一种基于推进剂自增压技术的液体动力装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于推进剂自增压技术的液体动力装置，属于动力系统总体技术领域。

背景技术：

为降低运载火箭结构重量，需要尽可能设计较低的贮箱压力以控制增压系统规模及贮箱壁厚。我国运载火箭低温输送系统设计目前主要基于常规火箭设计方法和研制经验，对于压力临近饱和蒸汽压、高流速、复杂流动增压动力系统总体技术相对落后，系统、结构效率相对较低。据资料可知，以美国半人马座为代表的先进火箭已实现低温贮箱饱和蒸汽压自增压技术，对于压缩增压系统规模、减轻结构重量、优化使用维护性、提高运载能力意义显著。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是：针对目前现有技术中，缺少压力临近饱和蒸汽压、高流速、复杂流动增压动力系统的问题，提出了一种基于推进剂自增压技术的液体动力装置。

本实用新型解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于推进剂自增压技术的液体动力装置，包括贮箱、气蚀管、循环增压液流阀、循环增压电动泵、换热器、增压单向阀、电机、氢燃料电池、主增压电磁阀、辅增压电磁阀、主增压喷嘴、辅增压喷嘴、先导式安全阀、温度传感器、气液分离器，所述贮箱输出端与气蚀管一端相连，所述气蚀管另一端与循环增压电动泵相连，所述循环增压液流阀设置于气蚀管、循环增压电动泵间，所述循环增压电动泵通过电机驱动，所述电机以氢燃料电池供电，所述循环增压电动泵与换热器相连，所述换热器、增压单向阀分别连接于气液分离器输入端、输出端，所述增压单向阀通过主增压电磁阀、辅增压电磁阀分别连通主增压喷嘴、辅增压喷嘴，主增压喷嘴、辅增压喷嘴均设置于贮箱上，贮箱上还设置有先导式安全阀及五处温度传感器。

所述贮箱内壁设置有肋板，所述肋板的肋型、肋高、肋宽均根据贮箱温度分层情况确定。

所述贮箱温度分层情况根据不同位置的温度传感器测量确定。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

本实用新型提供的一种基于推进剂自增压技术的液体动力装置，摒弃了补压及增压气瓶，无需借助发动机系统，通过优化贮箱出流结构，有效利用输送管内的位能，降低贮箱增压系统对气枕压力的要求，同时通过推进剂循环增压系统及贮箱内壁面换热控制技术，管理推进剂流-固、气-流界面温度工作在饱和态，实现动力系统的自增压，适用于所有低温推进剂及部分常规推进剂的动力系统，可满足发动机泵入口压力及结构载荷压力需求。

附图说明

图1为实用新型提供的液体动力装置结构组成示意图；

图2为实用新型提供的贮箱内壁面传热肋板结构示意图；

具体实施方式

一种基于推进剂自增压技术的液体动力装置，从动力总体设计的角度，采用新的设计方法和设计理念，设计了一种对增压能力要求更低、为发动机提供更高入口压力条件的高性能，高可靠液体动力装置，具体包括：

贮箱1、气蚀管2、循环增压液流阀3、循环增压电动泵4、换热器5、增压单向阀6、电机7、氢燃料电池8、主增压电磁阀9、辅增压电磁阀10、主增压喷嘴11、辅增压喷嘴12、先导式安全阀13、温度传感器14、气液分离器15，根据液体动力装置的特性，进行整体的自增压管路设计，与现有技术相比，实现了对下列功能的改进：

1、贮箱内壁面换热控制

基于现有贮箱1结构设计，如图2所示，在贮箱1内壁设计肋板，满足贮箱1结构强度、刚性和稳定性的同时提高贮箱1内壁与推进剂的换热能力，通过对肋型、肋高和肋宽的设计，强化壁面汽泡的生长控制，加强流-固交界处的流动速度，降低贮箱1内的温度分层效果，降低动力系统对外能源增压的需求，以实现动力系统的自增压；

2、推进剂循环增压

火箭飞行段贮箱1表面热流最高可以达到数百千瓦每立方米，利用底部热流对介质进行循环加温蒸发，对气枕进行补充，依据飞行需要实现对贮箱1的在特定时间增补压。同时通过推进剂的贮箱1内的主动循环，减弱推进剂贮箱1内的温度分层，配合贮箱1内壁面换热提高贮箱1自增压能力，满足发动机入口压力要求；

