【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，属于火箭发动机。
技术介绍
1、甲烷闭式膨胀循环发动机以甲烷为工质，经过甲烷泵增压后进入推力室夹套吸热汽化成为气甲烷，驱动涡轮工作，为甲烷泵和氧泵提供功率。该发动机没有副系统和高温燃气路，全部推进剂用于产生推力，避免了涡轮端高温热应力不利影响，具有比冲高、系统简单和固有可靠性高的优点，具备贮箱压力下自身起动的能力，可用于高性能上面级的主动力装置。贮箱压力和推力室夹套热容是起动过程的主要能量来源，若贮箱压力或夹套温度较低时，则驱动涡轮的能量不足，发动机推力爬升过程减缓、起动加速性减慢，对飞行任务不利。
2、甲烷闭式膨胀循环发动机常用的预冷方法有排放预冷和循环预冷。排放预冷系统简单，但推进剂消耗量较大，对上面级的运载能力有损失。循环预冷不消耗推进剂，可分为自然循环预冷及强迫循环预冷。自然循环预冷系统相对简单，不需要额外的能源，但是受重力影响较大，仅适用于地面或有过载的基础级；强迫循环预冷受重力影响小，适用于微重力环境，但是需要单独的循环泵和额外的能源，新增组件重量会降低有效载荷。
3、飞行工作过程中，发动机的阀门控制、调节、数据采集传输及故障诊断等工作需要供电，循环预冷泵工作需要电能驱动，火箭姿态控制需要伺服机构动作，需要额外电源或气源，均对箭上提出了供电需求或供气需求。传统火箭采用大的蓄电池供电或发动机供气，由于蓄电池能量密度低、重量高，伺服用气消耗，严重降低了上面级的运载能力。
技术实现思路
1、
2、本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：
3、一种启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，包括：
4、液氧泵、涡轮、启发电机、甲烷泵同轴并集成为一个整体，液氧通过液氧入口进入液氧泵增压后，经过氧预冷阀进入换热器与气甲烷换热，经氧循环出口排出，用于液氧贮箱自生增压；经过氧电动调节阀进入推力室，用于与甲烷燃烧产生推力；液甲烷通过液甲烷入口进入甲烷泵增压后，进入推力室的冷却夹套中吸热气化，经过甲烷预冷阀进入换热器中与液氧换热，从甲烷循环出口排出，用于液甲烷贮箱自生增压；冷却夹套中的气甲烷驱动涡轮产生输出功率，然后经过甲烷电动调节阀进入推力室中；液氧和甲烷在推力室中燃烧产生高温、高压气体，进一步加热冷却夹套的内壁，并高速喷出产生推力；进入涡轮的甲烷温度和压力升高，带动液氧泵、甲烷泵和启发电机加速旋转，使得液氧和甲烷进一步增压，同时启发电机按需输出电能。
5、本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：
6、1)采用启发电机、液氧泵、涡轮、甲烷泵同轴设计并集成为一个整体，降低了结构重量，提高了系统集成度，有利于发动机结构布局优化；
7、2)采用启发电机驱动作为起动的辅助能源，降低了贮箱压力和冷却夹套热容对起动加速性的不利影响，提高了发动机起动过程的可控性；
8、3)微重力环境条件采用电机驱动主泵用于强迫循环预冷，无需配套甲烷和氧的电动循环泵，减少了结构死重，可实现甲烷和氧预冷零排放；
9、4)主级工作时，启发电机为蓄电池充电，箭上只需配套小电池即可实现充放电动态管理，并满足伺服机构供电和发动机电器产品用电要求，降低了电池结构重量，避免了气动伺服机构对推进剂的消耗；
10、5)发动机关机时，启发电机按照需要用作发电机或电动机，实现对关机过程的控制，避免关机过慢或者关机过快，提高发动机关机可靠性；
11、6)氧循环出口和甲烷循环出口分别连接氧贮箱和甲烷贮箱并用于自生增压，可减少增压气体用量；氧预冷阀、甲烷预冷阀均为电动阀，无需气动阀门动作所需的控制气路，且通过控制阀门开度可实现液氧和甲烷自生增压流量的控制调节，能够实现贮箱压力的闭式控制，进一步减少增压气体用量，实现减重；
12、7)氧电动调节阀、甲烷电动调节阀均为电动阀，无需气动阀门动作所需的控制气路，且通过控制阀门开度可调节进入推力室的氧和甲烷流量，实现发动机推力和混合比控制调节，有利于增强发动机的功能和多任务适应性。
13、8)本专利技术能够改善和控制甲烷闭式膨胀循环发动机的起动加速、关机减速过程，减少配套组件，降低结构死重，可实现甲烷和氧的零预冷消耗、贮箱压力闭式控制、推力和混合比控制调节，有效提高上面级运载能力。
