运载火箭气动热再利用的补压系统及其控制方法与流程

本申请涉及航空航天动力，尤其是涉及一种运载火箭气动热再利用的补压系统及其控制方法。

背景技术：

1、运载火箭增压输送功能是为发动机提供推进剂，且需要满足发动机入口推进剂压力和温度要求，维持薄壁贮箱结构强度，以及贮箱刚度所需的内压要求。

2、其中，运载火箭动力系统采用的自生增压方案是指采用推进剂加热汽化的方式，从发动机引出一小部分推进剂，经发动机蒸发器加热汽化后送至贮箱中增压。自生增压系统具有结构简单、重量轻和可靠性高等优点。在技术阵地和发射阵地的操作也简便，检查项目少，增压技术比较成熟，因此，广泛用于各种型号的运载火箭。但是对于重复使用火箭多次起动，存在飞行后期气枕大，贮箱增压用气量大，自生增压气体基本为定流量不可调等问题。

3、发明专利

4、为了解决上述所提出的问题，本申请提供一种运载火箭气动热再利用的补压系统及其控制方法。

5、为解决上述问题，本发明专利的技术方案为：

6、一种运载火箭气动热再利用的补压系统，包括：

7、贮箱，通过输送管连通至火箭发动机，所述贮箱内设置有第一传感器；

8、增压管路，两端分别连通外部增压装置和所述贮箱，且所述增压管路上设有第一控制单元，向所述贮箱内输送增压气体；

9、换热装置，所述换热装置位于火箭尾段的热防护板中，所述换热装置的冷端输入端通过液体推进剂管连通至火箭发动机，所述换热装置的热端输出端通过气体补压管连通至所述贮箱，用于接收火箭尾段的气动热，将所述液体推进剂管输入的液体推进剂气化为推进剂气体，并输出至所述贮箱；所述气体补压管上设有第二控制单元；

10、气体暂存回路单元，连通于所述气体补压管，且所述气体暂存回路单元上设有第三控制单元，用于接收所述气体补压管内的推进剂气体进行暂存；其中，所述第二控制单元位于所述气体暂存回路单元的下游；

11、控制模块，分别与所述第一控制单元、所述第二控制单元和所述第三控制单元信号连接，以及所述第一传感器连接反馈于所述控制模块，被配置基于火箭运行状态和/或贮箱内箱压信息控制所述第一控制单元和/或所述第二控制单元和/或所述第三控制单元的开启或关闭。

12、本发明专利的运载火箭气动热再利用的补压系统，所述气体暂存回路单元包括补压气瓶、第一分支管、第二分支管；

13、所述第一分支管的两端分别连通于所述气体补压管和所述补压气瓶的输入端；所述第二分支管的两端分别连通于所述补压气瓶的输出端和所述气体补压管，且第二分支管与所述气体补压管连接位置位于所述第二分支管与所述气体补压管连接位置的下游；

14、所述第三控制单元设置于所述第二分支管上。

15、本发明专利的运载火箭气动热再利用的补压系统，所述第一控制单元、所述第二控制单元、所述第三控制单元为第一电磁控制阀、第二电磁控制阀、第三电磁控制阀。

16、本发明专利的运载火箭气动热再利用的补压系统，所述液体推进剂管上设有第四电磁控制阀，所述第四电磁控制阀与所述控制模块的信号连接；所述第一分支管上设置有第五电磁控制阀，第五电磁控制阀与所述控制模块的信号连接。

17、本发明专利的运载火箭气动热再利用的补压系统，还包括第二传感器；

18、所述第二传感器设置在所述补压气瓶内，并与所述控制模块信号连接。

19、本发明专利的运载火箭气动热再利用的补压系统，所述增压管路的输出端上设置有位于所述贮箱内的第一扩散器，所述气体补压管的输出端上设置有位于所述贮箱内的第二扩散器。

20、本发明专利的运载火箭气动热再利用的补压系统，所述气体补压管上设置有节流孔板。

21、本发明专利的运载火箭气动热再利用的补压系统，所述换热装置包括换热管；所述换热管设置在火箭尾端的防热护板上，且所述换热管呈螺旋结构位于平面内；所述换热管的输入端连通于所述液体体推进剂管，所述换热管的输出端连通于所述气体补压管。

22、本发明专利的运载火箭气动热再利用的补压系统，所述增压管为氦增压管或为自生增压管。

23、一种补压系统的控制方法，其特征如下,

24、火箭起飞至入轨段：

25、所述控制模块控制所述第一控制单元开启，所述增压管路输送增压气体至所述贮箱，所述气体暂存回路单元接收并暂存所述换热装置输出的推进剂气体；

26、火箭返回再入段：

27、控制模块控制所述第一控制单元开启，所述增压管路输送增压气体至所述贮箱；

28、所述控制模块实时接收所述第一传感器输出的贮箱内箱压信息；所述贮箱内箱压信息低于压力控制带底限要求，则控制所述第二控制单元、所述第三控制单元开启，经所述气体补压管向所述贮箱内注入推进剂气体；若贮箱内箱压信息高于压力控制带底限要求，则控制所述第二控制单元和所述第三控制单元关闭；

