[發明專利]一種可回收液體火箭發動機的多次起動系統及起動方法

在審

• 申請號: 201910576885.2
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110219751A
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 韓建業;袁宇;韋華;張春本
• 申請（專利權）人: 藍箭航天空間科技股份有限公司
• 主分類號: F02K9/95
• 分類號: F02K9/95
• 代理公司: 北京科石知識產權代理有限公司 11595
• 代理人: 徐紅崗

本發明公開了一種可回收液體火箭發動機的多次起動系統，主要包括推進劑管路、增壓氣體管路、壓力容器、推力室點火器、發生器點火器、渦輪泵起動器、推力室、燃氣發生器和渦輪泵；推進劑管路連接至壓力容器的推進劑加注口；增壓氣體管路連接至壓力容器的增壓入口；壓力容器的出口連接三條支管路，分別為：經推力室點火器連接推力室、經發生器點火器連接燃氣發生器、經渦輪泵起動器連接渦輪泵。本發明還公開了上述多次起動系統的起動方法。本發明的多次點火起動系統的控制簡單、可靠、系統整體質量小、維護方便，可以實現液體火箭發動機多次起動需要推力室和發生器多次點火，渦輪泵多次起旋。滿足火箭減速和著陸控制，實現火箭回收再利用。

技術領域

本發明屬于液體火箭發動機技術領域，具體涉及一種可回收液體火箭發動機的多次起動系統及起動方法。

背景技術

液體火箭發動機是液體運載火箭及航天器的主要動力裝置，具有性能高、推力大、適應性強、技術成熟等優勢。

現今液體火箭發動機多采用了液氫/液氧、液氧/甲烷、液氧/煤油這類無毒推進劑，但這類推進劑組合屬于非自燃推進劑，在發動機起動過程中需要利用點火裝置將進入燃燒室和燃氣發生器的推進劑點燃。成熟型號中廣泛采用的推力室和發生器點火裝置包括火藥點火器、火炬點火器、自燃點火劑等，主要特點分別如下：

采用火藥點火器實現一次點火功能，通過并聯多個火藥點火器的方式可以實現多次起動。這種方式的缺點是火藥點火器為一次性產品，無法多次重復使用，且生產成本較高，另外增加點火器數量后占用總裝空間較大，對總裝空間要求高，從而限制了多次起動的次數。

火炬點火器由點火室、噴嘴和火花塞構成。火花塞點燃進入點火室的少量推進劑，生成高溫燃氣流(火炬)進入主燃燒室，點燃主流推進劑。火炬式點火器通常設置于噴注器中央，可以采用氣體或液體介質。火炬點火器容易實現多次點火，但點火室的介質供應系統相對復雜，需增設火炬式點火器的供應管路、控制管路、火花塞電氣系統。

自燃點火劑采用三乙基鋁和三乙基硼的混合物，可在液氧與氣氧介質中可靠點火。該點火劑常用于液氧/煤油發動機，采用膜片密封的形式預置于煤油管路中，煤油充填過程中液體壓力沖破膜片并推擠點火劑，進入燃燒室遇氧點火。點火劑的冰點約-52℃，用于液氫/液氧、液氧/甲烷發動機時不能采用在燃料管路中預存的辦法，可以單獨配一套擠壓供應裝置與管路，直接擠入燃燒室中。一方面，由于三乙基鋁具有強烈的刺激和腐蝕作用，主要損害人體呼吸道和眼結膜，高濃度吸入可導致肺水腫；另一方面，三乙基硼在空氣中可以自燃，具有高毒和強腐蝕性。因此自燃點火劑的安全管理要求較高，使用維護麻煩。

但以上液體火箭發動機采用的點火方案都只適用于一次點火起動。

為降低火箭發射成本，要求液體火箭具備可回收能力。可回收火箭技術要求用于液體火箭的液體火箭發動機具備3-4次重復起動能力，以便滿足火箭減速和著陸控制的要求。多次起動發動機的起動環境條件為高真空和微重力(失重)，所以必須保證高真空下點火可靠，并需在慣性滑行期間對貯箱內的推進劑進行管理。

多次起動液體火箭發動機通常采用強迫起動的方式，能夠滿足多次點火起動條件，即通過外部能源使渦輪泵起旋。強迫起動方式的液體火箭發動機，渦輪泵起動到一定工況后再給發生器點火，從而加快起動速度，同時保證起動一致性。按照外部能源分類，強迫方式的起動器包括固體起動器、氣體起動器、液體起動器，主要特性如下：

固體起動器采用火藥藥柱產生高溫燃氣驅動渦輪，并聯或串聯多個藥柱便能實現多次起動，但起動次數依賴于藥柱的數量，受到空間布局的限制。

氣體起動器使用高壓氣體驅動渦輪。起動次數取決于氣瓶容積或個數，配置大流量減壓器可更充分地利用氣瓶介質。推力室采用低溫冷卻劑的發動機可以將冷卻套出口的氣體充灌氣瓶用于下次起動。對于推力量級較大的火箭發動機，需要的氣瓶容積較大。