一种多喷管液氧甲烷发动机系统的制作方法

1.本实用新型涉及火箭发动机技术领域，具体为一种多喷管液氧甲烷发动机系统。


背景技术：

2.液氧甲烷推进剂具有无毒环保、来源广泛、易于获取、性能高、成本低等特点。液氧甲烷发动机使用维护便捷，推力室冷却能力强、燃烧稳定，是未来可重复使用火箭及其发动机的发展方向。发动机喷管是液体火箭发动机动力输出和姿态控制的主要方式，常见的液体火箭发动机推进剂为常温或单低温介质，结构形式为单喷管状态。单喷管发动机通常存在体积大、重量大等特点，而且单喷管发动机的燃烧室的燃烧效率不稳定，一旦出现问题将会影响整个火箭的发射。
3.因此，为精准控制液氧甲烷发动机的姿态及动力输出，亟需设计一种多喷管液氧甲烷发动机系统。


技术实现要素：

4.针对相关技术中的上述技术问题，本实用新型提出一种多喷管液氧甲烷发动机系统，通过采用一个涡轮泵供应多台推力室的配置方案，确定多喷管发动机泵后供应管路配置形式，以精确控制各推力室充填推进剂流量的均匀分配，保证多喷管发动机同步起动的同时提升推进剂的燃烧效率，多喷管配合调资将大幅提高箭体姿态控制的稳定性。
5.本实用新型提供的一种多喷管液氧甲烷发动机系统，至少包括：氧泵、甲烷泵、与所述氧泵和甲烷泵连通的涡轮、以及分别与所述氧泵和所述甲烷泵连通的多个推力室；所述涡轮一端通过燃气发生管路分别与所述氧泵和所述甲烷泵连通，所述燃气发生管路设有燃气发生器，用于将甲烷和氧转化为高温高压燃气，并通过所述燃气发生管路输送至所述涡轮；所述涡轮另一端通过管路分别与所述氧泵和所述甲烷泵连通，用于为所述氧泵和所述甲烷泵增压，使氧和甲烷被供应到各推力室。
6.在一个实施例中，所述氧泵与各所述推力室之间设有氧输出主管路和多条氧输出支管路；所述氧输出主管路一端与所述氧泵连通，另一端与各所述氧输出支管路连通，各所述氧输出支管路与各所述推力室一对一连通。
7.在一个实施例中，所述甲烷泵与各所述推力室之间设有甲烷输出主管路和多条甲烷输出支管路；所述甲烷输出主管路一端与所述甲烷泵连通，另一端与各所述甲烷输出支管路连通，各所述甲烷输出支管路与各所述推力室一对一连通。
8.在一个实施例中，所述氧输出主管路设有氧均流器；所述氧均流器结构对称，根据各所述推力室位置确定所述氧均流器各出口角度，保证各所述推力室氧填充一致。
9.在一个实施例中，所述甲烷输出主管路设有甲烷均流器；所述甲烷均流器结构对称，根据各所述推力室位置确定所述甲烷均流器各出口角度，保证各所述推力室甲烷填充一致。
10.在一个实施例中，所述氧均流器上游设有氧主阀，用于控制各推力室内氧的供应。
11.在一个实施例中，所述甲烷均流器上游设有甲烷主阀，用于控制各推力室内甲烷的供应。
12.在一个实施例中，所述燃气发生管路包括：与所述燃气发生器上游连通的氧输出副管路和甲烷输出副管路，以及与所述燃气发生器下游连通的燃气输出管路；所述氧输出副管路将所述燃气发生器和所述氧泵连通，所述甲烷输出副管路将所述燃气发生器和所述甲烷泵连通，所述燃气输出管路将所述燃气发生器与所述涡轮连接。
13.在一个实施例中，所述氧输出副管路设有氧副汽蚀管和氧副阀；所述氧副汽蚀管靠近所述氧泵设置，所述氧副阀靠近所述燃气发生器设置。
14.在一个实施例中，所述甲烷输出副管路设有甲烷副汽蚀管和甲烷副阀；所述甲烷副汽蚀管靠近所述甲烷泵设置，所述甲烷副阀靠近所述燃气发生器设置。
15.本实用新型的一种多喷管液氧甲烷发动机系统，通过采用一个涡轮泵供应多台推力室的配置方案，确定多喷管发动机泵后供应管路配置形式，以精确控制各推力室充填推进剂流量的均匀分配，保证多喷管发动机同步起动的同时还能够提升推进剂的燃烧效率，多喷管配合调姿也可以大幅提高箭体姿态控制的稳定性。
16.在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是根据本实用新型实施例的多喷管液氧甲烷发动机系统的结构示意图。
