TWI776218B - 火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統 - Google Patents

火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統 Download PDF

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Abstract

本發明為一種火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，主要透過一電動機及一流體燃料噴射器提供動能，特別的是，在火箭初升空時是透過電動機驅動壓縮機給予的動能進行升空，當火箭速度以及高度逐漸提升，則另外驅動燃料動力給予動能升空，藉此減少火箭上所需攜帶的流體燃料，進而增加火箭的乘載空間，達成增加載重率的有利功效。

Description

火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統
本發明係關於火箭的技術領域，特別係指一種火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統。
目前較常見之火箭推進器，主要是以固態火箭推進器、液態火箭推進器或混合式火箭推進器為大宗，又因為混合式火箭推進器具備能夠控制推力大小、成本相對低等特性，同時具備更高的安全性，因此使用混合式火箭推進器者為最大宗。
值得一提的，雖然混合式火箭相較於純液態或純固態火箭更容易控制其推力大小，其仍然有許多使用上的不便，例如：從地面升空開始即利用液態燃料與固態燃料混合做推進燃料，導致火箭上需儲備許多火箭升空所用的液態燃料，相對地，還需要計算液態燃料減輕後可能對火箭產生的偏移，進而根據計算結果調整火箭推進器的推力大小。
最需注意的是，由於火箭從地面升到太空所需的液態燃料，都需備於火箭本體上，為了備足升空所需的液態燃料，火箭本體上許多空間都被用 於儲存液態燃料，導致火箭內能夠裝設的設備量少，進而讓火箭所能乘載的物件重量比極低。
有鑑於此，確有必要提供一種技術手段，以解決火箭所能乘載的物件重量比極低的問題。
本發明之目的在於，解決火箭所能乘載的物件重量比極低的問題。
為達成前述目的，本發明為一種火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，包含：一機殼，具有依序連接的一第一箱體、一第二箱體、一第三箱體，該第一箱體具有連通的一進氣口及一第一空間，該第二箱體具有連通該第一空間的一第二空間，該第三箱體具有連通該第二空間的一第三空間；一電動機，設於該第一箱體內，該電動機具有一中央處理系統、以及與該中央處理系統動力連接的一壓縮機；一流體燃料噴射器，設於該機殼上並與該中央處理系統控制連接，且該流體燃料噴射器具有伸入該第二箱體的一噴頭，該噴頭朝向該第三箱體並供以噴射流體燃料；一點火器，設於該第三箱體內並與該中央處理系統控制連接，該點火器供以點燃流體燃料；藉此，具有一第一階段、一第二階段及一第三階段，在該第一階段時，該中央處理系統驅動該壓縮機運作，以提供主要的動能，在火箭提升至一定高度後進入該第二階段，在該第二階段時，該中央處理系統控制該壓縮機 逐漸降載，，進入第三階段時，該中央處理系統控制該壓縮機降載，並主要以驅動該流體燃料噴射器朝向該第三箱體噴射流體燃料提供動能，值得一提的是，在第一、第二及第三階段中，該中央處理系統驅動該流體燃料噴射器的噴射量都相同。
在另一解決方案中，本發明為一種火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，包含：一機殼，具有依序連接的一第一箱體、一第二箱體、一第三箱體，該第一箱體具有連通的一進氣口及一第一空間，該第二箱體具有連通該第一空間的一第二空間，該第三箱體具有連通該第二空間的一第三空間；一電動機，設於該第一箱體內，該電動機具有一中央處理系統、以及與該中央處理系統動力連接的一壓縮機；一流體燃料噴射器，設於該機殼上並與該中央處理系統控制連接，且該流體燃料噴射器具有伸入該第二箱體的一噴頭，該噴頭朝向該第三箱體並供以噴射流體燃料；一點火器，設於該第三箱體內並與該中央處理系統控制連接，該點火器供以點燃流體燃料。
在一較佳實施例中，另具有一連接該第三箱體的一噴嘴，該噴嘴具有貫通且連通該第三空間的一通道。
在一較佳實施例中，該中央處理系統具有一處理單元、一電源以及一電動馬達，該處理單元與該電源控制連接，該電源與該電動馬達電性連接，該電動馬達與該壓縮機動力連接。
在一較佳實施例中，該電源為鋰離子電池或氫燃料電池。
在一較佳實施例中，該壓縮機能夠為軸流式壓縮機、離心式空氣壓縮機或軸流式壓縮機以及離心式空氣壓縮的組合。
在一較佳實施例中，該流體燃料噴射器內供以裝填碳氫燃料。
在一較佳實施例中，該點火器為一種自耦變壓器。
在一較佳實施例中，另具有一混合增強器設於該第二箱體內，且該混合增強器位於該噴嘴與該第三箱體之間。
由於火箭升空的第一階段是透過壓縮機升空，而壓縮機又是透過中央處理系統內的電源驅動，其重量遠低於液態燃料，火箭在第二階段逐漸轉換為流體燃料噴射器提供動能，讓火箭同樣能夠提升速度至超高音速，由於火箭僅在第二階段開始使用流體燃料，因此火箭上需儲備的流體燃料體積大幅降低，使火箭內能夠裝載更多設備，使火箭的載重率大幅提升。
10:機殼
11:第一箱體
111:進氣口
112:第一空間
12:第二箱體
121:第二空間
13:第三箱體
131:第三空間
14:噴嘴
141:通道
20:電動機
21:中央處理系統
211:處理單元
212:電源
213:電動馬達
22:壓縮機
30:流體燃料噴射器
