燃料和氧化剂预混的液体火箭发动机系统的制作方法

本发明属于液体火箭发动机领域，涉及燃料和氧化剂预混的液体火箭发动机系统。

背景技术：

商业火箭发展前景广阔，近年来，液氧甲烷等新技术得到快速发展，部分液体火箭发动机的燃料和氧化剂在特定情况下能够安全预混或部分预混，例如液氧甲烷在低温深冷情况下的部分预混。

液体火箭发动机的燃料和氧化剂预混后，可以简化火箭发动机各系统结构，从而提升液体火箭发动机系统可靠性，降低火箭发动机自身重量，提高火箭内部空间利用效率，提升液体火箭发动机性能指标。

预混式燃烧、完全预混式燃烧、催化燃烧在工业领域应用成熟，在液体火箭发动机领域，为满足火箭在不同工况下的需求，通常在多级火箭中配备不同推进剂的发动机，预混案例较少，例如中国专利cn112628018a、cn112360647a中，系统对燃料和氧化剂分别进行增压控制，未进行预混。

技术实现要素：

本发明在液体火箭发动机应用燃料和氧化剂预混方案，可以简化火箭发动机各系统结构，有利于液体火箭发动机同时使用多种燃料和氧化剂，为液体火箭发动机的设计开发提供一种新的方向，推动液体火箭发动机技术进一步发展。

本发明所述预混式液体火箭发动机，包含部分预混式（或称为分级预混式）和全预混式，部分预混式为燃料预混一部分氧化剂，或者氧化剂预混一部分燃料，再进入推力室进行二次混合燃烧，全预混式为按设计燃烧比例完全预混后进入推力室。

本发明所述预混式液体火箭发动机，包含单燃料与氧化剂的预混，多燃料与氧化剂的预混，多种燃料与多种氧化剂预混的液体火箭发动机。

本发明所述预混式液体火箭发动机，包含在发动机内设置预混装置的预混方式，也包含在储料箱存储预混推进剂的方式。

本发明的目的通过下述方案实现：

图1表述燃料部分预混的液体火箭发动机系统，系统包含富氧单元、发生器单元、燃料单元、启动单元、推力室，预混部分燃料的氧化剂称为富氧，预混部分氧化剂的燃料称为富燃，为避免主涡轮（02）工作温度过高，发生器单元采用富氧或富燃的燃烧方式。

1）所述富氧单元包含高压阻火器（05）、富氧控制装置（06）、富氧泵（07）、低压阻火器（08）、富氧单向阀（09）及配套管道；

液态富氧（101）流经富氧单向阀（09）、低压阻火器（08）进入富氧泵（07）增压，达到发生器单元所需的压力，通过富氧控制装置（06）进行调节，然后经高压阻火器（05）进入发生器单元。

2）所述发生器单元包含主涡轮（02）、燃气发生器（04）、富氧泵（07）、燃料泵（11）及配套管道；

富氧进入燃气发生器（04）燃烧膨胀驱动主涡轮（02）做功，然后进入推力室燃烧，主涡轮（02）带动富氧泵（07）、燃料泵（11）做功，提升液态富氧（101）、液态燃料（201）压力满足推力室燃烧要求。

3）所述燃料单元包含燃料单向阀（10）、燃料泵（11）、燃料控制装置（12）及配套管道，液态燃料（201）流经燃料泵（11）增压，达到推力室所需的压力，经燃料控制装置（12）进行调节，然后经推力室外侧换热后进入推力室参与燃烧。

4）启动单元包含启动装置（03）、主涡轮（02）、富氧泵（07）、燃料泵（11），发动机启动时由启动装置驱动主涡轮，使发动机系统达到工作条件。

5）本发明氧化剂中预混的燃料与液态燃料（201）可以是同一种燃料，也可以是不同燃料。

6）预混燃料与氧化剂的比例，依据发生器富氧燃烧所需比例确定。

本发明提供一种氧化剂部分预混的液体火箭发动机系统，如图2所示，系统包含富燃单元、发生器单元、氧化剂单元、启动单元、推力室，预混部分氧化剂的燃料称为液态富燃，发生器单元采用富燃燃烧的方式，富燃燃烧膨胀驱动主涡轮（02）做功，然后进入推力室燃烧，主涡轮（02）带动富燃泵（22）、液氧泵（25）做功，液氧（211）流经液氧泵（25）增压，达到推力室所需的压力，经氧气控制装置（12）进行调节，然后经推力室外侧换热后进入推力室参与燃烧。

本发明提供一种内置预混装置的液体火箭发动机系统，如图3所示，系统包含预混单元、富氧单元、发生器单元、燃料单元、启动单元、推力室，发生器单元采用富氧燃烧方式，可以在发动机内部先预混富氧，再参与后续的增压燃烧。

本发明提供一种全预混泵压式的液体火箭发动机系统，如图4所示，燃料和氧化剂在储料箱按比例完全预混，经过单向阀(41)、阻火器(08)后进入增压泵(42)升压，达到推力室所需压力，经过推进剂控制阀（44）调节，经高压阻火器(05)后进入推力室(01)燃烧。

本发明提供一种全预混挤压式的液体火箭发动机系统，如图5所示，燃料和氧化剂在储料箱(45)按比例完全预混，高压气体(302)挤压进入储料箱（45），储料箱达到推力室所需工作压力后，推进剂控制阀（44）打开，全预混推进剂流经单向阀，经过推进剂控制阀（44）调节，经高压阻火器（05）后进入推力室燃烧。