29、火箭关机滑行段：

30、所述控制模块实时接收所述第一传感器输出的贮箱内箱压信息；若贮箱内箱压信息低于贮箱最低压力要求，则控制所述第二控制单元和所述第三控制单元开启，引出所述气体暂存回路单元内暂存的推进剂气体至所述贮箱内；若所述贮箱内箱压信息高于所述贮箱最低压力要求，则控制所述第二控制单元和所述第三控制单元关闭；

31、火箭发动机再次启动前：

32、所述控制模块实时接收所述第一传感器输出的贮箱内箱压信息；若贮箱内箱压信息低于发动机启动箱压要求，则控制所述第二控制单元和所述第三控制单元开启，引出所述气体暂存回路单元内暂存的推进剂气体至所述贮箱内；若贮箱内箱压信息高于发动机启动箱压要求，则控制所述第二控制单元和所述第三控制单元关闭。

33、本发明专利由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

34、一、通过第一传感器、第二传感器反馈给控制模块，再通过控制模块控制第一电磁控制阀、第二电磁控制阀、第三电磁控制阀、第四电磁控制阀、第五电磁控制阀关闭或者开启，实现补压气瓶是否对贮箱增压，由此控制贮箱内的压强稳定，改善飞行后期气枕大，贮箱增压用气量大，自生增压气体基本为定流量不可调等问题。

35、二、通过补压系统的控制方法，将补压系统和火箭飞行过载数据耦合起来，实时控制增压压力，确保发动机正常工作；即控制模块通过采集的实时过载数据(第一传感器、第二传感器)，反算贮箱压力控制带，进而实时控制补压气体流量，实现过载下箱压变化控制，满足发动机工作要求；提高了动力系统工作的安全可靠性。

36、三、此方案基于热能有效利用和能量转换原理，重复使用火箭返回时底部热流，可以利用一小部分液体推进剂吸收带走底部热量，将这部分热量转化为贮箱增压气体膨胀功；从而实现热功的有效转换和能力高效利用；在火箭尾段将少量液体推进剂加热、气化升温，送入贮箱补压，可明显减少补压气瓶数量和氦气用量。

技术实现思路

技术特征：

1.一种运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，所述气体暂存回路单元包括补压气瓶、第一分支管、第二分支管；

3.根据权利要求1所述的运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，所述第一控制单元、所述第二控制单元、所述第三控制单元为第一电磁控制阀、第二电磁控制阀、第三电磁控制阀。

4.根据权利要求2所述的运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，所述液体推进剂管上设有第四电磁控制阀，所述第四电磁控制阀与所述控制模块的信号连接；所述第一分支管上设置有第五电磁控制阀，第五电磁控制阀与所述控制模块的信号连接。

5.根据权利要求4所述的运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，还包括第二传感器；

6.根据权利要求1所述的运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，所述增压管路的输出端上设置有位于所述贮箱内的第一扩散器，所述气体补压管的输出端上设置有位于所述贮箱内的第二扩散器。

7.根据权利要求1所述的运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，所述气体补压管上设置有节流孔板。

8.根据权利要求1所述的运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，所述换热装置包括换热管；所述换热管设置在火箭尾端的防热护板上，且所述换热管呈螺旋结构位于平面内；所述换热管的输入端连通于所述液体体推进剂管，所述换热管的输出端连通于所述气体补压管。

9.根据权利要求3所述的运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，所述增压管为氦增压管或为自生增压管。

10.一种补压系统的控制方法，应用于权利要求1至9的任一所述运载火箭气动热再利用的补压系统，其特征在于，如下：

技术总结
本发明提供一种运载火箭气动热再利用的补压系统及其控制方法，包括贮箱，通过输送管连通至火箭发动机；增压管路，两端分别连通外部增压装置和贮箱，且增压管路上设有第一控制单元，向贮箱内输送增压气体；换热装置，用于接收火箭尾段的气动热，将发动机输入的液体推进剂气化为推进剂气体，并输出至贮箱；气体补压管上设有第二控制单元；气体暂存回路单元，连通于气体补压管，且气体暂存回路单元上设有第三控制单元，用于接收气体补压管内的推进剂气体进行暂存；控制模块，控制第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元的开启或关闭；由此改善火箭飞行后期气枕大，贮箱增压用气量大，自生增压气体基本为定流量不可调等问题。

技术研发人员：耑锐,金鑫,李杨,朱淑苗,谢芳,张萌,张浩
受保护的技术使用者：上海宇航系统工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17