[發明專利]一種應用于液體火箭的三合氣增壓系統

有效

• 申請號: 201610743677.3
• 申請日: 2016-08-26
• 公開（公告）號: CN106194500B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 帥彤;張立強;修建生;周浩洋;吳俊峰;杜正剛;李德權;馬方超;吳姮;孫善秀;王劍中;王道連;丁建春
• 申請（專利權）人: 北京宇航系統工程研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: F02K9/50
• 分類號: F02K9/50;F02K9/60
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 龐靜

技術領域

本發明涉及一種輕質高效的液體運載火箭推進劑貯箱增壓系統的技術方案及設計方法。

背景技術

運載火箭在飛行過程中，隨著推進劑的被輸送到發動機燃燒，推進劑貯箱中的氣枕逐漸增大，如果氣枕中氣體量不增加，氣枕壓力會逐漸降低。而推進劑進入火箭發動機需要的一定壓力，以及火箭貯箱維持一定剛度的需求，需對推進劑貯箱氣枕進行持續的補氣，以維持貯箱的壓力，這就是運載火箭增壓系統所完成的任務。常見的運載火箭貯箱增壓系統按介質來源可分為兩大類，一類采用推進劑以外的介質，通常為氦氣或氮氣等惰性氣體，這類增壓系統通常需攜帶單獨的介質貯罐，例如高壓氣瓶或者液體貯罐，高壓氣瓶中的氣體通過減壓進入推進劑貯箱給貯箱增壓，有時為減少介質攜帶量，通過利用火箭發動機的能量給介質加熱以提高介質能量；另一類采用推進劑自身或者推進劑燃燒后的產物給貯箱增壓，通常稱為自生增壓式，一小部分推進劑通過發動機中的換熱器加熱，生成高溫高壓氣體，進入相應的推進劑貯箱進行增壓，或者直接引一部分燃氣通過換熱器降溫，進入貯箱增壓。

根據火箭性能要求，特別是火箭選用的推進劑類型，運載火箭通常會采用上面一種或多種增壓方式。氣瓶貯氣增壓不受推進劑類型影響，適用范圍廣。但未經過加熱的常溫高壓氣瓶增壓系統，由于氣體密度低，需要的氣瓶數量多，系統結構質量大。而經過加熱的氣體增壓系統相比常溫高壓氣瓶，氣瓶攜帶數量減少，但是加熱需通過火箭發動機，系統復雜，系統間耦合程度高，可靠性較低。自生增壓系統適用于低溫推進劑如液氫、液氧以及肼類和四氧化二氮等常溫推進劑。同樣，自生增壓系統間耦合程度高，雖然沒有氣瓶等的額外質量，但除小分子量的推進劑液氫外，其余推進劑氣化后的增壓氣體質量都遠大于火箭上常用的增壓介質氦氣，因此消耗的推進劑總量大，整體質量效率不高，但系統相對于氣瓶加熱增壓的系統更為簡單。另外，無論是自生增壓還是通過發動機加溫的氣瓶增壓，由于火箭發動機都位于火箭最后端，而氣瓶和增壓氣體入口通常在貯箱頂部，增壓系統需要跨越整個火箭推進劑貯箱，跨度大，管路走向復雜。同時，由于加溫系統或換熱器集成在發動機中，增壓系統研制時無法進行分系統試驗，增壓系統設計正確性在系統研制階段難以通過地面試驗進行驗證。

隨著我國航天產業的發展及運載火箭多樣化需求，火箭增壓系統既要滿足高可靠、高效率的性能需求，還要具備重量輕、成本低的特點，這對增壓系統的設計帶來了全新的挑戰。傳統的增壓方式或多或少都無法滿足高效低質量的特點，尋求更高效同時更低質量的增壓方式，是未來低成本高運力運載火箭系統方案的需求之一。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種應用于液體火箭的三合氣增壓系統。

本發明的技術解決方案是：一種應用于液體火箭的三合氣增壓系統，：包括混合氣瓶、氧氣瓶、流量控制單元和催化床；

混合氣瓶中預先存儲惰性氣體和氫氣的混合氣體；氧氣瓶中存儲氧氣；兩個氣瓶通過流量控制單元控制氣瓶內氣體輸出的流量，輸出的氦氣、氫氣以及氧氣的混合氣體通過催化床進行催化反應，氧氣和氫氣反應后生成水蒸氣并釋放熱量，將惰性氣體、水蒸氣和反應剩余的氧氣加溫后進入貯箱增壓。

所述的流量控制單元的設計步驟如下：

第一步，根據火箭飛行中貯箱增壓壓力的需求，計算出需求的增壓氦氣流量和溫度狀態；

第二步，根據計算所需的增壓惰性氣體流量及溫度狀態與惰性氣體初始存儲狀態的差異，計算惰性氣體所需的加熱量；

第三步，根據計算獲得的加熱量，對比氫氧催化反應的放熱量，計算獲得氫氣氧氣的供氣量；

第四步，根據計算的惰性氣體、氫氣、氧氣供氣量，確定惰性氣體、氫氣的混合比例，根據結構設計需求選擇惰性氣體氫氣混合氣、氧氣各自的存儲壓力；

第五步，根據惰性氣體氫氣、氧氣的存儲壓力及流量需求，確定滿足上述流量控制的流量控制單元。

氦氫氣瓶浸泡在液氧推進劑中，氧氣瓶常溫存儲。

所述的流量控制單元包括過濾器、電磁閥、孔板、壓力傳感器、控制單元；電磁閥和孔板串聯構成一個供氣通路，混合氣體以及氧氣供氣通路的數量及孔板大小根據混合氣體、氧氣的存儲壓力及流量需求以及增壓壓力帶的控制精度確定；多個供氣通路并聯構成混合氣體或氧氣的供氣通路；供氣通路的上游通過過濾器連接相應的氣瓶，下游進入催化床；壓力傳感器測量貯箱內的氣枕壓力，控制單元根據氣枕壓力控制每個供氣通路電磁閥的開啟或關閉，使進入催化床的氣體流量、壓力滿足要求。

催化床安裝在貯箱內部位于液面之上。

所述的催化床內采用鍍銀球形催化劑顆粒填充。