31:噴頭
40:點火器
50:混合增強器
圖1為本發明於一較佳實施例中之結構示意圖；圖2為本發明的電動機及流體燃料噴射器之噴射狀況對比習用混合火箭之曲線圖。
請參閱圖1，本發明為一種火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，主要由一機殼10、一電動機20、一流體燃料噴射器30及一點火器40組成，其中：
該機殼10具有依序連接的一第一箱體11、一第二箱體12、一第三箱體13，該第一箱體11具有連通的一進氣口111及一第一空間112，該第二箱體12具有連通該第一空間112的一第二空間121，該第三箱體13具有連通該第二空 間121的一第三空間131；在本實施例中，另具有一連接該第三箱體13的一噴嘴14，該噴嘴14具有貫通且連通該第三空間131的一通道141。
該電動機20設於該第一箱體11內，並具有一中央處理系統21、以及與該中央處理系統21動力連接的一壓縮機22(compressor)；在本實施例中，該中央處理系統21具有一處理單元211(Central Processing Unit/CPU)、一電源212以及一電動馬達213，該處理單元211與該電源212控制連接，且該處理單元211主要用以控制該電源212供給該電動馬達213的電量，而該電源212與該電動馬達213電性連接，且該電源212能夠選用鋰離子電池或氫燃料電池提供該電動馬達213能源，而該電動馬達213與該壓縮機22動力連接，透過該電動馬達213能夠驅動該壓縮機22運轉，且該壓縮機22能夠為軸流式壓縮機22(Axial compressor)、離心式空氣壓縮機22(Centrifugal Air Compressors)或兩種類型壓縮機22的組合。
該流體燃料噴射器30設於該機殼10上並與該中央處理系統21控制連接，且該流體燃料噴射器30具有伸入該第二箱體12的一噴頭31，該噴頭31朝向該第三箱體13並供以噴射流體燃料；在本實施例中，該流體燃料噴射器30內供以裝填碳氫燃料(Hydrocarbon Fuel Tank)，碳氫燃料是一種可代替石化柴油的生物液體燃料，是一種石油能源的替代品。碳氫燃料能夠以各種脂類化合物(菜籽油、棉籽油…等各種植物油)與甲醇作為原材料，在催化劑作用下，通過脂交換反應產生的一種液體燃料。
該點火器40設於該第三箱體13內並與該中央處理系統21控制連接，並供以點燃流體燃料；在本實施例中，該點火器40為一種自耦變壓器，透過該中央處理系統21控制其電壓增減，以讓該點火器40能夠在特定時間點產生火花，並點燃該第三箱體13內的液體燃料。
藉此，具有一第一階段、一第二階段及一第三階段，在該第一階段時，該中央處理系統21驅動該壓縮機22運作，主要以壓縮機22提供動能，在 火箭提升至一定高度後進入該第二階段，在該第二階段時，該中央處理系統21控制該壓縮機22逐漸降載，在該第三階段時，該中央處理系統21驅動該流體燃料噴射器30朝向該第三箱體13噴射流體燃料，並主要以該流體燃料噴射器30提供動能，值得一提的是，在第一、第二及第三階段中，該中央處理系統21驅動該流體燃料噴射器30的噴射燃料的量都相同。
其中，另具有一混合增強器50(Mixing Enhancer)設於該第二箱體12內，且該混合增強器50位於該噴嘴14與該第三箱體13的第三空間131之間，當該噴嘴14朝向該第三箱體13噴射液體燃料時，液體燃料會先經過該混合增強器50再進入該第三箱體13的第三空間131內。
以上為本發明於一較佳實施例中之結構組態及其連接關係，本發明之使用方式及其所能產生的功效如下所述：
請參閱圖1及圖2，本發明火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統在使用主要有三個階段，在第一階段中，該中央處理系統21首先控制該壓縮機22啟動，並透過該中央處理系統21控制該流體燃料噴射器30少量噴射碳氫燃料，使空氣從進氣口111進入該第一空間112並通過該壓縮機22，當空器通過壓縮機22後呈高壓並依序通過該第二空間121、該第三空間131及該通道141，藉此讓火箭主要透過壓縮機22推進升空。
而在火箭透過壓縮機22升空後，該中央處理系統21控制該該壓縮機22降載，而該中央處理系統21控制該流體燃料噴射器30持續少量噴射碳氫燃料，在第二階段中由點燃碳氫燃料產生之動能配合壓縮機22產生的動能推進火箭升空，故在第二階段中，是由點燃碳氫燃料產生之動能加上壓縮機22產生的動能以升空。
在第三階段中，由於該電源212的電力逐漸耗盡，該中央處理系統21控制該壓縮機22降載，並主要以該流體燃料噴射器30朝向該第三箱體13噴射碳氫燃料，並利用點燃碳氫燃料產生之動能進行升空，請參閱圖2，在第三階段中，該中央處理系統21控制該壓縮機22關閉，因此在第三階段中僅透過流體燃料產生的動力推動火箭升空，與一般的沖壓火箭在脫離地心引力的階段後完全由液態燃料供給動能產生之沖量幾乎相等。
由於火箭升空的第一階段主要是透過壓縮機22升空，而壓縮機22又是透過中央處理系統21內的電源212驅動，其重量遠低於液態燃料，火箭在第二階段逐漸降載壓縮機22，火箭同樣能夠提升速度至超高音速，在第三階段時，該中央處理系統21控制降載壓縮機22的負載，並主要使用流體燃料提供動能，因此火箭上需儲備的流體燃料體積大幅降低，使火箭內能夠裝載更多設備，使火箭的載重率大幅提升。
10:機殼
11:第一箱體
111:進氣口
112:第一空間
12:第二箱體
121:第二空間
13:第三箱體
131:第三空間
14:噴嘴
141:通道
20:電動機
21:中央處理系統
211:處理單元
212:電源
213:電動馬達
22:壓縮機
30:流體燃料噴射器
31:噴頭
40:點火器
50:混合增強器

