[发明专利]一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统

说明书

一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统，包括推进剂供应系统、点火系统和推力室。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贮箱的低温液甲烷进行增压处理后提供给推力室；液氧供应系统对来自外部贮箱的低温液氧进行增压处理后提供给推力室；点火系统位于推力室头部，在控制系统控制下点火，引燃进入推力室的液氧和甲烷，产生的高温燃气从推力室喷口喷出，产生推力。本发明以液氧和液甲烷作为推进剂组合，采用闭式膨胀循环系统方案，系统简单、固有可靠性高、比冲性能高、易于实现多次起动。

技术领域

本发明涉及一种膨胀循环液氧甲烷上面级发动机系统，属于液体运载火箭发动机技术领域。

背景技术

上面级是指在基础级火箭或重复使用运载器上面增加的相对独立的一级或多级火箭，工作段通常已经进入地球轨道，可将一个或多个航天器直接送入预定工作轨道或预定空间位置。上面级的任务模式介于运载器与航天器之间，兼具运载器与航天器的技术特点；工作时间可以达到数小时、数天乃至数月，经历与航天器相近的空间环境；发动机需要多次启动，任务模式多，任务适应性强；与卫星等航天器相比，上面级发动机推力大，同时要求轨道机动能力强。

上面级可以直接发射航天器精确入轨或大幅节省变轨时间。月球和火星探测任务需要开展大量月球轨道及月面着陆试验验证工作，需要将各种星、船等航天器直接送入环月轨道，均对上面级应用提出明确需求。深空探测任务采用上面级可以减少运载火箭末级入轨的重量，与大型火箭组合后可以大幅提高运载能力。

上面级具备长期在轨、可多次启动和适应多任务的能力，是空间试验平台的最佳选择，基础级运载火箭加上面级的组合平台可为各类空间试验及武器平台提供一种成本相对低廉的解决方案。基于上面级技术基础的多次启动、空间机动、长期在轨维持能力，在特殊时期其任务、功能可扩展，可满足进入和控制空间的需要。

上面级要求其发动机必须具备如下能力：(一)比冲高；(二)多次起动能力；(三)空间可长期贮存。

液氧甲烷发动机兼具氢氧发动机和液氧煤油发动机的综合优点，除了具有无毒无污染外，还具有如下技术优势：(一)甲烷适用于膨胀循环发动机，能自身起动，易于实现发动机多次起动；(二)甲烷和液氧沸点低，可用于贮箱自生增压，从而简化火箭和上面级增压输送系统；(三)性能较高，甲烷是性能最高的碳氢燃料，其比冲性能仅次于液氢。液氧甲烷推进剂组合理论比冲仅低于氢氧组合，高于液氧煤油组合。液氧甲烷推进剂组合的密度比冲低于液氧煤油组合，高于氢氧组合。液氧甲烷推进剂组合，具有较高的性能。(四)使用维护方便，甲烷的维护使用条件与液氧基本相同。甲烷结焦温度为950K，比煤油高389K，对于现有结构材料甲烷作为再生冷却剂优于煤油，不结焦。碳氢燃料燃气普遍有积碳倾向，但甲烷积碳较少。甲烷和液氧沸点分别为112K和90K，容易蒸发，试车后仅需要相对简单的吹除处理，不需要繁琐复杂的后处理程序。发动机能够“重复使用、一机多试”。(五)低成本，甲烷来源广泛、价格低廉。甲烷来源广泛，液化天然气(LNG)的甲烷含量高达到99％以上，可直接做推进剂使用，使用维护性和安全性较好。液态甲烷来源于液化天然气(LNG)和固态天然气水合物(可燃冰)。地球上广泛存在着几乎是纯甲烷的天然气水合物资源，估算资源量为2×10¹³吨油当量，比目前地球上常规化石燃料储量的2倍还多。此外，甲烷推进剂经济性好，液态甲烷成本是液氢的约1/60，是煤油的1/3。(六)空间可贮存，液氧和甲烷属于空间可贮存推进剂。甲烷和液氧沸点分别为112K和90K，接近空间温度，属于空间可贮存推进剂，更易实现推进剂的空间长期贮存。甲烷和液氧两种推进剂使用维护温度相当，可采用共底贮箱，贮箱间无需特殊的绝热措施，可以有效简化贮箱结构设计。