一种开式膨胀循环发动机及其参数估计方法、装置与流程

本公开涉及液体火箭发动机中膨胀循环发动机，特别涉及一种开式膨胀循环发动机及其参数估计方法、装置。

背景技术：

1、循环方式作为液体火箭发动机最重要的技术特点之一，直接决定了其性能高低、适用范围及相应技术方案。膨胀循环作为液体火箭发动机三大典型循环之一，与另外两种循环方式（燃气发生器循环、补燃循环）相比，具有一定优势。相比燃气发生器循环，作为闭式循环，一方面没有燃气发生器等复杂热力组件，另一方面没有未充分做功的燃气浪费，比冲性能较高。相比补燃循环，没有预燃室等复杂热力组件，结构简单。

2、尽管膨胀循环方式存在一定优势，但缺陷也较为明显。文献（并联式电热协同增压变推力火箭发动机方案研究. 载人航天, 2020, 26(6): 702-9.）指出，在该方式中，推进剂从冷却通道中吸热，然后驱动涡轮做功，最终进入燃烧室燃烧，相比燃烧后产生的高温高压燃气而言，吸热后的推进剂做功能力有限，且涡轮亚比不宜过大，因此膨胀循环发动机室压较低，推力较小，主要应用于上面级中，无法在运载火箭的芯级或助推中使用。为此，专利号为202211255422.4的全开式膨胀循环发动机提出将经冷却通道吸热的燃料分为两路，一路驱动涡轮做功后排入环境，一路进入推力室燃烧产生推力；以提升燃烧室压力，增大比冲，提升推力。但该发动机依然存在吸热后的推进剂做功能力有限问题。

技术实现思路

1、本公开的目的是为现有全开式膨胀循环发动机结构室压不够高、推力不够大的问题，提供一种开式膨胀循环发动机；在此基础上，为使人们能够直观认识该发动机，了解状态参数的变化规律，提供一种基于该发动机的状态参数估计方法、装置。

2、本公开的目的是通过以下技术方案实现的。

3、第一方面，本公开提供一种开式膨胀循环发动机，包括燃料涡轮、燃料泵、燃料阀门、冷却通道、喷注器、燃烧室、喷管、氧化剂涡轮、氧化剂泵、氧化剂阀门；燃料经过燃料泵加压后通过燃料阀门分成两路，一路进入冷却通道从燃烧室吸热后依次驱动燃料涡轮和氧化剂涡轮做功，另一路和经氧化剂泵加压后通过氧化剂阀门的氧化剂通过喷注器喷注到燃烧室燃烧后由喷管喷出，以推动火箭飞行；燃料涡轮和氧化剂涡轮分别驱动燃料泵和氧化剂泵工作。

4、第二方面，本公开提供一种参数估计方法，基于第一方面提供的发动机，包括：

5、基于发动机的推力室室压 pc、推力室混合比 mr和喷管出口压力 pe计算推力室比冲 ispc；

6、基于发动机推力 f、 mr、发动机的推力室流量占比和 ispc通过下式计算推力室氧化剂流量、燃料流量和涡轮功质流量：

7、

8、初始化燃料涡轮压比和氧化剂涡轮压比；

9、获取冷却通道出口温度 trc；

10、计算燃料泵功率，基于冷却通道出口温度计算燃料涡轮功率，将燃料泵和燃料涡轮功率进行对比，若不匹配，调整燃料涡轮压比，重复本步骤内容直至燃料泵和燃料涡轮功率匹配；

11、计算氧化剂泵和氧化剂涡轮功率并对比，若不匹配，调整氧化剂涡轮压比，直至氧化剂泵和氧化剂涡轮功率匹配。

12、第三方面，本公开提供一种参数估计装置，基于第一方面提供的发动机，包括：

13、输入模块，用于获取发动机推力 f、喷管出口压力 pe，以及工况参数：室压 pc、混合比 mr、流量占比、冷却通道出口温度 trc；

14、推力室比冲计算模块，用于基于 pc、 mr和 pe计算推力室比冲 ispc；

15、流量计算模块，用于基于 f、 mr、和 ispc通过下式计算推力室氧化剂流量、燃料流量和涡轮功质流量：

16、

17、涡轮压比初始化模块：用于初始化燃料涡轮压比和氧化剂涡轮压比；

18、燃料涡轮泵匹配模块，用于计算燃料泵功率，给定冷却通道出口温度，计算燃料涡轮功率，将燃料泵和燃料涡轮功率进行对比，若不匹配，调整燃料涡轮压比，重复本模块直至燃料泵和燃料涡轮功率匹配；

