CN110005546A - 一种多次起动火箭发动机及起动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航天推进技术领域，具体涉及一种多次起动火箭发动机及起动方法。多次起动火箭发动机采用从涡轮泵后端引出氧化剂和燃料，发生器点火燃烧产生一定压力的燃气驱动涡轮泵转动，实现火箭发动机的多次起动。其采用为燃气发生器泵送介质的方式实现涡轮泵的起动，其可实现火箭发动机的多次稳定起动，简化起动结构。
Description
技术领域
本发明涉及航天推进技术领域，具体涉及一种多次起动火箭发动机及起动方法。
背景技术
泵压式火箭发动机在达到稳定工作状态前需要起动涡轮泵，使涡轮泵开始转动。一般发动机采用高压气吹动涡轮或者采用火药产生燃气，使涡轮泵开始旋转。这对于一次使用运载火箭而言不是问题，但是对于重复使用运载火箭而言，采用高压气起动器，其起动次数有限，无法实现多次重复起动。
例如，专利文献RU2545613C1公开了一种多次起动液体火箭发动机，其包括推力室、为推力室供给燃料和氧化剂的涡轮；发动机起动方式为，采用在气体容器内的高压气体起动涡轮。上述专利文献中，使用气瓶起动方式，由于气瓶压力下降或者每次充气工况不一致，造成起动状态有差别，起动不稳定，可能造成起动问题。另外对于重复使用运载火箭，使用火药起动必须设置多个火药起动器，其结构复杂。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中火箭发动机多次起动不稳定以及起动结构复杂的技术缺陷，从而提供一种多次起动火箭发动机及机起动方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种多次起动火箭发动机，其包括，
推力室；
涡轮泵，其上具有涡轮泵燃料入口、涡轮泵燃料出口、涡轮泵氧化剂入口、涡轮泵氧化剂出口、涡轮泵燃气入口、以及涡轮泵排气口，其中所述涡轮泵燃料出口、所述涡轮泵氧化剂出口分别与所述推力室连通；
燃气发生器，具有发生器氧化剂入口、发生器燃料入口，以及发生器燃气出口，其中所述发生器燃气出口与所述涡轮泵燃气入口连通，通过向所述涡轮泵内提供燃气，驱动所述涡轮泵运转；
第一泵，其入口与所述涡轮泵氧化剂出口连通，其出口与所述发生器氧化剂入口连通，所述第一泵用于在所述涡轮泵运转前开启，向所述燃气发生器内提供氧化剂；
第二泵，其入口与所述涡轮泵燃料出口连通，其出口与所述发生器燃料入口连通，第二泵用于在所述涡轮泵运转前向所述燃气发生器内提供燃料。
所述轮泵氧化剂出口与所述推力室之间通过氧化剂出口管道连通；所述涡轮泵燃料出口与所述推力室之间通过燃料出口管道连通；所述第一泵，其入口与所述氧化剂出口管道连接；所述第二泵，其入口与所述燃料出口管道连接。
上述多次起动火箭发动机，还包括，氧化剂入口管道，其设于氧化剂箱与所述涡轮泵氧化剂入口之间；燃料入口管道，其设于燃料箱与所述涡轮泵燃料入口之间。
所述氧化剂出口管道和所述燃料出口管道上分别设有氧化剂主阀和燃料主阀。
所述涡轮泵包括同轴设置的主涡轮、氧化剂泵、燃料一级泵和燃料二级泵；所述主涡轮与所述燃气发生器连接；所述氧化剂泵分别与所述氧化剂入口管道和氧化剂出口管道连接；所述燃料一级泵与所述燃料入口管道连接；所述燃料二级泵分别与燃料一级泵和所述燃料出口管道连接。
进一步地，所述第一泵、所述第二泵均为电动泵，还包括驱动所述第一泵、所述第二泵工作的电机，以及为所述电机供电的起动电源。
上述多次起动火箭发动机，还包括，发电机，其与所述起动电源电连接，并为所述起动电源充电；所述发电机和所述涡轮泵的主轴传动连接。
进一步地，所述发电机的主轴同轴设有从动齿轮，所述从动齿轮通过传动齿轮或传动齿轮组与所述涡轮泵的主轴同轴设置的驱动齿轮连接。
进一步地，所述电机包括第一电机和第二电机，其分别驱动第一泵和第二泵。
