火箭发动机、火箭及火箭发动机的启动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及火箭发动机，特别涉及将烃作为燃料的液体火箭发动机。
【背景技术】
[0002]已知将烃作为推进剂的液体火箭发动机。该液体火箭发动机具备用于供给推进剂(氧化剂和烃)的涡轮泵。利用涡轮机的旋转来驱动该涡轮泵。该涡轮机将烃作为燃料，并利用在辅助燃烧器中产生的燃烧气体进行旋转，该辅助燃烧器例如将LOX(液氧LiquidOxygen)作为氧化剂，并被称作气体发生器(副燃烧器)。例如，在非专利文献I中公开了应用了这样的气体发生器循环的液体火箭发动机。
[0003]图1是表示记载在该非专利文献I中的液体火箭发动机的结构的概略图。在本图中，左上的图是应用了气体发生器循环的液体火箭发动机。在该火箭发动机中，使用燃料泵和氧化剂泵作为涡轮泵。燃料泵由燃料涡轮机驱动，氧化剂泵由氧化剂涡轮机驱动。而且，燃料涡轮机和氧化剂涡轮机由在气体发生器中燃烧的燃烧气体驱动。
[0004]在将这样的气体发生器循环应用于液体火箭发动机的情况下，存在以下问题点。第I问题点是需要一个额外的燃烧器。由于需要一个额外的燃烧器，所以可靠性有可能降低，成本也变高。第2问题点是驱动涡轮机的燃烧气体直接被排放掉。涡轮机驱动后的燃烧气体的能量未被有效利用而变成损失，因此能量损失大。第3问题点是对气体发生器要求极高的可靠性。尽管气体发生器由于伴随着燃烧而动作环境恶劣，但其故障对于火箭发动机来说是致命的。这是因为，在气体发生器发生故障的情况下，液体火箭发动机立刻失去涡轮机驱动力，从而燃料和氧化剂的供给变得困难。这样，火箭发动机的系统并不稳健(robust)ο
[0005]图1的右上的图是应用了分级燃烧循环的火箭发动机。在该火箭发动机中，在主燃烧器前设置预燃烧器，利用该预燃烧器的预燃烧气体，驱动燃料涡轮机和氧化剂涡轮机，并将该预燃烧气体供给到主燃烧器。在该情况下，由于将涡轮机驱动后的燃烧气体用于进一步燃烧，所以不会发生上述第2问题点。但是，使用所谓的预燃烧器的辅助燃烧器的情况并未改变，从而具有上述第I和第3问题点的情况也未改变。另外，图1的下方的图是应用了利用对液态氢进行气化而膨胀的膨胀循环的火箭发动机。该火箭发动机难以应用到使用烃作为燃料的火箭发动机中。
[0006]现有技术文献
[0007]非专利文献
[0008]非专利文献1:George P.Sutton, Oscar Biblarz, “Rocket Propuls1nElements”，Seventh Edit1n, John ffiley&Sons, Inc.p223 (Figure6 — 9), (2001).
【发明内容】
[0009]因此，本发明的目的在于提供可靠性更高且能量损失少的、将烃作为燃料的火箭发动机。并且，本发明的其他目的在于提供将烃作为燃料且稳健的火箭发动机。并且，本发明进一步的其他目的在于提供促进了燃料和氧化剂的混合、没有气体的排放、且燃烧效率提高的、将烃作为燃料的火箭发动机。
[0010]该发明的这些目的和除此之外的目的和优点可以通过以下的说明和附图而容易地确认。
[0011]本发明的火箭发动机具备:燃料流路、触媒部、涡轮机、第I泵、燃烧室和喷嘴。燃料流路用于烃类的燃料流通。触媒部设于燃料流路的途中，用于使燃料气化。涡轮机设于燃料流路的途中，由被气化的燃料驱动。第I泵利用涡轮机的驱动向燃料流路供给燃料。燃烧室使从燃料流路供给的被气化的燃料和氧化剂燃烧。喷嘴将燃烧室的燃烧气体送出，并与燃料流路的一部分进行热交换来进行冷却。
[0012]在上述火箭发动机中，燃料流路也可以具备第I路径和第2路径。第I路径将燃料在喷嘴进行热交换并在触媒层进行气化后导向燃烧室。第2路径将燃料直接导向燃烧室。燃烧室也可以使经由第I路径供给的气化的燃料和经由第2路径供给的燃料的混合燃料燃
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[0013]在上述火箭发动机中，触媒部也可以设在燃料流路的途中的与喷嘴进行热交换的部位处的燃料流路的内部。
[0014]在上述火箭发动机中，触媒部利用触媒将燃料热化学分解来进行气化。也可以利用热化学分解的吸热反应对喷嘴进行冷却。
[0015]在上述火箭发动机中，触媒部也可以以覆盖燃料流路的内壁的方式形成为层状。
