一种液体火箭发动机多次起动系统及其起动控制方法与流程

本发明涉及一种液体火箭发动机多次起动系统及其起动控制方法，属于液体火箭发动机技术领域。

背景技术：

低成本、重复使用是航天运输的终极追求目标，近年来，液氧甲烷发动机由于其优异的低成本、可重复使用性能成为了国内外航天动力的热门研究方向之一。在同一次发射任务及重复使用任务中，发动机需要多次重复起动，简单、可靠的多次起动技术对发动机成本的降低及性能的提升至关重要。

发生器循环液氧甲烷发动机的起动过程主要包括涡轮泵起旋、燃烧室点火两部分，目前两个部分均是独立工作。涡轮泵起旋方式主要有火药起动器起旋、气瓶气旋等，多次起动发动机需要多个火药起动器或携带多个气瓶；燃烧室点火方式主要有火药点火器点火、火炬式电点火等，多次起动时火药点火器点火方式同样存在需要多个火药点火器的问题，火炬式电点火具备优异的多次点火能力，但需要一套单独的复杂点火系统。对于一次起动或两次起动发动机，上述方式尚可接受，若发动机需要具备三次及以上起动、多次重复使用能力，那么采用上述方式会极大增加发动机设计难度、降低发动机使用维护性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，设计了一种集点火与起旋一体的发生器循环液氧甲烷发动机多次起动系统，无需外能源，实现发动机无限次多次起动。

本发明解决技术的方案是：一种液体火箭发动机多次起动系统，该系统包括燃气发生器、主涡轮泵、电动同轴泵、推力室、发生器氧阀、发生器甲烷阀、发生器点火氧阀、发生器点火甲烷阀、推力室氧阀、推力室甲烷阀、电池；

主涡轮泵的液氧输出口分别与发生器氧阀的一端、推力室氧阀的一端相连、电动同轴泵的液氧输入口，作为发动机多次起动系统的氧化剂输入口；

主涡轮泵的甲烷输出口分别与发生器甲烷阀的一端、推力室甲烷阀的一端、电动同轴泵的甲烷输入口相连，作为发动机多次起动系统的燃料输入口；

发生器氧阀的另一端连接燃气发生器的氧化剂输入口；发生器甲烷阀的另一端连接燃气发生器的燃料输入口；

推力室氧阀的另一端连接推力室的氧化剂输入口；推力室甲烷阀的另一端连接推力室的燃料输入口；

发生器点火氧阀的一端和电动同轴泵的液氧输出口连通，另一端连接燃气发生器的点火室氧化剂输入口；

发生器点火甲烷阀的一端和电动同轴泵的甲烷输出口连通，另一端连接燃气发生器的点火室燃料输入口；

燃气发生器的出口与发动机主涡轮泵的燃气输入口连接；

电池与电动同轴泵通过电缆连接。

所述电动同轴泵包括电机、氧泵、甲烷泵，电机与所述电池相连，电机的输出轴与氧泵和甲烷泵同轴连接；

发动机起动时，所述电池为电机提供电能起旋，使所述电动同轴泵的氧泵和甲烷泵出口压力升高；发动机起动后，电机停止工作，氧泵由液氧驱动旋转，液甲烷由液甲烷驱动旋转，进而发电为所述电池充电，为发动机下一次起动做准备。

基于上述发动机系统，本发明还提供了一种发动机起动控制方法，该方法包括如下步骤：

s0、液氧和液甲烷分别经过主涡轮泵进入到电动同轴泵中；

s1、控制所述电动同轴泵起旋达到第一转速，同时，打开所述发生器点火氧阀、发生器点火甲烷阀，液氧、液甲烷经过所述电动同轴泵增压后进入所述燃气发生器的点火室，并被电点火器点燃，形成燃气火炬；

s2、所述燃气发生器内的燃气火炬进入所述主涡轮泵后驱动涡轮做功，所述主涡轮泵起旋；

s3、打开所述推力室氧阀、推力室甲烷阀，使燃料与推进剂进入所述推力室并被点燃，同时控制所述电动同轴泵达到第二转速；

s4、控制所述电动同轴泵达到第三转速，使得所述燃气发生器内的压力升高；

s5、打开所述发生器氧阀、发生器甲烷阀，氧化剂、燃料分别通过所述发生器氧阀、发生器甲烷阀进入所述燃气发生器，并被燃气火炬点燃，从而发动机逐渐过渡到主级工况，完成发动机起动过程。

所述第一转速的取值范围为使得所述燃气发生器内的压力达到燃气发生器额定压力的10％。

所述第二转速的取值范围为使得所述推力室内的压力达到推力室额定压力的10％。

所述第三转速的取值范围为使得所述主涡轮泵的泵出口压力升高至主涡轮泵额定压力的20％。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过采用电动泵对少量推进剂增压，进入燃气发生器燃烧产生燃气，驱动主涡轮泵起旋的方式完成发动机起动，具备优异的多次起动能力，且起动过程一致性较好。

(2)、本发明利用起旋主涡轮泵的燃气点燃燃气发生器主流，将点火装置与涡轮泵起旋装置集为一体，简化了发动机系统，提高了发动机可靠性。

(3)、本发明采用电能作为起动外能源，发动机主级工作时进行反向充电，相比火药起动器起动无需进行火工品更换，相比气瓶起动无需进行充放气，极大提高了发动机重复使用维护性。