19、氧化剂涡轮泵匹配模块，用于计算氧化剂泵和氧化剂涡轮功率并对比，若不匹配，调整氧化剂涡轮压比，直至氧化剂泵和氧化剂涡轮功率匹配。

20、第四方面，本公开提供一种电子设备，包括：

21、至少一个处理器；以及，

22、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行第二方面任一实施例所述的方法。

23、第五方面，本公开提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时使处理器执行第二方面任一实施例所述的方法。

24、第六方面，本公开提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时使处理器执行第二方面任一实施例所述的方法。

25、有益效果

26、对比现有技术，本公开通过将燃料分流，其中一路经冷却通道在冷却燃烧室的同时自身吸热升温后，依次经过燃料涡轮和氧化剂涡轮带动燃料泵和氧化剂泵旋转，提升燃料和氧化剂的压力，另一路直接进入推力室通过燃烧膨胀做功提供推力；在降低室压和涡轮压比之间耦合的同时，提升带动燃料泵和氧化剂泵旋转的涡轮的工质做功能力，从而提升进入推力室燃料和氧化剂的压力，进一步提升室压、增大比冲、提升发动机推力。在此发动机基础上，为便于对该发动机不同节点状态参数变化规律的直观认识，提供一种参数估计方法，基于给定发动机设计和工况参数，以涡轮泵功率匹配为条件、涡轮压比作为调整变量进行节点状态参数估计（不同于现有膨胀循环发动机推力调节时总体结构参数确定，将驱动涡轮的流量作为调整变量来进行节点状态参数估计的做法，如崔朋, 李清廉, 成鹏,et al. 液氧甲烷膨胀循环变推力发动机系统方案对比研究 [j]. 国防科技大学学报,2020, 42(3): 106-15.），便于对发动机进行总体方案设计和参数优化，以便后续开展开式膨胀循环发动机部组件（如涡轮、泵、推力室等）的结构参数设计。

技术特征：

1.一种开式膨胀循环发动机，其特征在于：包括：

2.一种基于权利要求1所述的开式膨胀循环发动机的参数估计方法，其特征在于：包括：

3.根据权利要求2所述的参数估计方法，其特征在于：所述初始化燃料涡轮压比和氧化剂涡轮压比为根据预设值或输入值初始化。

4.根据权利要求2所述的参数估计方法，其特征在于：所述调整为根据预设步长调整。

5.根据权利要求2所述的参数估计方法，其特征在于：所述燃料泵功率ppf通过下式计算：

6.根据权利要求5所述的参数估计方法，其特征在于：所述燃料涡轮功率ptf通过下式计算：

7.根据权利要求6所述的参数估计方法，其特征在于：所述氧化剂泵功率ppox通过下式计算：

8.根据权利要求7所述的参数估计方法，其特征在于：所述氧化剂涡轮功率ptox通过下式计算：

9.根据权利要求8所述的参数估计方法，其特征在于：还包括关键节点状态参数输出的步骤。

10.一种基于权利要求1所述的开式膨胀循环发动机的参数估计装置，其特征在于： 包括：

技术总结
本公开涉及一种开式膨胀循环发动机及其参数估计方法、装置，属于液体火箭发动机总体方案设计技术领域。本公开发动机通过将燃料分流，其中一路经冷却通道在冷却燃烧室的同时自身升温后，依次经过燃料涡轮和氧化剂涡轮对燃料泵和氧化剂泵做功，提升燃料和氧化剂的压力，另一路直接进入推力室通过燃烧做功提供推力；大幅降低室压和涡轮压比之间的耦合，提升发动机推力。在该发动机结构基础上，进一步以涡轮泵功率匹配为条件，基于给定的发动机设计参数，进行关键节点参数估计，便于人们对该发动机不同节点状态参数分布规律的直观认识，方便对其进行总体方案设计和参数优化，从而开展膨胀循环发动机部组件（如涡轮、泵、推力室等）的结构参数设计。

技术研发人员：崔朋,周城宏,刘鹰,刘阳,谭云涛,朱雄峰,雍子豪,韩秋龙,谷建光,吴非霏,王铁兵,李晨阳,王一杉,谭胜
受保护的技术使用者：中国人民解放军63921部队
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12