附图说明

图1是本发明一种燃料部分预混的液体火箭发动机实施例的示意图；

图2是本发明一种氧化剂部分预混的液体火箭发动机实施例的示意图；

图3是本发明一种内置预混装置的液体火箭发动机实施例的示意图；

图4是本发明一种全预混泵压式的液体火箭发动机实施例的示意图；

图5是本发明一种全预混挤压式的液体火箭发动机实施例的示意图。

图中，推力室—01、主涡轮—02、启动装置—03、燃气发生器—04、高压阻火器—05、富氧控制装置—06、富氧泵—07、低压阻火器—08、富氧单向阀—09、燃料单向阀—10、燃料泵—11、燃料控制装置—12、富燃控制装置—21、富燃泵—22、富燃单向阀—23、液氧单向阀—24、液氧泵—25、氧气控制装置—26、燃料预混装置—31、推进剂单向阀—41、推进剂增压泵—42、电动机—43、推进剂控制装置—44、储料箱—45；

液态富氧—101、高压富氧—102、液态燃料—201、高压燃料—202、启动气体—301、高压气体—302、液态富燃—111、高压富燃—112、液氧—211、高压氧气—212、液态全预混推进剂—121，高压全预混推进剂—122。

具体实施方式：

为使本发明特征更加清晰，以下结合附图，以液氧甲烷预混的单燃料液体火箭发动机，液氧甲烷预混煤油补燃的多燃料液体火箭发动机两种实施例做进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，本发明适用于燃料与氧化剂预混的液体火箭发动机应用场合。

实施例1：液氧甲烷预混的单燃料液体火箭发动机：

1．甲烷预混比例、预混富氧的存储温度，

1）甲烷反应方程式：ch4+2o2＝co2+2h2o，

2）理论混合比例：ch4:o2＝1:2，

3）甲烷预混比例：ch4:o2＝1:7，即甲烷体积分数12.5%，在甲烷爆炸极限（5.1%~61%）范围内，满足燃气发生器富氧燃烧要求，

4）液态富氧中混合比：lch4:lo2＝1:5.5（液态甲烷气化率630，液氧气化率800），

5）根据拉乌尔定律、道尔顿定律计算出富氧溶液气相的在不同温度下的状态参数，以此确定存储温度，详见表一，由表一可知，富氧液相甲烷含量在15.4％，温度在91k至109k区间存储时，富氧气相中甲烷体积分数在2.0％至2.8％，低于甲烷爆炸下限，因此预混后的富氧气相系统安全性是可控的，富氧存储温度与传统液体火箭液氧的存储温度相近。

表一富氧参数表

2．本实施例甲烷部分预混的液体火箭发动机工作原理：

1）附图1表述甲烷部分预混的液体火箭发动机示意图，图中推力室—01、主涡轮—02、启动装置—03、燃气发生器—04、高压阻火器—05、富氧控制装置—06、富氧泵—07、低压阻火器—08、富氧单向阀—09、甲烷单向阀—10、甲烷泵—11、甲烷控制装置—12、液态富氧—101、高压富氧—102、液态甲烷—201、高压甲烷—202、启动气体—301，系统包含富氧单元、发生器单元、燃料单元、启动单元、推力室；

2）预混甲烷的液态富氧（101）流经富氧单向阀（09）、低压阻火器（08）进入富氧泵（07）增压，达到发生器单元所需的压力，通过富氧控制装置（06）进行调节，然后经高压阻火器（05）进入发生器单元燃烧膨胀驱动主涡轮（02）做功，然后进入推力室燃烧；

3）主涡轮（02）带动富氧泵（07）、甲烷泵（11）做功，提升液态富氧（101）、液态甲烷（201）压力满足推力室燃烧要求；

4）液态甲烷（201）流经甲烷泵（11）增压，达到推力室所需的压力，经甲烷控制装置（12）进行调节，然后经推力室外侧换热后进入推力室补燃；

5）本实施例中氧化剂中预混的燃料与补燃的燃料都是甲烷，是同一种燃料。

实施例2：液氧甲烷预混煤油补燃的多燃料液体火箭发动机

1．预混比例、预混富氧存储温度：

本实施例中甲烷预混比例、预混富氧存储温度等条件与实施例1一致。

2．本实施例液氧甲烷预混煤油补燃的多燃料液体火箭发动机原理：

1）附图1表述甲烷部分预混的液体火箭发动机示意图，图中推力室—01、主涡轮—02、启动装置—03、燃气发生器—04、高压阻火器—05、富氧控制装置—06、富氧泵—07、低压阻火器—08、富氧单向阀—09、煤油单向阀—10、煤油泵—11、煤油控制装置—12、液态富氧—101、高压富氧—102、煤油—201、高压煤油—202、启动气体—301，系统包含富氧单元、发生器单元、燃料单元、启动单元、推力室；

2）预混甲烷的液态富氧（101）流经富氧单向阀（09）、低压阻火器（08）进入富氧泵（07）增压，达到发生器单元所需的压力，通过富氧控制装置（06）进行调节，然后经高压阻火器（05）进入发生器单元燃烧膨胀驱动主涡轮（02）做功，然后进入推力室燃烧；

3）主涡轮（02）带动富氧泵（07）、煤油泵（11）做功，提升液态富氧（101）、煤油（201）压力满足推力室燃烧压力要求；

4）煤油（201）流经煤油泵（11）增压，达到推力室所需的压力，经煤油控制装置（12）进行调节，然后经推力室外侧换热后进入推力室补燃；

5）本实施例中氧化剂中预混的燃料为甲烷，补燃的燃料都是煤油，是不同的燃料。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。