所述第一泵和所述燃气发生器之间连通的管路上设有氧化剂副阀；所述第二泵和所述燃气发生器之间连通的管路上设有燃料副阀。
上述多次起动火箭发动机，还包括，第一分支通路，其与所述第一泵的出口连接，用于将氧化剂返回所述氧化剂箱；所述第一分支通路上设有第一循环阀；第二分支通路，其与所述第二泵的出口连接，用于将燃料返回所述燃料箱；所述第二分支通路上设有第二循环阀。
本发明还提供一种火箭,具有上述的多次起动火箭发动机。
本发明还提供一种火箭发动机起动方法，包括如下步骤：
起动时通过第一泵从所述涡轮泵氧化剂出口，第二泵从所述涡轮泵燃料出口分别引入氧化剂和燃料至燃气发生器内；
燃气发生器点火燃烧产生燃气驱动涡轮泵转动后，停止第一泵和第二泵的工作；
涡轮泵工作向推力室和燃气发生器供应氧化剂和燃料；
推力室点火燃烧产生推力，完成火箭发动机起动。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的多次起动火箭发动机，其第一泵入口与涡轮泵氧化剂出口连通，第一泵出口与发生器氧化剂入口连通，在涡轮泵运转前开启，向燃气发生器内提供氧化剂；其第二泵入口与涡轮泵燃料出口连通，第一泵出口与发生器燃料入口连通，在所述涡轮泵运转前向燃气发生器内提供燃料；以上从涡轮泵后引出氧化剂和燃料供给燃气发生器，发生器点火燃烧产生一定压力的燃气驱动涡轮泵转动，实现火箭发动机的多次起动。其采用为燃气发生器泵送介质的方式实现涡轮泵的起动，其可实现火箭发动机的多次稳定起动，并且由于不需要额外设置高压气起动器或火药起动装置，仅通过第一泵和第二泵在涡轮泵后给燃气发生器引入介质，简化了起动结构。
2.本发明提供的多次起动火箭发动机，所述第一泵、所述第二泵均为电动泵，还包括驱动所述第一泵、所述第二泵工作的电机，以及为所述电机供电的起动电源。以电源向电机供电，驱动所述第一泵和第二泵运转，从而实现向所述燃气发生器供应介质。并且，还设置有和涡轮泵的主轴传动连接的发电机，涡轮泵起动工作后，带动发电机给起动电源充电，用于下次起动供电。
3.本发明提供的多次起动火箭发动机，第一泵和第二泵分别从涡轮泵后端引出氧化剂和燃料，并且还设置第一分支通路，其与所述第一泵的出口连接，用于将氧化剂返回所述氧化剂箱；所述第一分支通路上设有第一循环阀；第二分支通路，其与所述第二泵的出口连接，用于将燃料返回所述燃料箱；所述第二分支通路上设有第二循环阀；上述设置方式，可以将第一泵和第二泵兼做预冷循环泵使用，可以循环预冷涡轮泵，避免排放预冷造成推进剂消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的多次起动火箭发动机的结构示意图；
附图标记说明：
1-推力室；2-涡轮泵；3-燃料主阀；4-氧化剂主阀；5-燃料副阀；6-氧化剂副阀；7-氧化剂箱；8-燃料箱；9-发电机；15-燃气发生器；16-第一泵；17-第二泵；18-第一循环阀；19-第二循环阀；21-主涡轮；22-燃料一级泵；23-燃料二级泵；24-氧化剂泵；71-氧化剂入口管道；72-氧化剂出口管道；81-燃料入口管道；82-燃料出口管道。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种多次起动火箭发动机，其包括：推力室1；涡轮泵2，其上具有涡轮泵燃料入口、涡轮泵燃料出口、涡轮泵氧化剂入口、涡轮泵氧化剂出口、涡轮泵燃气入口、以及涡轮泵排气口，其中所述涡轮泵燃料出口、所述涡轮泵氧化剂出口分别与所述推力室1连通；燃气发生器15，具有发生器氧化剂入口、发生器燃料入口，以及发生器燃气出口，其中所述发生器燃气出口与所述涡轮泵燃气入口连通，通过向所述涡轮泵2内提供燃气，驱动所述涡轮泵2运转；第一泵16，其入口与所述涡轮泵氧化剂出口连通，其出口与所述发生器氧化剂入口连通，所述第一泵16用于在所述涡轮泵2运转前开启，向所述燃气发生器15内提供氧化剂；第二泵17，其入口与所述涡轮泵燃料出口连通，其出口与所述发生器燃料入口连通，第二泵17用于在所述涡轮泵2运转前向所述燃气发生器15内提供燃料。
