一种液体运载火箭贮箱热增压方法及其装置与流程

1.本发明涉及液体运载火箭的增压输送系统设计，是一种通过将低温增压气体加热膨胀，以更少量的增压气体实现液体火箭贮箱增压和保压的技术。


背景技术：

2.为了确保液体燃料能够顺利地从贮箱流向发动机，火箭在发动机工作过程中期燃料贮箱内需要保持一定的压力，随着液体燃料的排出，必须不断在贮箱内补充增压气体以维持贮箱内合理的压力水平。运载火箭上为贮箱增加压力并保持压力的系统称为增压输送系统，是火箭动力系统的重要组成部分。
3.增压输送系统的增压气体来源可以为贮气式气瓶、自生增压(液体燃料挥发为气体)或燃烧生成物。随着火箭贮箱内部燃料被消耗掉，需要不断有气体补充到贮箱内部。由于增压气体的注入口一般设计在贮箱顶端，这导致贮箱内部增压气体的温度是上部高，下部低，尤其是对于低温燃料贮箱，贮箱顶部的耐热温度决定了增压气体的温度上限，低温燃料的温度是增压气体的温度下限，上部注入增压气体的方式导致贮箱内部整体上增压气体的温度偏低，需要用注入更多质量的气体以实现增压输送系统的设计要求。
4.给贮箱内增压气体加热是减少增压气体消耗量的有效方式，由于对流效应，在增压气体下方加热才是最合理的加热方式，但传统增压输送系统方案不具备这种功能。


技术实现要素：

5.本发明主要解决在液体运载火箭贮箱内部，从增压气体底部给增压气体加热的方法。
6.本发明的有益效果是：实现了从液体运载火箭贮箱增压气体的底部对增压气体进行大功率、均匀加热，提升了增压气体的平均温度，可以大幅降低增压气体的用量。
7.基于本发明实现液体运载火箭贮箱热增压的方法如下：
8.1)在贮箱内安装一套包括导向杆、浮球、输送管、燃烧器(或排气装置)、点火杆(选装)等结构部件的增压装置；
9.2)浮球是中空结构，可以漂浮于贮箱液面，能够沿着导向杆随液面上下浮动。浮球上可以装有燃烧器，通过点火杆点火燃烧给贮箱内部加热，或者浮球上设置高温气体排气装置，能够排出高温气体给贮箱内部加热，同时补充贮箱内增压气体。
10.3)输送管用于将燃料从贮箱外输送至燃烧器，或者用于将高温气体从贮箱外输送到排气装置。输送管为刚度小的软管或者直径比较细的管路，输送管能够跟随浮球上下浮动，不影响、卡滞其运动，比如螺旋缠绕在导轨外，形成弹簧状。如果使用双组元燃料，双组元燃料分别通过浮球上下两根输送管输送；如果使用单组元燃料，或者使用高温气体，只需要设置一根输送管即可。
11.4)在火箭飞行过程中，随着燃料排出，液位降低，浮球带动加热源总是位于贮箱增压气体下方，即液面上方，从而实现总在增压气体底部加热。
12.5)在条件允许情况下，增压气体在箭上的贮存温度尽量低，从而增大密度，降低存贮容积。
13.6)低温气体可以从贮箱外部输入贮箱，此时既可以输入低温气体后贮箱内部被加热，也可以在贮箱外部被加热到高温后再通过排气装置注入贮箱。
14.7)低温气体可以通过适当增大气枕容积，以贮箱增压设计压力水平，以低温燃料温度的状态直接存贮在贮箱气枕内，从而省掉增压气瓶，简化增压系统设计。
15.8)将贮箱内液体燃料以被燃烧器(或出气口)加热挥发形式补充贮箱内增压气体，获得自生增压的效果。
16.9)上述3种方法可以组合使用，也可以和其他增压方式联合使用。
附图说明
17.图1液体运载火箭贮箱热增压方法示意图；
18.附图中各部件的标记如下：
19.①
贮箱壳体
20.②
液体燃料
21.③
增压气体空间
22.④
点火杆
23.⑤
导向杆
24.⑥
上输送管
25.⑦
下输送管
26.⑧
浮球
27.⑨
燃烧器(或高温气体排气装置)
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
29.本发明实施例包括：
30.实施例1：一种运载火箭的液氧贮箱的热增压方案，说明如下：
31.1)如附图1，液氧贮箱内设置导向杆、浮球、上输送管、下输送管、燃烧器、点火器等结构装置；
32.2)浮球中间设置燃烧器，以液氧和氢气为燃料；
33.3)液氧通过下输送管由贮箱底部输送至燃烧器，下输送管为金属软管，缠绕导向杆形成弹簧形状，支持浮球具有足够的上下浮动行程；
34.4)氢气通过上输送管从贮箱顶部输送至燃烧器，上输送管结构形式与下输送管相同；
35.5)在发动机点火前一时刻，位于贮箱顶部中央的点火杆打出点火花，点燃经燃烧器混合后的液氧与氢气混合物；
36.6)液氧贮箱内的燃烧器为富氧燃烧；
37.7)使用氦气作为增压气体，火箭主发动机点火工作前，氦气存贮于贮箱顶部气枕
内，贮存温度为-183℃，贮存压力为0.35mpa；
38.8)氧箱气枕容积约为贮箱总容积的25％；
39.9)当氧箱内的液氧排尽时，增压氦气被燃烧器火焰逐渐加热，温度上升至平均约90℃，体积膨胀4倍；
40.从本实施例可以看出，采用本发明公开的方法和装置，氧箱需增大1/3的容积，但省去了所有的氦气瓶，同时减少了2/3的氦气消耗量。
41.实施例2：氧箱不增大容积的热增压方案
42.实施例1中，不增大贮箱容积，采用冷氦增压技术，即在液氧中浸泡低温高压氦气瓶，并将氦气逐步排放到贮箱中，采用本专利公开的热增压方法，可以减少3/4的氦气和氦气瓶用量。
43.实施例3：冷氦外加热增压方案
44.实施例1中，不增大贮箱容积，采用冷氦增压技术，同时将贮箱内燃烧加热改为冷氦经发动机余热加热后注入贮箱，被加热至300℃甚至更高的氦气从贮箱顶端注入，经上输送管由浮球上设置的喷口喷出。由于热氦气总是从液氧液面之上注入贮箱，因此氦气可以被加热到300℃甚至更高，不受贮箱材料的耐热温度限制，当贮箱内液氧被排尽时，贮箱内的增压气体没有明显的温度梯度，平均温度可接近贮箱材料允许上限。
45.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。


