一种高可靠液体火箭发动机系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高可靠液体火箭发动机系统，包括控制系统、燃料泵一、氧化剂泵一、燃料泵二、氧化剂泵二、旋转储能装置、逆变器、电机和压力传感器；旋转储能装置一方面直接输出自身机械能，用于驱动燃料泵一与氧化剂泵一；另一方面将机械能转化为电能输入电机，用于驱动燃料泵二与氧化剂泵二；控制系统通过压力传感器实时监测燃烧室内的压力，并利用逆变器调节电机的输入电压，进而调节燃料泵二与氧化剂泵二的输送功率，从而使得燃烧室的压力保持在设定的恒定范围。本发明专利技术摒弃了传统液体火箭发动机中的燃气发生器和涡轮等结构复杂、加工难度大、工作环境恶劣、故障率较高的部件，从而使燃烧室稳定燃烧，保证了发动机系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种高可靠液体火箭发动机系统
本专利技术涉及液体火箭发动机领域，特别是一种高可靠液体火箭发动机系统。
技术介绍
运载火箭推力有多大，航天的舞台就有多大。液体火箭发动机中的燃烧不稳定问题一直困扰着发动机设计人员，是火箭发动机设计的难点所在。开式循环和闭式循环液体火箭发动机中燃气发生器或预燃室的燃烧不稳定问题频发。如图3所示，显示了目前世界上最先进的全流量分级燃烧液体火箭动力系统的示意图，其推进剂闭式循环供应系统包含富燃预燃室1'、富氧预燃室2'、燃料涡轮泵3'和氧化剂涡轮泵4'等多个复杂、低可靠性部件。上述涡轮泵设计复杂，涡轮承受高温、高压、高振动、高转速，因此其设计加工非常困难，可靠性较差，故障率居高不下。据统计，火箭发动机故障中约有一半左右是由涡轮泵导致的，是制约航天推进技术发展的痛点。液体火箭发动机推进剂供应系统自火箭发动机专利技术之后便无根本变化，渴求出现推进剂供应系统的颠覆性革新。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种高可靠液体火箭发动机系统，该高可靠液体火箭发动机系统采用旋转储能装置，从而摒弃了传统液体火箭发动机开式循环或闭式循环中的燃气发生器、预燃室、涡轮等结构复杂、加工难度大、工作环境恶劣、故障率较高的部件，彻底改变了传统液体火箭发动机设计，从根本上提高液体火箭发动机工作可靠性和推进剂快速调节能力。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种高可靠液体火箭发动机系统，包括控制系统和均与控制系统相连接的燃料泵一、氧化剂泵一、燃料泵二、氧化剂泵二、旋转储能装置、逆变器、电机和压力传感器。燃料泵一和燃料泵二均用于向液体火箭发动机的燃烧室输送燃料，氧化剂泵一和氧化剂泵二均用于向液体火箭发动机的燃烧室输送氧化剂。供应系统、喷注器和燃烧室内均设置有压力传感器。旋转储能装置一方面将直接输出自身机械能，用于驱动燃料泵一与氧化剂泵一。另一方面将机械能转化为电能输入电机，用于驱动燃料泵二与氧化剂泵二。其中，逆变器用于控制电机的输入电压。控制系统通过压力传感器实时监测供应系统、喷注器和燃烧室内的压力，并利用逆变器调节电机的输入电压，进而调节燃料泵二与氧化剂泵二的输送功率，从而使得燃烧室的压力保持在设定的恒定范围。旋转储能装置包括储能转子、转轴、真空仓和永磁无刷电机定子。储能转子同轴套设在转轴外周，真空仓同轴套设在储能转子的外周，且转轴两端分别从真空仓两端伸出，形成两个输出端，用于直接输出自身机械能，从而驱动燃料泵一与氧化剂泵一。永磁无刷电机定子同轴设置在储能转子外周的真空仓内壁面。储能转子中一体化设置有电机转子，电机转子和永磁无刷电机定子构成永磁无刷电机。转轴通过超导磁悬浮轴承与真空仓转动连接。转轴的输出端分别通过减速器与氧化剂泵一或燃料泵一相连接。转轴的输出端通过花键与减速器的输入轴花键连接。真空仓还包括两个辅助仓，两个辅助仓同轴套设在两个减速器输入轴的外周。每个辅助仓的一端密封连接在真空仓壳体外壁面上，另一端密封连接在减速器壳体上。储能转子采用碳纤维和铜纤维混合编织而成，能够承受400m/s的表面速度。储能转子为圆盘状结构采用等应力设计结构，储能转子的形状系数Ks为0.9～1，储能转子的储能密度e不小于230Wh/kg；在储能转子形状尺寸不变时，通过提高储能转子的储能密度e，从而提高储能转子的储存能量，进而减轻液体火箭发动机的整体重量。储能转子采用变截面锥壳或轮辐结构。控制系统根据设定的火箭推力，向减速器和逆变器输入控制信号，一方面，减速器根据控制信号调整燃料泵一与氧化剂泵一的转速，另一方面逆变器根据控制信号调节电机输入进而调节燃料泵二与氧化剂泵二的输送功率，两方面共同调节，实现氧化剂和燃料的流量调节，改变火箭推力。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术相对于传统的推进剂闭式循环发动机，采用先进高效的旋转储能装置代替燃气发生器、预燃室和涡轮等传统液体火箭发动机中高温、高压、高转速的高故障率部件，形成简单的直连式推进剂供应系统，大大简化发动机的推进剂增压输运方式，降低发动机故障发生概率，从根本上提高发动机可靠性。2、本专利技术的旋转储能装置一方面能实现机械能输出：旋转储能装置通过花键连接减速器、减速器通过花键连接燃料泵一与氧化剂泵一，变速器采用齿轮传动；另一方面能实现电能输出：通过储能转子励磁产生电能并输入到电机，逆变器根据控制信号控制电机输入，保证按需、平稳输出；电机与燃料泵二与氧化剂泵二之间采用花键连接。3、本专利技术能实现快速火箭推力调节：控制系统向减速器和逆变器输入控制信号，一方面，减速器根据控制信号调整转速进而调节燃料泵一与氧化剂泵一的转速，另一方面逆变器根据控制信号调节电机输入进而调节燃料泵二与氧化剂泵二的输送功率，两方面共同调节，实现氧化剂和燃料的流量调节，改变火箭推力。4、本专利技术能实现火箭发动机燃烧控制：控制系统通过采集、诊断发动机供应系统、喷注器、燃烧室内压力变化，一旦发现异常振荡立即向减速器和逆变器输入控制信号，改变发动机工况，实现火箭发动机内燃烧不稳定性的控制，保证发动机安全稳定。5、上述储能转子为一体化转子，采用碳纤维和铜纤维共同编织而成，碳纤维强度大，可满足高速旋转储能需求；而铜纤维导电，编织而成的储能转子通过励磁可将储能转子机械能转换为电能。这样的一体化设计，可高效利用空间，增大旋转储能装置的能量密度。附图说明图1显示了本专利技术一种高可靠液体火箭发动机系统的结构示意图。图2显示了本专利技术中旋转储能装置的结构示意图。图3显示了现有技术中全流量分级燃烧液体火箭动力系统的示意图。其中有：1'.富燃预燃室；2'.富氧预燃室；3'.燃料涡轮泵；4'.氧化剂涡轮泵；10.燃烧室；11.氧化泵一；12.氧化泵二；13.燃料泵一；14.燃料泵二；20.控制系统；30.电机；31.逆变器；40.旋转储能装置；41.储能转子；42.真空仓；421.辅助仓；43.永磁无刷电机定子；44.转轴；45.超导磁悬浮轴承；46.内花键；50.减速器。具体实施方式下面结合附图和具体较佳实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本专利技术的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本专利技术的保护范围。如图1所示，一种高可靠液体火箭发动机系统，包括控制系统20和均与控制系统相连接的燃料泵一13、氧化剂泵一11、燃料泵二14、氧化剂泵二12、旋转储能装置40、逆变器31、电机30和压力传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高可靠液体火箭发动机系统，其特征在于：包括控制系统和均与控制系统相连接的燃料泵一、氧化剂泵一、燃料泵二、氧化剂泵二、旋转储能装置、逆变器、电机和压力传感器；/n燃料泵一和燃料泵二均用于向液体火箭发动机的燃烧室输送燃料，氧化剂泵一和氧化剂泵二均用于向液体火箭发动机的燃烧室输送氧化剂；供应系统、喷注器和燃烧室内均设置有压力传感器；/n旋转储能装置一方面将直接输出自身机械能，用于驱动燃料泵一与氧化剂泵一；另一方面将机械能转化为电能输入电机，用于驱动燃料泵二与氧化剂泵二；其中，逆变器用于控制电机的输入电压；/n控制系统通过压力传感器实时监测供应系统、喷注器和燃烧室内的压力，并利用逆变器调节电机的输入电压，进而调节燃料泵二与氧化剂泵二的输送功率，从而使得燃烧室的压力保持在设定的恒定范围。/n