通过第一泵入口与涡轮泵氧化剂出口连通，第一泵出口与发生器氧化剂入口连通，在涡轮泵2运转前开启，向燃气发生器15内提供氧化剂；其第二泵入口与涡轮泵燃料出口连通，第一泵出口与发生器燃料入口连通，在所述涡轮泵2运转前向燃气发生器15内提供燃料；以上从涡轮泵后引出氧化剂和燃料供给燃气发生器，发生器点火燃烧产生一定压力的燃气驱动涡轮泵转动，实现火箭发动机的多次起动。其采用为燃气发生器泵送介质的方式实现涡轮泵的起动，其可实现火箭发动机的多次稳定起动，并且由于不需要额外设置高压气起动器或火药起动装置，仅通过第一泵和第二泵在涡轮泵后给燃气发生器引入介质，简化了起动结构。
所述涡轮泵氧化剂出口与所述推力室1之间通过氧化剂出口管道72连通，以向所述推力室1供应氧化剂；所述涡轮泵燃料出口与所述推力室1之间通过燃料出口管道82连通，以向所述推力室1供应燃料；所述第一泵16，其入口与所述氧化剂出口管道72连接，以从所述涡轮泵后端引出氧化剂；所述第二泵17，其入口与所述燃料出口管道82连接，以从所述涡轮泵后端引出燃料。
上述多次起动火箭发动机，还包括，氧化剂入口管道71，其设于氧化剂箱7与所述涡轮泵氧化剂入口之间，其从所述氧化剂箱7引出氧化剂，为所述起动和/或推力室供应氧化剂；和燃料入口管道81，其设于燃料箱8与所述涡轮泵燃料入口之间，其从所述燃料箱8引出燃料，为所述起动和/或推力室供应燃料。
作为优选，所述第一泵16、所述第二泵17均为电动泵，还包括驱动所述第一泵16、所述第二泵17工作的电机，以及为所述电机供电的起动电源。以电源向电机供电，驱动所述第一泵和第二泵运转，从而实现向所述燃气发生器供应介质。
上述多次起动火箭发动机，还包括，发电机9，其与所述起动电源电连接，并为所述起动电源充电；所述发电机9和所述涡轮泵2的主轴传动连接。涡轮泵起动工作后，带动发电机给起动电源充电，用于下次起动供电。
所述发电机9和所述涡轮泵2的主轴传动方式，其可以是，发电机的主轴同轴设有从动齿轮，所述从动齿轮通过传动齿轮或传动齿轮组与所述涡轮泵2的主轴同轴设置的驱动齿轮连接。该驱动方式可以使涡轮泵2的主轴对发电机9的稳定驱动。但上述传动方式并不限于齿轮或齿轮组传动，其还可以是带传动等本领域内可实施的其他驱动方式。
所述涡轮泵2包括同轴设置的主涡轮21、氧化剂泵24、燃料一级泵22和燃料二级泵23；所述主涡轮21与所述燃气发生器15连接；所述氧化剂泵24分别与所述氧化剂入口管道71和氧化剂出口管道72连接，向所述推力室1输送氧化剂；所述燃料一级泵22与所述燃料入口管道81连接；所述燃料二级泵23分别与燃料一级泵22和所述燃料出口管道82连接，向所述推力室1输送经增压后的燃料。
进一步地，所述电机包括第一电机和第二电机，其分别驱动第一泵16和第二泵17，从而可独立控制第一泵16或第二泵17。
进一步地，所述推力室1上还设有点火器，以进行点火，为所述火箭发动机提供驱动力；所述燃气发生器15上设有点火器，以使得所述燃气发生器15产生燃气以驱动上述涡轮泵2。
在所述氧化剂出口管道72上设有氧化剂主阀4，以用于打开或封闭所述氧化剂出口管道72；在所述燃料出口管道82上分别和燃料主阀3，以用于打开或封闭所述燃料出口管道82。
在所述第一泵16和所述燃气发生器15之间连通的管路上设有氧化剂副阀6，以用于打开或封闭上述连通的管路，为所述燃气发生器15供应氧化剂；所述第二泵17和所述燃气发生器15之间连通的管路上设有燃料副阀5，以用于打开或封闭上述连通的管路，为所述燃气发生器15供应燃料。