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1.一种启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，甲烷闭式膨胀循环发动机采用强迫循环预冷方案，将发动机液氧泵和甲烷泵用作循环泵。
3.根据权利要求2所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，发动机预冷时，启发电机用作电动机，由蓄电池组输出电能，通过驱动变换模块控制启发电机旋转，同时带动液氧泵和甲烷泵旋转并使得液氧和液甲烷流动，预冷液氧泵和甲烷泵后，经过换热器交换热量后用于贮箱增压，气氧和气甲烷经过氧循环出口和甲烷循环出口分别回到氧贮箱和甲烷贮箱，完成强迫循环预冷。
4.根据权利要求1所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，发动机起动时，若贮箱压力偏低或者冷却夹套温度偏低导致起动加速性减缓，则由蓄电池组输出电能，通过驱动变换模块控制启发电机旋转并使得液氧泵和甲烷泵加速，启发电机作为涡轮的辅助能源，能够加快起动过程，提高发动机起动过程的可控性。
5.根据权利要求1所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环
6.根据权利要求5所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，控制氧预冷阀和甲烷预冷阀的开度，调节氧和甲烷自生增压流量，实现贮箱压力闭环控制。
7.根据权利要求5所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，调节氧电动调节阀和甲烷电动调节阀开度，实现发动机推力和混合比控制。
8.根据权利要求1所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，发动机关机时，启发电机既可用作发电机，又可用作电动机；若关机减速性过慢，则启发电机输出电能，通过驱动变换模块用于蓄电池组的充电。
9.根据权利要求8所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，若关机减速性过快，则蓄电池组输出电能，通过驱动变换模块控制启发电机，使得液氧泵和甲烷泵缓慢减速，避免减速过快，提高发动机关机可靠性。
10.根据权利要求1所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，甲烷闭式膨胀循环发动机采用强迫循环预冷方案，将发动机主泵作为循环泵，启发电机以电动机模式驱动主泵工作。
...【技术特征摘要】
1.一种启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，甲烷闭式膨胀循环发动机采用强迫循环预冷方案，将发动机液氧泵和甲烷泵用作循环泵。
3.根据权利要求2所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，发动机预冷时，启发电机用作电动机，由蓄电池组输出电能，通过驱动变换模块控制启发电机旋转，同时带动液氧泵和甲烷泵旋转并使得液氧和液甲烷流动，预冷液氧泵和甲烷泵后，经过换热器交换热量后用于贮箱增压，气氧和气甲烷经过氧循环出口和甲烷循环出口分别回到氧贮箱和甲烷贮箱，完成强迫循环预冷。
4.根据权利要求1所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，发动机起动时，若贮箱压力偏低或者冷却夹套温度偏低导致起动加速性减缓，则由蓄电池组输出电能，通过驱动变换模块控制启发电机旋转并使得液氧泵和甲烷泵加速，启发电机作为涡轮的辅助能源，能够加快起动过程，提高发动机起动过程的可控性。
5.根据权利要求1所述的启发电机在甲烷闭式膨胀循环发动机的应用方法，其特征在于，发动机工作时，启发电机用作发电机，通过驱动变换模块给蓄电池组充电，按...
【专利技术属性】
技术研发人员：李锦江，刘刚毅，吴瑾清，申帅帅，涂霆，陆嘉伟，李晗，
申请(专利权)人：北京航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：
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