3、贮箱出流装置管路空化抑制

由于贮箱1自增压动力系统，需要尽量维持推进剂在饱和态。而出流防塌装置是进入发动机前最大的流阻元件，抑制此处及其下游管路的空化，可有效利用发动机入口前管路的介质由位能转换出的压能，以满足发动机入口压力的需求。

液体动力装置的飞行增压状态分为发动机工作段增压、基础级发动机起动段增压、滑行段增压三种状态，其中：

发动机工作段增压状态下，贮箱主要增压气介质源于推进剂饱和态的蒸发，推进剂循环增压系统在推进剂温度低于或换热器高于门限值时触发工作，同时主辅增双路控制增压流量满足增压需求，配合先导式安全阀，调整安全阀打开门限实现增压能力应用的最大化；

在此状态下，推进剂循环增压系统受到发动机工作中热辐射的影响，其增压能力可以有效补充通过贮箱换热推进剂的自增压。

基础级发动机起动主要通过射前增压为主，推进剂循环增压为辅的增压循环方式。

滑行段增压状态下，滑行飞行段，主要通过贮箱内壁换热实现对贮箱的增压，通过对推进剂循环增压系统换热器热辐射环境及贮箱压力、推进剂温度，综合考虑燃料电池的循环做功能力，判断对循环增压系统的起停逻辑，满足发动机二次起动的需求。

在自增压过程中，推进剂不断吸收潜热汽化，利用推进剂循环增压系统及贮箱壁面换热技术对推进剂温度进行管理，使推进自增压能力满足发动机入口压力需求；

飞行过程中贮箱1内推进剂不同温度的分层进行采集，对推进剂自增压状态进行动态评估，控制推进剂循环增压系统起动；

监测推进剂循环系统换热器5的热环境，与循环流量形成闭式反馈系统满足增压需求；

结合飞行时序对自增压系统工作状态进行控制，如滑行段适时进行推进剂循环系统等；

全箭动力系统统一供配电，采用燃料电池对飞行中的增压循环泵及其他电子元原件供电，燃料电池可通过氢动力模块实现能能源补充；

采用先导式贮箱安全阀，根据飞行时序设计安全阀打开门限，精确管理推进剂排放；

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在本实施例中，如图1所示，贮箱1输出端与气蚀管2一端相连，所述气蚀管2另一端与循环增压电动泵4相连，所述循环增压液流阀3设置于气蚀管2、循环增压电动泵4间，所述循环增压电动泵4通过电机7驱动，所述电机7以氢燃料电池8供电，所述循环增压电动泵4与换热器5相连，所述换热器5、增压单向阀6分别连接于气液分离器15输入端、输出端，所述增压单向阀6通过主增压电磁阀9、辅增压电磁阀10分别连通主增压喷嘴11、辅增压喷嘴12，主增压喷嘴11、辅增压喷嘴12均设置于贮箱1上，贮箱1上还设置有先导式安全阀13及五处温度传感器14。

贮箱1内壁设置有肋板，所述肋板的肋型、肋高、肋宽均根据贮箱温度分层情况确定，贮箱温度分层情况根据不同位置的温度传感器测量确定。

自增压液体动力装置的具体工作流程如下：

在发动机工作段增压状态由贮箱1箱壁上的强化换热对贮箱内的推进剂进行加热，由推进剂汽化提供部分增压气，同时由以氢燃料电池8供电的电机7驱动循环增压电动泵4，利用发动机工作时产生的热辐射热源对抽出的推进剂进行加温，经由主增压电磁阀9、辅增压电磁阀10进入贮箱产生增压能力，主增压电磁阀9产生的增压气会进一步强化贮箱1的换热，以满足发动机的增压需要，系统通过气蚀管2与主增压喷嘴11、辅增压喷嘴12控制增压流量，循环增压液流阀3、主增压电磁阀9、辅增压电磁阀10控制并调节增压系统的工作，通过温度传感器14测量贮箱不同位置的温度，气液分离器15进行气液分离，增压单向阀6控制推进剂单向输送。

基础级发动机起动及滑行段的增压，本系统主要通过贮箱1的强化换热性能提供增压。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。