一种电动火箭发动机系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种电动火箭发动机系统，该系统包括推力室(1)、氧化剂增压泵(2)、燃料增压泵(3)、涡轮(4)、燃气发生器子系统(5)和电机(6)，电机(6)作为系统启动、关机、变推力及工况调整的主动力，传动连接氧化剂增压泵(2)、燃料增压泵(3)并为氧化剂、燃料增压，燃气发生器子系统(5)产生高温高压燃气驱动涡轮(4)主要在稳态工况时为电机(6)降低负荷；从而使电池重量大大降低且便于实现火箭回收，具有简单可靠，易于控制，价格低廉的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种电动火箭发动机系统
本技术涉及发动机系统领域，具体涉及一种电动火箭发动机系统。
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，电池重量过高已经成为制约其发展的最大障碍。受到运力限制，目前“电子号”运载火箭尚不具备回收利用的能力。在运力有保障的情况下，火箭的回收利用能够进一步降低发射报价，提高竞争力。
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便于实现火箭回收的易于控制、简单可靠、价格低廉的电动火箭发动机系统。本技术的目的通过以下技术方案实现：一种电动火箭发动机系统，包括推力室、氧化剂增压泵、燃料增压泵、涡轮、燃气发生器子系统和电机，所述电机作为系统启动、关机、变推力及工况调整的主动力，传动连接燃料增压泵与氧化剂增压泵并分别为燃料与氧化剂增压，所述燃气发生器子系统出口与涡轮入口连接并提供高温高压燃气驱动涡轮，所述涡轮传动连接电机并主要在稳态工况时降低其负荷。也可采用一个涡轮与一个电机为燃料增压泵连接，另一个涡轮与另一个电机为氧化剂增压泵连接的连接方式，所述燃料增压泵、氧化剂增压泵出口分别与推力室燃料入口、氧化剂入口相连。所述涡轮出口直通大气或与推力室燃气入口连接。为在回收过程中实现变推力，除采用泵改变压力与流量外，一般还需要在系统上设置调节流量的装置，比如可采用在推力室中设置用于调节系统推力的集成针栓式流量调节部件，或在系统中设置可调文氏管，或流量调节阀，或快速脉冲工作的电磁阀。集成了针栓式流量调节部件的推力室部件、可调文氏管、流量调节阀可直接调节推进剂流量，而快速脉冲工作的电磁阀则通过脉冲工作平均流量下降从而达到调节推进剂流量的作用，通过控制泵及这些部件可使推进剂流量发生改变，进而使推力室所输出推力改变。与传统系统相比，本技术所述电动火箭发动机系统在启动、关机、变推力及工况调整时，均以电机为主或仅采用电机为动力开展工作；而燃气发生器子系统主要作用是在稳态工作时降低电机负荷，这一设计使该系统在降低了电池重量的同时，具备控制的快速性、稳定性和可靠性。在启动、关机、变推力以及工况调整时，以电机为主或仅采用电机为动力通过改变转速使氧化剂增压泵与燃料增压泵增压能力改变，进而使推力快速改变，使系统快速切入工况。燃气发生器子系统也随之进行适应性调整。与传统泵压式推进系统通过调节燃气发生器或预燃室燃烧过程，进而对涡轮转速进行调整相比，由于电机直接对泵速进行调整，其变推力的效果更快速、过程更可靠。其快速调整、易于控制的特性也可在故障出现时快速做出响应，亦可在飞行过程中根据需要进行调节，这一点对于提高空间旅游的旅客体验中有着重要的作用；对于其它利用火箭发动机的飞行器而言这一功能可以大幅度提高机动性，实现更多新的功能。稳态工作时，电机驱动推进剂增压单元为氧化剂与燃料增压。增压后的推进剂在推力室中燃烧后产生推力。同时，燃气发生器子系统产生高温高压燃气推动涡轮，使其与电机共同提供推进剂增压单元所需要的动力；由于涡轮的作用，使电机用电量大大减少，甚至处于发电状态。由于单位燃气发生器子系统质量所输出的轴功率比远高于电池系统，因此其能够实现大幅度降低电池重量以及火箭重量的作用。燃气发生器子系统有多种类型，包括固体燃气发生器子系统、定推力单组元燃气发生器子系统、定推力双组元燃气发生器子系统、变推力单组元挤压式燃气发生器子系统、变推力双组元挤压式燃气发生器子系统、副系统式燃气发生器子系统、变推力单组元泵压式燃气发生器子系统或变推力双组元泵压式燃气发生器子系统等。固体燃气发生器子系统是指采用固体推进剂的燃气发生器子系统，其系统最为简单，但其基本只能实现一次启动，其对多次启动以及变推力的工况适应能力较差。定推力单组元燃气发生器子系统是指采用恒压挤压式系统的单组元燃气发生器子系统，其能够方便的实现多次启动，但其对变推力工况的适应能力较差。定推力双组元燃气发生器子系统是指采用恒压挤压式系统的双组元燃气发生器子系统，其也能够方便的实现多次启动，但其对变推力的工况适应能力同样较差。同时，由于涡轮材料承受温度的限制，双组元燃气发生器推进剂性能优势并不能发挥出来，而是需要通过改变混合比使燃气温度下降，这使其性能方面的优势大大下降，而其系统复杂度却较定推力单组元燃气发生器子系统要高很多。变推力单组元挤压式燃气发生器子系统、变推力双组元挤压式燃气发生器子系统分别在定推力单组元燃气发生器子系统、定推力双组元燃气发生器子系统中设置了集成针栓式流量调节部件的推力室部件，或可调文氏管，或流量调节阀，或快速脉冲工作的电磁阀。副系统式燃气发生器子系统中设置有双组元燃气发生器，双组元燃气发生器的氧化剂入口及燃料入口分别与氧化剂增压泵出口及燃料增压泵出口相连。所述双组元燃气发生器中可设置用于调节系统推力的集成针栓式流量调节部件，或在系统中设置可调文氏管，或流量调节阀，或快速脉冲工作的电磁阀，其能够实现多次启动与变推力，其具有结构简单的特点，但其与主系统间存在耦合，因此存在一定的控制难度。具体地，变推力单组元泵压式燃气发生器子系统包括单组元推进剂贮箱、增压泵、单组元燃气发生器、电机，所述单组元推进剂贮箱出口与增压泵入口相连，增压泵出口与单组元燃气发生器入口相连，单组元燃气发生器出口通过管路与涡轮入口相连。电机与增压泵传动连接并提供动力，由于单组元发动机具有在很宽的压力范围内工作的特性，因此只需要改变泵速来调节系统压力、流量即可达到适应变推力工况的作用，是所有方案中适应变推力工况最便捷的方式；其结构也比较简单。变推力双组元泵压式燃气发生器子系统包括子系统增压单元、双组元燃气发生器、第二电机。所述子系统增压单元包括第二氧化剂增压泵与第二燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电动火箭发动机系统，其特征在于，该系统包括推力室(1)、氧化剂增压泵(2)、燃料增压泵(3)、涡轮(4)、燃气发生器子系统(5)和电机(6)，/n所述氧化剂增压泵(2)和燃料增压泵(3)分别用于增压氧化剂和燃料，并将增压后的氧化剂和燃料混合通入所述推力室(1)；/n所述电机(6)传动连接所述燃料增压泵(3)与氧化剂增压泵(2)，作为系统启动、关机、变推力及工况调整的主动力；所述涡轮(4)传动连接所述电机(6)，并在稳态工况时降低所述电机(6)负荷；/n所述燃气发生器子系统(5)与所述涡轮(4)连接，提供高温高压燃气以驱动所述涡轮(4)。/n