Claims (7)

  1. 一種火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，包含：一機殼，具有依序連接的一第一箱體、一第二箱體、一第三箱體，該第一箱體具有連通的一進氣口及一第一空間，該第二箱體具有連通該第一空間的一第二空間，該第三箱體具有連通該第二空間的一第三空間；一電動機，設於該第一箱體內，該電動機具有一中央處理系統、以及與該中央處理系統動力連接的一壓縮機；一流體燃料噴射器，設於該機殼上並與該中央處理系統控制連接，且該流體燃料噴射器具有伸入該第二箱體的一噴頭，該噴頭朝向該第三箱體並供以噴射流體燃料；一點火器，設於該第三箱體內並與該中央處理系統控制連接，該點火器供以點燃流體燃料，另具有一連接該第三箱體的一噴嘴，該噴嘴具有貫通且連通該第三空間的一通道；藉此，具有一第一階段、一第二階段及一第三階段，在該第一階段時，該中央處理系統驅動該壓縮機運作，以提供動能，在火箭提升至一定高度後進入該第二階段，在該第二階段時，該中央處理系統控制該壓縮機逐漸降載，進入第三階段時，該中央處理系統控制該壓縮機降載至電力耗盡關閉，並主要以驅動該流體燃料噴射器朝向該第三箱體噴射流體燃料提供動能，且在該第一階段、第二階段及第三階段中該中央處理系統驅動該流體燃料噴射器的噴射量相同。
  2. 如請求項1所述之火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，其中，該中央處理系統具有一處理單元、一電源以及一電動馬達，該處理 單元與該電源控制連接，該電源與該電動馬達電性連接，該電動馬達與該壓縮機動力連接。
  3. 如請求項2所述之火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，其中，該電源為鋰離子電池或氫燃料電池。
  4. 如請求項2所述之火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，其中，該壓縮機能夠為軸流式壓縮機、離心式空氣壓縮機或軸流式壓縮機以及離心式空氣壓縮的組合。
  5. 如請求項1所述之火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，其中，該流體燃料噴射器內供以裝填碳氫燃料。
  6. 如請求項1所述之火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，其中，該點火器為一種自耦變壓器。
  7. 如請求項1所述之火箭推進器的電動機及燃料動力混合系統，其中，另具有一混合增強器設於該第二箱體內，且該混合增強器位於該噴嘴與該第三箱體之間。
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