作为优选，上述多次起动火箭发动机，还包括，第一分支通路，其与所述第一泵16的出口连接，用于将氧化剂返回所述氧化剂箱；所述第一分支通路上设有第一循环阀18；第二分支通路，其与所述第二泵17的出口连接，用于将燃料返回所述燃料箱；所述第二分支通路上设有第二循环阀19。
上述第一分支通路和第二分支通路在使用时，所述燃料主阀3、氧化剂主阀4、燃料副阀5以及氧化剂副阀6均关闭，上述第一循环阀18和第二循环阀19打开，所述第一泵16和第二泵17从涡轮泵2后端引出氧化剂和燃料，通过上述第一分支通路和第二分支通路将氧化剂和燃料分别返回所述氧化剂箱和燃料箱，以实现循环预冷涡轮泵，避免排放预冷造成推进剂消耗。
实施例2
本实施例提供一种火箭，其具有实施例1所述的多次起动火箭发动机。其采用的火箭发动机为燃气发生器泵送介质的方式实现涡轮泵的起动，其可实现火箭发动机的多次稳定起动，并且由于不需要额外设置高压气起动器或火药起动装置，简化了火箭的起动结构。
实施例3
本实施例提供一种火箭发动机起动方法，其包括如下步骤：起动时通过第一泵16从涡轮泵氧化剂出口，第二泵17从涡轮泵燃料出口分别引入氧化剂和燃料至燃气发生器15内；燃气发生器15点火燃烧产生燃气驱动涡轮泵2转动后，停止第一泵和第二泵的工作；涡轮泵2工作向推力室1和燃气发生器15供应氧化剂和燃料；推力室1点火燃烧产生推力，完成火箭发动机起动。
本实施例提供的火箭发动机起动方法，其从涡轮泵2后引出介质供给发生器，发生器点火燃烧产生一定压力的燃气驱动涡轮泵2转动，涡轮泵工作到发动机达到一定工况，涡轮泵即可供应发生器流量，发动机进入稳定工作状态。此时第一泵16和第二泵17停止运转，所述涡轮泵2的正常运转可以给所述推力室1以及所述燃气发生器15提供氧化剂和燃料，上述第一泵16和第二泵17在此仅起到通路的作用。从涡轮泵后引出氧化剂和燃料供给燃气发生器，发生器点火燃烧产生一定压力的燃气驱动涡轮泵转动，实现火箭发动机的多次起动。其采用为燃气发生器泵送介质的方式实现涡轮泵的起动，其可实现火箭发动机的多次稳定起动，并简化起动结构。
进一步地，所述第一泵16和第二泵17均为电动泵，火箭发动机配备电机驱动所述第一泵16和第二泵17，当发动机进入稳定工作状态时，电机断电锁定起动泵，从而实现火箭发动机的稳定多次启动。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (14)
1.一种多次起动火箭发动机，其特征在于，包括：
推力室(1)；
涡轮泵(2)，其上具有涡轮泵燃料入口、涡轮泵燃料出口、涡轮泵氧化剂入口、涡轮泵氧化剂出口、涡轮泵燃气入口、以及涡轮泵排气口，其中所述涡轮泵燃料出口、所述涡轮泵氧化剂出口分别与所述推力室(1)连通；
燃气发生器(15)，具有发生器氧化剂入口、发生器燃料入口，以及发生器燃气出口，其中所述发生器燃气出口与所述涡轮泵燃气入口连通，通过向所述涡轮泵内提供燃气，驱动所述涡轮泵(2)运转；
第一泵(16)，其入口与所述涡轮泵氧化剂出口连通，其出口与所述发生器氧化剂入口连通，所述第一泵(16)用于在所述涡轮泵(2)运转前开启，向所述燃气发生器(15)内提供氧化剂；
第二泵(17)，其入口与所述涡轮泵燃料出口连通，其出口与所述发生器燃料入口连通，第二泵(17)用于在所述涡轮泵(2)运转前向所述燃气发生器(15)内提供燃料。
2.根据权利要求1所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，
所述涡轮泵氧化剂出口与所述推力室(1)之间通过氧化剂出口管道(72)连通；
所述涡轮泵燃料出口与所述推力室(1)之间通过燃料出口管道(82)连通；
所述第一泵(16)，其入口与所述氧化剂出口管道(72)连接；
所述第二泵(17)，其入口与所述燃料出口管道(82)连接。
3.根据权利要求2所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，还包括，
