[实用新型]液体火箭发动机系统

说明书

本实用新型公开了一种液体火箭发动机系统，该液体火箭发动机系统包括推力室和电动泵系统，电动泵系统包括用于向推力室输送燃料的燃料泵、用于向推力室输送氧化剂杀完氧化剂泵、用于驱动燃料泵和氧化剂泵转动的电机系统。本实用新型中采用了电动泵系统，不仅能够为发动机泵送高压推进剂，而且结构简单，同时容易实现大范围的推力调节，无需增加额外分系统。

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，特别涉及液体火箭发动机系统。

背景技术

副系统：本实用新型中所述的副系统为传统液体火箭发动机为提供驱动涡轮的能源而设立的能源供应系统，包括但不限于燃气发生器、点火装置、气瓶、火药启动器、阀门、管路、涡轮等，这一分系统的正常工作需要消耗推进剂，降低液体火箭发动机的工作效率。

推力调节：液体火箭发动机工作过程中，推力从设计点(100％推力)到非设计点的主动变化，称为推力调节。传统液体火箭发动机的推力调节幅度较小，仅能通过混合比调节来小幅改变推力。大幅改变推力需要增加额外的分系统才能实现，进一步提高了系统和结构的复杂度。

传统方式对发动机进行推力调节时，需要额外增加推力调节系统(包括管路、阀门、可调气蚀管、特殊设计的喷注器等)，推力调节系统通过改变整个系统的液路流量来调整发动机工况，与涡轮泵转速产生耦合效应，最终实现推力调节。

传统泵压式液体火箭发动机的循环方式包括开式循环和闭式循环。

开式循环主要分燃气发生器循环(如图1所示)和推力室抽气循环(如图2所示)两类。燃气发生器循环系统包括氧化剂泵101、燃料泵102、涡轮103、推力室104和燃气发生器105；推力室抽气循环系统包括氧化剂泵101、燃料泵102、涡轮103和推力室104。可以看出在这两类循环方式中发动机需将一部分能量用于驱动涡轮103做功，造成性能损失。同时调节推力将影响整个系统的工作。国内现役长征系列运载火箭发动机，大部分采用燃气发生器循环方式。推力室抽气循环方式工程实现难度极大，处于尚待进一步发展阶段。

闭式循环主要分膨胀循环(如图3所示)和补燃循环(如图4所示)两类。膨胀循环系统包括氧化剂泵101、燃料泵102、涡轮103和推力室104；补燃循环系统包括氧化剂泵101、燃料泵102、涡轮103、推力室104和预燃室106。可以看出在这两类循环方式中发动机同样需将一部分能量用于驱动涡轮103做功，只不过经涡轮103做功后的介质直接进入推力室104，可以与推力室104中的推进剂进一步燃烧，这种方式造成的性能损失较小。但膨胀循环的发动机需依靠推进剂在推力室104夹套换热气化来驱动涡轮103做功，因此做功能力受限。同时膨胀循环发动机涡轮泵转速较高，往往为跨临界工作的柔性转子，因此无法实现大范围无级推力调节。而补燃循环系统最为复杂，所有组件在高压下工作，发动机结构质量大，研制成本很高。

综上，传统泵压式液体火箭发动机(现有技术)均采用涡轮泵系统来进行推进剂的输送，泵送介质提供推力室进行燃烧产生推力。采用涡轮泵系统的液体火箭发动机，副系统与主系统的耦合度非常高，需要额外消耗系统能量提供给涡轮(约占主系统的4～6％)，又由于燃气发生器、管路、阀门等的存在，以及涡轮的能量转化效率低等方面的原因，一方面这种方式会造成能量的浪费，另一方面大幅提高了发动机系统及结构的复杂度，更重要的是增加了发动机推力调节难度。

可以看出，传统泵压式液体火箭发动机的上述四种传统循环方式各有优缺点，但在能量利用效率和发动机推力无级调节两个方面均有较大的局限性。随着世界各国航天的发展特别是商业航天的蓬勃发展，无法满足人类对航天器和液体火箭发动机日益丰富的应用场景需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种液体火箭发动机系统，采用了电动泵系统，通过电机可直接调节燃料泵和氧化剂泵的转速，从而调节发动机推力，无需增加额外分系统。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：