[发明专利]一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统

权利要求书

1.一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统，其特征在于：包括推进剂供应系统、点火系统和推力室(1)；

所述推进剂供应系统包括甲烷供应系统和液氧供应系统；甲烷供应系统对来自外部液甲烷贮箱的低温液甲烷进行增压处理后提供给推力室(1)；液氧供应系统对来自外部液氧贮箱的低温液氧进行增压处理后提供给推力室(1)；点火系统位于推力室(1)头部，在控制系统控制下点火，引燃进入推力室(1)的液氧和甲烷，产生的高温燃气从推力室喷口喷出，产生推力；

推进剂供应系统包括甲烷主阀(2)、氧主阀(3)、甲烷涡轮泵(4)、氧涡轮泵(5)、甲烷泵前阀(6)、氧泵前阀(7)和氧泄出阀(11)、甲烷泄出阀(12)；

甲烷涡轮泵(4)的泵前管路通过甲烷泵前阀(6)与外部液甲烷贮箱连接，泵后管路与推力室冷却夹套入口连接；甲烷涡轮泵(4)的涡轮入口与推力室冷却夹套出口连接，甲烷涡轮泵(4)的涡轮出口与氧涡轮泵(5)的涡轮入口连接，氧涡轮泵(5)的涡轮出口通过甲烷主阀(2)与推力室甲烷头腔连接；氧涡轮泵(5)的泵前端管路通过氧泵前阀(7)与外部液氧贮箱连接，泵后管路通过氧主阀(3)与推力室氧头腔连接；

甲烷涡轮泵(4)的泵后管路上设置有甲烷泄出阀(12)，用于发动机起动前和关机后液甲烷的泄出；氧涡轮泵(5)的泵后管路上设置有氧泄出阀(11)，用于发动机起动前和关机后液氧的泄出。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统，其特征在于：所述推进剂供应系统还包括第一孔板(13)和第二孔板(14)，第一孔板(13)安装于氧涡轮泵(5)的泵后管路上，用于调节氧路流量；第二孔板(14)安装于甲烷涡轮泵(4)的泵后管路上，用于调节甲烷路流量。

3.根据权利要求1所述的一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统，其特征在于：在甲烷涡轮泵(4)的涡轮旁路上设置有第一音速喷嘴(8)，用于调节进入甲烷涡轮泵(4)涡轮的流量。

4.根据权利要求1所述的一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统，其特征在于：在氧涡轮泵(5)的涡轮旁路上设置有第二音速喷嘴(9)，用于调节进入氧涡轮泵(5)涡轮的流量。

5.根据权利要求1所述的一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统，其特征在于：点火系统包括火炬点火器(10)、氧气瓶和甲烷气瓶；

氧气瓶通过氧气管路与火炬点火器(10)的氧腔集合器连接，氧气管路上设置有氧点火阀，甲烷气瓶通过甲烷管路与火炬点火器(10)的甲烷腔集合器连接，甲烷管路上设置有甲烷点火阀；火炬点火器(10)的头部设置有用于点火的火花塞，火花塞通过电开关控制，实现点火介质的引燃。

6.根据权利要求1所述的一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统，其特征在于：上面级发动机系统还包括氧路吹除系统和甲烷路吹除系统，在发动机关机时，氧路吹除系统用于吹除推进剂供应系统及推力室中的残余氧，甲烷路吹除系统用于吹除推进剂供应系统及推力室中的残余甲烷。

7.一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统的实现方法，其特征在于步骤如下：

(1)发动机预冷起动阶段，液甲烷充填至甲烷主阀(2)前，液甲烷汽化产物经甲烷泄出阀(12)泄出；在甲烷涡轮泵(4)泵后管路至甲烷主阀(2)这一容腔内，液甲烷与系统管路和推力室(1)冷却夹套进行热交换而达到某一个平衡温度，为起动涡轮的工质提供一定的初始焓，与此同时，液氧充填至氧主阀(3)前，液氧汽化产物经氧泄出阀(11)泄出；当发动机满足预冷起动温度和压力条件后，关闭甲烷泄出阀(12)和氧泄出阀(11)；火炬点火器(10)点火，打开甲烷主阀(2)和氧主阀(3)，在贮箱压力下，进入推力室(1)内具有一定热焓的气甲烷与进入推力室(1)的液氧点燃，进行低压、低混合比燃烧，形成的高温燃气使推力室(1)冷却夹套内的甲烷温度加速上升，进而驱动甲烷涡轮泵和氧涡轮泵涡轮的能量增加，涡轮起动加速，经历一段时间的起动加速过程，发动机转入主级工况；

(2)在主级工况下推力室(1)内甲烷从冷却身部入口集合器进入冷却夹套，对推力室身部进行冷却，同时吸收热量变为气甲烷，由身部出口集合器流出，作为驱动甲烷涡轮泵和氧涡轮泵的工质；气态甲烷顺序流过甲烷涡轮泵(4)的涡轮和氧涡轮泵(5)的涡轮，并汇入推力室(1)甲烷头腔，均流分配后经推力室喷注器的甲烷喷嘴后进入燃烧室；与此同时，液氧经氧涡轮泵增压，进入推力室(1)的液氧头腔，均流分配后经推力室喷注器的液氧喷嘴后进入燃烧室；气甲烷和液氧在燃烧室内充分混合，经火炬点火器点燃后，生成高温燃气，高温燃气经燃烧室和喷管延伸段充分膨胀后高速喷出；

(3)当发动机接收到关机指令后，先打开甲烷泄出阀(12)降低发动机工况，之后关闭甲烷主阀(2)，甲烷涡轮泵和氧涡轮泵的涡轮失去了驱动能源后转速迅速下降，再打开氧泄出阀(11)，泄出管路中的液氧，随后关闭氧主阀(3)；在甲烷主阀(2)和氧主阀(3)关闭时，分别开启推力室甲烷路、氧路吹除系统，使推进剂尽快从推力室排出，发动机实现程序关机。