为制约其发展的最大障碍。
技术实现思路
本技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种能够大幅度降低电池重量且易于控制、简单可靠、价格低廉的朗肯循环发动机系统，特别是用于火箭。本技术的目的通过以下技术方案实现：一种朗肯循环火箭发动机系统，该系统包括推力室、冷凝器、推进剂增压单元、膨胀机、朗肯循环增压泵和电机，所述推进剂增压单元与推力室连接并供给燃料，所述推力室、膨胀机、冷凝器和朗肯循环增压泵串联形成朗肯循环子系统，所述膨胀机传动连接推进剂增压单元，或者同时传动连接推进剂增压单元与朗肯循环增压泵；所述推进剂增压单元和/或朗肯循环增压泵连接提供额外动力的电机。该系统工作时，燃料与氧化剂在推力室中混合燃烧释放热量，通过室壁传递给液态的朗肯循环工质，朗肯循环工质吸热后从液态变成过热蒸汽，通过膨胀机对外做功(将机械能传递给推进剂增压单元和/或朗肯循环增压泵)，变成低温低压蒸汽后通过冷凝器变成过冷液体，然后过冷液体通过朗肯循环增压泵增压变成高压低温液体，最后高压低温液体进入推力室的朗肯循环流体通道，形成朗肯循环。该系统可采用电机提供额外的动力，当电机作为主要动力时，朗肯循环子系统仅提供部分动力的控制方式；系统亦可采用电机只提供部分动力，主要动力由朗肯循环子系统提供的控制方式；还可采用系统中不设置电机，初始动力由燃料贮箱压力提供，后续动力由朗肯循环子系统提供的控制方式。当采用电机提供部分动力的方案时，所需要的电机功率较小，因此作为电机的电源——电池所需量较少，能够大幅度降低电池重量且易于控制；即通过合理搭配使用超级电容器与电池，做到控制方便的同时，电池重量大大降低。进一步地，电机包括与推进剂增压单元连接的第一电机和/或与朗肯循环增压泵单独连接的第二电机。采用同一电机同时为推进剂增压单元和朗肯循环增压泵提供动力在能量利用上效率更高，但在结构布局上则有较大的限制。单独采用第二电机为朗肯循环增压泵提供动力在控制上提供的自由度更多，可以方便的通过调节第二电机转速来实现调节朗肯循环工作压力，而通过调节第一电机转速来实现调节朗肯循环工作流量，进而实现调节整个发动机系统工况的目的。此时朗肯循环增压泵与推进剂增压单元不连接。进一步地，所述推进剂增压单元先与冷凝器连接，再与推力室连接，可将推进剂作为冷源，更好地应用能量交换原则，使朗肯循环子系统的能量利用效率更高。进一步地，所述推进剂增压单元包括燃料增压泵和氧化剂增压泵，燃料增压泵同膨胀机和/或电机连接，氧化剂增压泵同膨胀机和/或电机连接。进一步地，所述燃料增压泵用于增压燃料，所述氧化剂增压泵用于增压氧化剂，冷凝器采用增压后的燃料和/或增压后的氧化剂作为冷却介质。根据系统需要冷却介质吸收的热量来确定冷却方案，其中单独采用燃料作为冷却介质安全性更高。进一步地，所述朗肯循环子系统中还设有回热器，即在所述膨胀机和冷凝器之间还设置回热器，用于将冷凝器入口前的低温低压工质蒸汽的热量传递给推力室流体通道入口前的低温高压工质液体。一般情况下，冷凝器入口前的低温低压蒸汽温度要高于推力室的朗肯循环流体通道入口前的低温高压液体；设置回热器可有效降低推进剂和/或氧化剂的冷却负荷，增加系统等压吸热过程的吸热量。进一步地，所述冷凝器、回热器为板式换热器或管式换热器，均为常用的换热器类型。进一步地，所述电机和膨胀机通过轴系和/或传动装置提供动力，所述传动装置包括相互配合连接的齿轮、皮带传动机构和联轴器，均为常用的传动装置。进一步地，所述膨胀机为涡轮或螺杆膨胀机，这是朗肯循环中常用的两种膨胀机。进一步地，所述氧化剂增压泵、燃料增压泵、朗肯循环增压泵为离心泵或柱塞泵，均为常用的泵类型。进一步地，所述朗肯循环子系统用于朗肯循环工质的循环，所述朗肯循环工质选自水、液氨、氨水混合物、R41、R125、R218、R143a、R32、RE125、R1270、R290、R134a、R227ea、R161、R152a、RC270、R236fa、RE170、R600a、R236ea、R600、R245fa、Neo-C5H12、R601a、R601或n-hexane中的一种或多种。泵压式火箭发动机推力室一般通过再生冷却来达到冷却推力室室壁的目的，在这一过程中推力室的朗肯循环流体通道内的朗肯循环工质通过吸收室壁传递的燃烧热量对推力室壁进行冷却；这一过程属于热量从高温向低温自发的传递，由热力学第二定律可知其属于不可逆过程，会带来系统做功能力的损失。本技术主要通过采用朗肯循环技术，吸收推力室燃烧产生的热量并在膨胀机中转换为燃料和/或氧化剂增压所用的机械能，从而达到大幅度降低电池重量的目的。本技术采用朗肯循环技术，以推力室中推进剂燃烧产生的热量作为热源，以增压后的燃料和/或增压后的氧化剂作为冷源，通过膨胀机对外做功，可为氧化剂增压泵、燃料增压泵和朗肯循环增压泵提供动力，从而降低电机负载，减少用电量，达到大幅度降低电池重量的目的。与传统发动机系统不同，本技术的朗肯循环子系统除了驱动泵之外，与发动机主系统之间只存在着热量交换关系，因此与其之间耦合度较小，易于控制。这一特点也使本技术与电动循环系统在简单可靠，价格低廉等方面可以相提并论。除此之外，冷源温度对朗肯循环效率有着极大的影响，冷源温度越低，则朗肯循环效率越高；同时由于冷源温度低，有着足够的冷却能力，因此也可以提高热源温度，使系统做功能力进一步增强；对于燃烧温度极高的推本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种朗肯循环火箭发动机系统，其特征在于，该系统包括推力室(1)、冷凝器(5)、推进剂增压单元、膨胀机(4)、朗肯循环增压泵(6)和电机，所述推进剂增压单元与推力室(1)连接并供给燃料，所述推力室(1)、膨胀机(4)、冷凝器(5)和朗肯循环增压泵(6)串联形成朗肯循环子系统；/n所述膨胀机(4)传动连接推进剂增压单元，或者同时传动连接推进剂增压单元与朗肯循环增压泵(6)；/n所述推进剂增压单元和/或朗肯循环增压泵(6)连接提供额外动力的电机。/n