氧化剂入口管道(71)，其设于氧化剂箱(7)与所述涡轮泵氧化剂入口之间；
燃料入口管道(81)，其设于燃料箱(8)与所述涡轮泵燃料入口之间。
4.根据权利要求1所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，所述第一泵(16)、所述第二泵(17)均为电动泵，还包括驱动所述第一泵(16)、所述第二泵(17)工作的电机，以及为所述电机供电的起动电源。
5.根据权利要求4所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，还包括，发电机(9)，其与所述起动电源电连接，并为所述起动电源充电；所述发电机(9)和所述涡轮泵(2)的主轴传动连接。
6.根据权利要求5所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，所述发电机的主轴同轴设有从动齿轮，所述从动齿轮通过传动齿轮或传动齿轮组与所述涡轮泵(2)的主轴同轴设置的驱动齿轮连接。
7.根据权利要求3所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，
所述涡轮泵(2)包括同轴设置的主涡轮(21)、氧化剂泵(24)、燃料一级泵(22)和燃料二级泵(23)；
所述主涡轮(21)与所述燃气发生器(15)连接；
所述氧化剂泵(24)分别与所述氧化剂入口管道(71)和氧化剂出口管道(72)连接；
所述燃料一级泵(22)与所述燃料入口管道(81)连接；
所述燃料二级泵(23)分别与燃料一级泵(22)和所述燃料出口管道(82)连接。
8.根据权利要求4所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，所述电机包括第一电机和第二电机，其分别驱动第一泵(16)和第二泵(17)。
9.根据权利要求1所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，所述推力室(1)和所述燃气发生器(15)上均设有点火器。
10.根据权利要求2所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，所述氧化剂出口管道(72)和所述燃料出口管道(82)上分别设有氧化剂主阀(4)和燃料主阀(3)。
11.根据权利要求1所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，所述第一泵(16)和所述燃气发生器(15)之间连通的管路上设有氧化剂副阀(6)；所述第二泵(17)和所述燃气发生器(15)之间连通的管路上设有燃料副阀(5)。
12.根据权利要求11所述的多次起动火箭发动机，其特征在于，还包括，
第一分支通路，其与所述第一泵(16)的出口连接，用于将氧化剂返回所述氧化剂箱；所述第一分支通路上设有第一循环阀(18)；
第二分支通路，其与所述第二泵(17)的出口连接，用于将燃料返回所述燃料箱；所述第二分支通路上设有第二循环阀(19)。
13.一种火箭，其特征在于，具有如权利要求1-12中任一项所述的多次起动火箭发动机。
14.一种火箭发动机起动方法，其特征在于，包括如下步骤：
起动时通过第一泵(16)从涡轮泵氧化剂出口，第二泵(17)从涡轮泵燃料出口分别引入氧化剂和燃料至燃气发生器(15)内；
燃气发生器(15)点火燃烧产生燃气驱动涡轮泵(2)转动后，停止第一泵和第二泵的工作；
涡轮泵(2)工作向推力室(1)和燃气发生器(15)供应氧化剂和燃料；
推力室(1)点火燃烧产生推力，完成火箭发动机起动。
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