(4)、本发明能够使发动机在技术状态不改变的情况下用于不同的场景及任务剖面，拓宽了发动机的适用范围，降低发动机成本。

(5)、本发明使用同一套装置即可实现发动机的多次起动，释放了火工品及气瓶占用的空间，极大优化了发动机的布局。

附图说明

图1是本发明实施例中实现集点火与起旋一体的发生器循环液氧甲烷发动机多次起动系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例的系统结构图，参考图1，本发明提供的液体火箭发动机多次起动系统包括燃气发生器1、主涡轮泵2、电动同轴泵3、推力室4、发生器氧阀5、发生器甲烷阀6、发生器点火氧阀7、发生器点火甲烷阀8、推力室氧阀9、推力室甲烷阀10、电池11；

主涡轮泵2的液氧输出口分别与发生器氧阀5的一端、推力室氧阀9的一端相连、电动同轴泵3的液氧输入口，作为发动机多次起动系统的氧化剂输入口；

主涡轮泵2的甲烷输出口分别与发生器甲烷阀6的一端、推力室甲烷阀10 的一端、电动同轴泵3的甲烷输入口相连，作为发动机多次起动系统的燃料输入口；

发生器氧阀5的另一端连接燃气发生器1的氧化剂输入口；发生器甲烷阀 6的另一端连接燃气发生器1的燃料输入口；

推力室氧阀9的另一端连接推力室4的氧化剂输入口；推力室甲烷阀10 的另一端连接推力室4的燃料输入口；

发生器点火氧阀7的一端和电动同轴泵3的液氧输出口连通，另一端连接燃气发生器1的点火室氧化剂输入口；

发生器点火甲烷阀8的一端和电动同轴泵3的甲烷输出口连通，另一端连接燃气发生器1的点火室燃料输入口；

燃气发生器1的出口与发动机主涡轮泵2的燃气输入口连接；

电池9与电动同轴泵3通过电缆连接。

所述电动同轴泵3包括电机、氧泵、甲烷泵，电机与所述电池9相连，电机的输出轴与氧泵和甲烷泵同轴连接；

发动机起动时，所述电池为电机提供电能起旋，使所述电动同轴泵的氧泵和甲烷泵出口压力升高；发动机起动后，电机停止工作，氧泵由液氧驱动旋转，液甲烷由液甲烷驱动旋转，进而发电为所述电池充电，为发动机下一次起动做准备。

基于上述液体火箭发动机多次起动系统，本发明还提供了相应的发动机起动控制方法，该方法包括如下步骤：

s0、液氧和液甲烷分别经过主涡轮泵2进入到电动同轴泵3中；

s1、由电池11为所述电动同轴泵3供电，控制所述电动同轴泵3起旋达到第一转速，同时，打开所述发生器点火氧阀7、发生器点火甲烷阀8，液氧、液甲烷经过所述电动同轴泵3增压后进入所述燃气发生器1的点火室，并被电点火器点燃，形成燃气火炬；所述第一转速的取值范围为使得所述燃气发生器 1内的压力达到燃气发生器1额定压力的10％。

s2、所述燃气发生器1内的燃气火炬进入所述主涡轮泵2后驱动涡轮做功，所述主涡轮泵2起旋，使得所述主涡轮泵2的泵出口压力升高至额定压力的 10％；

s3、打开所述推力室氧阀9、推力室甲烷阀10，使燃料与推进剂进入所述推力室4并被点燃，同时控制所述电动同轴泵3达到第二转速；所述第二转速的取值范围为使得所述推力室4内的压力达到额定压力的10％。

s4、控制所述电动同轴泵3达到第三转速，使得所述燃气发生器1内的压力升高；所述第三转速的取值范围为使得所述主涡轮泵2的泵出口压力升高至额定压力的20％。

s5、打开所述发生器氧阀5、发生器甲烷阀6，氧化剂、燃料分别通过所述发生器氧阀5、发生器甲烷阀6进入所述燃气发生器1，并被燃气火炬点燃，从而发动机逐渐过渡到主级工况，完成发动机起动过程。

进一步地，发动机进入主级工况稳定工作后，所述电动同轴泵3停止供电，同时高压液氧、液甲烷，在压差作用下流经所述电动同轴泵3进入所述燃气发生器1，驱动所述电动同轴泵3旋转，由其中的电机发电并给所述电池11充电，为发动机下次起动做准备。

本发明在所述燃气发生器液氧、液甲烷路分别设置发生器氧阀、发生器甲烷阀，同时在该两阀门前各设置旁通路使液氧、液甲烷进入所述电动同轴泵。液氧、液甲烷经过所述电动同轴泵增压后，分别分为两路，一路经过发生器点火氧阀、点火甲烷阀进入所述燃气发生器，一路经过推力室点火氧阀、点火甲烷阀进入所述推力室。

在发动机起动时，由所述电池供电，驱动所述电动同轴泵工作，液氧、液甲烷经过所述电动泵增压后分别进入所述燃气发生器、所述推力室，并由电点火方式点燃；进入所述燃气发生器的液氧、液甲烷燃烧后产生的燃气驱动所述发动机主涡轮泵起旋，从而完成发动机起动过程；由所述电动同轴泵为所述燃气发生器、所述推力室提供的推进剂，在点燃状态下作为火炬点燃所述燃气发生器、所述推力室的推进剂主流，从而完成发动机燃烧室的点火。

进一步地，发动机起动后，所述电动同轴泵电机停止工作，由入口的高压液氧、液甲烷驱动所述电动同轴泵旋转，进而发电为所述电池充电，为发动机下一次起动做准备，实现了多次起动的功能。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。