19.图2是根据本实用新型实施例的燃气发生管路的结构图。
具体实施方式
20.下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本实用新型，用于示例性的说明本实用新型的原理，并不被配置为限定本实用新型。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本实用新型实施例的理解。
21.下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本实用新型实施例的具体结构进行限定。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连通，也可以是可拆卸连通，或一体地连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
22.此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固
有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
23.诸如“下面”、“下方”、“在
…
下”、“低”、“上方”、“在
…
上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。
24.对于本领域技术人员来说，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型更好的理解。
25.参见图1，本实用新型提供的一种多喷管液氧甲烷发动机系统，至少包括：氧泵1、甲烷泵2、与氧泵1和甲烷泵2连通的涡轮3、以及分别与氧泵1和甲烷泵2连通的多个推力室4。其中，涡轮3的一端通过燃气发生管路5分别与氧泵1和甲烷泵2连通，使氧泵1中的氧和甲烷泵2中的甲烷进入燃气发生管路5，并通过设置于燃气发生管路5的燃气发生器51，将燃气发生管路5内的甲烷和氧转化为高温高压燃气，并通过燃气发生管路5输送至涡轮3，驱动涡轮3开始旋转。涡轮3的另一端通过管路分别与氧泵1和甲烷泵2直接连通，以利用涡轮3为氧泵1和甲烷泵2增压，以便于泵中的氧和甲烷被供应到各推力室4。
26.进一步地，一个涡轮泵通常配置四台推力室，每台推力室配有喷管。为了更稳定地推动火箭发射，四台推力室的喷管可以以火箭轴线为中心均匀地设置于轴线四周，保证为火箭发射提供均衡的发射推力。
27.本实用新型实施例的多喷管液氧甲烷发动机系统，采用了一个涡轮泵供应多台推力室的配置方案。通过对多个推力室同时输送液氧和甲烷，使多个推力室同步点火起动。相对于单管发动机来说，多喷管发动机能够使推进剂被燃烧充分，使燃烧稳定性和转换效率能够得到大幅提升。与此同时，多个喷管可以同时工作，为火箭发射提供推力的同时也更有利于火箭的姿态控制，使火箭姿态控制的实现方式更多，实现难度也能得到明显降低。
28.在一个实施例中，氧泵1与各推力室4之间设有氧输出主管路6 和多条氧输出支管路61。氧输出主管路6一端与氧泵1连通，另一端与各氧输出支管路61连通，各氧输出支管路61还与各推力室4一对一连通。其中，氧输出支管路与推力室的数量一致。也就是说，氧泵1内的氧通过氧输出主管路6进入各条氧输出支管路61后，被分别输送至各推力室4。需要说明的是，各氧输出支管路61的孔径相同，管路弯折程度相同，如此可以保证进入各推力室的氧量相等，从而实现了对多个推力室的填充一致性。