[0016]在上述火箭发动机中，触媒部也可以设在燃料流路的途中的比与喷嘴进行热交换的部位更靠后段的位置。
[0017]在上述火箭发动机中，触媒部也可以由收纳在容器内的多颗触媒粒形成。
[0018]在上述火箭发动机中，还可以具备氧化剂流路和第2泵。氧化剂流路用于氧化剂流通至燃烧室。第2泵利用涡轮机的驱动向氧化剂流路供给氧化剂。涡轮机、第I泵和第2泵被连接在同一旋转轴上。
[0019]本发明的火箭具备火箭发动机、燃料箱和氧化剂箱。火箭发动机被记载在上述各段落中的一个段落。燃料箱与火箭发动机的燃料流路连接。氧化剂箱与火箭发动机的氧化剂流路连接。
[0020]本发明的火箭发动机的启动方法具备利用压力向燃烧室供给烃类的燃料和氧化剂、并使其燃烧的步骤。还具备如下步骤，当燃烧室通过燃烧而被加热时，利用压力，使燃料在通过热交换对喷嘴进行冷却的同时，向触媒部供给，而使燃料气化。
[0021]还具备利用被气化的燃料驱动涡轮机的步骤。还具备如下步骤，利用涡轮机驱动第I泵，并使燃料的一部分在通过热交换对喷嘴进行冷却的同时在触媒部进行气化。还具备利用涡轮机驱动第I泵，并向燃烧室供给剩余的燃料的步骤。还具备利用涡轮机驱动第2泵，并向燃烧室供给氧化剂的步骤。还具备使被气化的燃料、被供给的燃料、和被供给的氧化剂在燃烧室燃烧的步骤。
[0022]根据本发明，在将烃作为燃料的火箭发动机中，能够使可靠性更高，并能够减少能量损失。并且，在将烃作为燃料的火箭发动机中，能够提高稳健性。并且，在将烃作为燃料的火箭发动机中，促进了燃料和氧化剂的混合，没有气体的排放，能够使燃烧效率提高。
【附图说明】
[0023]图1是表示记载在非专利文献I中的液体火箭发动机的结构的概略图。
[0024]图2是表示第I实施方式的火箭发动机及应用它的火箭的结构的概略图。
[0025]图3是表示第I实施方式的火箭发动机的触媒部的一例的概略图。
[0026]图4是表示第I实施方式的火箭发动机的启动动作的流程图。
[0027]图5是表示第2实施方式的火箭发动机及应用它的火箭的结构的概略图。
【具体实施方式】
[0028]以下，关于本发明的实施方式的火箭发动机及应用它的火箭，参照附图进行说明。
[0029][第I实施方式]
[0030]对第I实施方式的火箭发动机及应用它的火箭的结构进行说明。图2是表示本实施方式的火箭发动机及应用它的火箭的结构的概略图。火箭I通过使烃燃料和氧化剂燃烧，并向后方喷出燃烧气体来进行飞行。火箭I具备火箭主体2和火箭发动机3。
[0031]火箭主体2具备燃料箱4、氧化剂箱5和控制部6。燃料箱4储存液态的烃燃料。燃料箱4基于控制部6的控制，通过气体加压等手段向火箭发动机3送出燃料。氧化剂箱5储存液态的氧化剂(例如:LOX)。氧化剂箱5基于控制部6的控制，通过气体加压等手段向火箭发动机3送出氧化剂。控制部6是以计算机为例的信息处理装置，具备未图示的处理装置(例如:CPU)、存储装置(例如:RAM、ROM)和接口。还可以具备输入装置(例如:键盘)和输出装置(例如:显示器)。控制部6经由接口至少对燃料箱4、氧化剂箱5和火箭发动机3进行控制。
[0032]火箭发动机3从燃料箱4和氧化剂箱5供给液态的烃燃料和氧化剂，使这些燃料和氧化剂燃烧，并向后方喷出燃烧气体。火箭发动机3具备:燃料流路31?39、触媒部51、涡轮机12、第I泵11、第2泵13、燃烧室21、喷嘴22、氧化剂流路41?43、阀V1、阀V2和旋转轴14。
[0033]燃料流路31?39是用于烃燃料流通的流路(例如:配管)。触媒部51设于燃料流路31?39的途中，用于使燃料气化。涡轮机12设于燃料流路(31?39)的途中，由被气化的燃料驱动。第I泵11利用涡轮机12的驱动向燃料流路31?39供给燃料。第2泵13利用涡轮机12的驱动向氧化剂流路41?43供给氧化剂。第I泵11和第2泵13是涡轮泵。燃烧室21使从燃料流路31?39供给的燃料(包括被气化的燃料)和氧化剂燃烧。喷嘴22是将燃烧室21的燃烧气体送出的火箭喷嘴。并且，与燃料流路31?39的一部分进行热交换而被冷却。氧化剂流路41?43是用于氧化剂流通至燃烧室21的流路(例如:配管)。阀Vl基于控制部6的控制，在燃料流路31?39中，向直接向燃烧室21供给燃料的路径和在与喷嘴22的热交换后向燃烧室21供给燃料的路径中的至少一方供给燃料，或者，停止燃烧的供给。阀V2基于控制部6的控制，在氧化剂流路41?43中，向燃烧室