【技术特征摘要】
1.一种电动火箭发动机系统，其特征在于，该系统包括推力室(1)、氧化剂增压泵(2)、燃料增压泵(3)、涡轮(4)、燃气发生器子系统(5)和电机(6)，
所述氧化剂增压泵(2)和燃料增压泵(3)分别用于增压氧化剂和燃料，并将增压后的氧化剂和燃料混合通入所述推力室(1)；
所述电机(6)传动连接所述燃料增压泵(3)与氧化剂增压泵(2)，作为系统启动、关机、变推力及工况调整的主动力；所述涡轮(4)传动连接所述电机(6)，并在稳态工况时降低所述电机(6)负荷；
所述燃气发生器子系统(5)与所述涡轮(4)连接，提供高温高压燃气以驱动所述涡轮(4)。


2.根据权利要求1所述的一种电动火箭发动机系统，其特征在于，所述的电机(6)与涡轮(4)设置一组或两组，
采用一组时，电机(6)同时传动连接氧化剂增压泵(2)与燃料增压泵(3)；
采用两组时，其中一电机(6)传动连接氧化剂增压泵(2)；另一电机(6)传动连接燃料增压泵(3)。


3.根据权利要求1所述的一种电动火箭发动机系统，其特征在于，所述涡轮(4)的出口直通大气或与推力室(1)的燃气入口连接。


4.根据权利要求1所述的一种电动火箭发动机系统，其特征在于，所述推力室(1)中设置用于调节系统推力的集成针栓式流量调节部件。


5.根据权利要求1-4任一项所述的一种电动火箭发动机系统，其特征在于，所述燃气发生器子系统(5)采用固体燃气发生器子系统(7)、定推力燃气发生器子系统、变推力挤压式燃气发生器子系统、副系统式燃气发生器子系统或变推力泵压式燃气发生器子系统中的一种；
其中，所述定推力燃气发生器子系统包括依次连接的气路增压部件、推进剂贮箱及燃气...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘恒娟，侯辉，
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