29.进一步地，甲烷泵2与各推力室4之间设有甲烷输出主管路7和多条甲烷输出支管路71。甲烷输出主管路7一端与甲烷泵2连通，另一端与各甲烷输出支管路71连通，各甲烷输出支管路71分别与各推力室4一对一连通。也就是说，每条甲烷输出支管路71连接一个推力室。甲烷泵2内的甲烷可以通过甲烷输出主管路7被均匀分配进入各条甲烷输出支管路71后，最终被输送至各推力室4。需要说明的是，各甲烷输出支管路的孔径相同，管路弯折程度相同，如此可以保证进入各推力室的甲烷量相等，从而实现了对多个推力室的填充一致性。
30.在上述实施例中，氧输出主管路6还设有氧均流器62。氧均流器62内部设有结构对
称的均流板，均流板根据推力室数量将氧均流器62内部等量分隔为相应数量的通道。图中所示的推力室4数量为四个，则均流板也相应的将通过氧均流器的推进剂分隔为四等份，被等分的推进剂分别进入相应的推力室，依此类推。其中，氧均流器的出口管与各推力室连接，因此可以根据各推力室位置确定氧均流器各出口的角度，以保证各推力室的氧填充量一致。
31.同样的，在上述实施例中，甲烷输出主管路7也设有甲烷均流器 72。甲烷均流器72内部设有结构对称的均流板，均流板根据推力室数量将甲烷均流器72内部等量分隔为相应数量的通道。其中，甲烷均流器的出口管与各推力室连接，因此可以根据各所述推力室位置确定甲烷均流器各出口的角度，以保证各推力室的甲烷填充量一致，保证了多喷管发动机各推力室的起动一致性。
32.在一个实施例中，氧均流器62上游(氧均流器与氧泵之间的位置)设有氧主阀63，用于控制各推力室内氧的供应。具体地，打开氧主阀63时，氧泵1内的氧能够沿氧泵后主管路6和氧泵后支管路 61供应至各推力室4，关闭氧主阀63时，各推力室的氧供应停止。
33.进一步地，甲烷均流器72上游(甲烷均流器与甲烷泵之间的位置)设有甲烷主阀，用于控制各推力室内甲烷的供应。具体地，打开甲烷主阀73时，甲烷泵2内的甲烷能够沿甲烷泵后主管路7和甲烷泵后支管路71供应至各推力室4，关闭甲烷主阀73时，各推力室的甲烷供应停止。
34.需要说明的是，甲烷主阀和氧主阀的开关是独立控制的，可以根据发动机的起动需求控制各阀门的开关状态。
35.同时参见图1和图2，在一个实施例中，燃气发生管路5包括：与燃气发生器51上游连通的氧输出副管路52和甲烷输出副管路53，以及与燃气发生器51下游连通的燃气输出管路50，燃气输出管路50 的另一端与涡轮3连接。氧输出副管路52将燃气发生器51和氧泵1 连通，甲烷输出副管路53将燃气发生器51和甲烷泵1连通。甲烷泵 2中的甲烷经过甲烷输出副管路53供应至燃气发生器51，氧泵1中的氧通过氧输出副管路52供应至燃气发生器51，氧和甲烷混合后在燃气发生器51内燃烧并驱动涡轮3开始转动。
36.其中涡轮3还设有排气管31，用于将废气排出。
37.进一步的，在一个实施例中，氧输出副管路52设有氧副汽蚀管 54和氧副阀55。氧副汽蚀管54靠近氧泵1设置，氧副阀55靠近燃气发生器51设置。
38.在一个实施例中，甲烷输出副管路53设有甲烷副汽蚀管56和甲烷副阀57。甲烷副汽蚀管56靠近甲烷泵2设置，甲烷副阀57靠近燃气发生器51设置。
39.具体地，当需要让燃气发生器和涡轮开始工作时，可以使发生器的火药点火器通电，随后打开氧副阀和甲烷副阀，使氧和甲烷在燃气发生器内混合并燃烧驱动涡轮转动。
40.本实用新型的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。
41.本实用新型的多喷管液氧甲烷发动机系统，采用一个涡轮泵供应多台推力室的配置方案，减小发动机体积的同时还提升了推进剂的燃烧效率，使发动机的动力输出得到明显提升，从而使火箭的发射成功也相应地得到提升。多喷管发动机的姿态调整范围更大，多个喷管配合调资，其姿态调整效率和准确度也得到了进一步提升。
42.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型
的保护范围之内。