【技术特征摘要】
1.一种朗肯循环火箭发动机系统，其特征在于，该系统包括推力室(1)、冷凝器(5)、推进剂增压单元、膨胀机(4)、朗肯循环增压泵(6)和电机，所述推进剂增压单元与推力室(1)连接并供给燃料，所述推力室(1)、膨胀机(4)、冷凝器(5)和朗肯循环增压泵(6)串联形成朗肯循环子系统；
所述膨胀机(4)传动连接推进剂增压单元，或者同时传动连接推进剂增压单元与朗肯循环增压泵(6)；
所述推进剂增压单元和/或朗肯循环增压泵(6)连接提供额外动力的电机。


2.根据权利要求1所述的一种朗肯循环火箭发动机系统，其特征在于，所述推进剂增压单元先与冷凝器(5)连接，再与推力室(1)连接。


3.根据权利要求2所述的一种朗肯循环火箭发动机系统，其特征在于，所述推进剂增压单元包括燃料增压泵(3)和氧化剂增压泵(2)，燃料增压泵(3)同膨胀机(4)和/或电机连接，氧化剂增压泵(2)同膨胀机(4)和/或电机连接。


4.根据权利要求3所述的一种朗肯循环火箭发动机...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯辉，刘恒娟，
申请(专利权)人：上海坤释流体科技有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31