【技术特征摘要】
1.一种高可靠液体火箭发动机系统，其特征在于：包括控制系统和均与控制系统相连接的燃料泵一、氧化剂泵一、燃料泵二、氧化剂泵二、旋转储能装置、逆变器、电机和压力传感器；
燃料泵一和燃料泵二均用于向液体火箭发动机的燃烧室输送燃料，氧化剂泵一和氧化剂泵二均用于向液体火箭发动机的燃烧室输送氧化剂；供应系统、喷注器和燃烧室内均设置有压力传感器；
旋转储能装置一方面将直接输出自身机械能，用于驱动燃料泵一与氧化剂泵一；另一方面将机械能转化为电能输入电机，用于驱动燃料泵二与氧化剂泵二；其中，逆变器用于控制电机的输入电压；
控制系统通过压力传感器实时监测供应系统、喷注器和燃烧室内的压力，并利用逆变器调节电机的输入电压，进而调节燃料泵二与氧化剂泵二的输送功率，从而使得燃烧室的压力保持在设定的恒定范围。


2.根据权利要求1所述的高可靠液体火箭发动机系统，其特征在于：旋转储能装置包括储能转子、转轴、真空仓和永磁无刷电机定子；
储能转子同轴套设在转轴外周，真空仓同轴套设在储能转子的外周，且转轴两端分别从真空仓两端伸出，形成两个输出端，用于直接输出自身机械能，从而驱动燃料泵一与氧化剂泵一；
永磁无刷电机定子同轴设置在储能转子外周的真空仓内壁面；储能转子中一体化设置有电机转子，电机转子和永磁无刷电机定子构成永磁无刷电机。


3.根据权利要求2所述的高可靠液体火箭发动机系统，其特征在于：转轴通过超导磁悬浮轴承与真空仓转动连接。


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【专利技术属性】
技术研发人员：聂万胜，王辉，仝毅恒，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京;11