技术特征：
1.一种用于液体运载火箭贮箱热增压方法。其特征在于：
①
在贮箱内安装一套包括导向杆、浮球、输送管、燃烧器(或排气装置)、点火杆(选装)等结构部件的增压装置；
②
浮球可以沿着导向杆随着贮箱内燃料液面上下浮动；
③
通过安装在浮球上燃烧器点火燃烧给贮箱内部加热，或者通过安装在浮球上排气装置排出高温气体给贮箱内部加热；
④
输送管用于将燃料从贮箱外输送至燃烧器，或者用于将高温气体从贮箱外输送到排气装置；
⑤
当使用燃烧器时，在贮箱顶部设置点火杆，用于引燃燃烧器；
⑥
优选使用低温气体作为增压气体进行增压。2.根据权利要求1所述的浮球装置，其特征在于：
①
浮球是中空结构；
②
浮球可以漂浮于贮箱液面；
③
浮球能够沿着导向杆随液面上下浮动；
④
浮球上可以装有燃烧器，点火燃烧后给贮箱内部加热；
⑤
浮球上也可以设置高温气体排气装置，能够排出高温气体给贮箱内部加热，同时补充贮箱内增压气体。3.根据权利要求1所述的加热方法，其特征在于：
①
可以用燃烧器，点燃化学燃料放热；
②
可以直接从贮箱外引入高温气体通过排气装置排出，既给贮箱内补充增压气体，也同时给贮箱内部加热；
③
在火箭飞行过程中，随着燃料排出，液位降低，热源总是位于贮箱增压气体下方，即液面上方，从而实现总在增压气体底部加热。4.根据权利要求1所述的输送管，其特征在于：
①
输送管为刚度小的软管或者直径比较细的管路；
②
输送管能够跟随浮球上下浮动，不影响、卡滞其运动，比如螺旋缠绕在导轨外，形成弹簧状；
③
如果使用双组元燃料，双组元燃料分别通过浮球上下两根输送管输送；
④
如果使用单组元燃料，或者使用高温气体，只需要设置一根输送管即可。5.根据权利要求1所述的使用低温气体作为增压气体进行增压，其特征在于：
①
低温气体包括且不限于低温氦气、氢气、氮气等；
②
在条件允许情况下，增压气体在箭上的贮存温度尽量低，从而增大密度，降低存贮容积；
③
方法1：低温气体可以从贮箱外部输入贮箱，此时既可以输入低温气体后贮箱内部被加热，也可以在贮箱外部被加热到高温后再通过排气装置注入贮箱；
④
方法2：低温气体可以通过适当增大气枕容积，以贮箱增压设计压力水平，以低温燃料温度的状态直接存贮在贮箱气枕内，从而省掉增压气瓶，简化增压系统设计；
⑤
方法3：将贮箱内液体燃料以被燃烧器(或出气口)加热挥发形式补充贮箱内增压气体，获得自生增压的效果；
⑥
上述3种方法可以组合使用，也可以和其他增压方式联合使用。

技术总结
本发明公开了一种能够对液体运载火箭燃料贮箱内增压气体均匀加热，使增压气体稳定膨胀，实现对贮箱进行增压、保压的方法及其结构装置。本发明公开的增压结构装置包括在运载火箭贮箱内设置导向杆、浮球、输送管、燃烧器或排气装置、点火杆等结构部件，其中浮球携带燃烧器或排气装置，能够随着贮箱内随燃料液面上下浮动，通过输送管将燃料送至燃烧器，借助点火杆点燃燃料，燃料燃烧放出大量的热量，将贮箱内的增压气体加热后使其膨胀，或通过输送管直接将高温气体输送至排气装置后，一方面向贮箱补气，一方面给贮箱内部加热。通过以上两种途径均可实现在贮箱内液体燃料被输送到发动机后，用更少的增压气体维持贮箱内部压力。本发明公开的热增压方法具有加热稳定，热功率高，结构简单，安全可靠等优点，在同等使用条件下能够大幅降低液体运载火箭中增压气体的使用量。量。量。


技术研发人员：王立朋 刘重移 王彩霞 何凯文 李子怿 卢晓阳
受保护的技术使用者：光年探索（江苏）空间技术有限公司
技术研发日：2022.04.26
技术公布日：2022/6/10