[发明专利]一种应用于液体火箭的三合气增压系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种轻质高效的液体运载火箭推进剂贮箱增压系统的技术方案及设计方法。

背景技术

运载火箭在飞行过程中，随着推进剂的被输送到发动机燃烧，推进剂贮箱中的气枕逐渐增大，如果气枕中气体量不增加，气枕压力会逐渐降低。而推进剂进入火箭发动机需要的一定压力，以及火箭贮箱维持一定刚度的需求，需对推进剂贮箱气枕进行持续的补气，以维持贮箱的压力，这就是运载火箭增压系统所完成的任务。常见的运载火箭贮箱增压系统按介质来源可分为两大类，一类采用推进剂以外的介质，通常为氦气或氮气等惰性气体，这类增压系统通常需携带单独的介质贮罐，例如高压气瓶或者液体贮罐，高压气瓶中的气体通过减压进入推进剂贮箱给贮箱增压，有时为减少介质携带量，通过利用火箭发动机的能量给介质加热以提高介质能量；另一类采用推进剂自身或者推进剂燃烧后的产物给贮箱增压，通常称为自生增压式，一小部分推进剂通过发动机中的换热器加热，生成高温高压气体，进入相应的推进剂贮箱进行增压，或者直接引一部分燃气通过换热器降温，进入贮箱增压。

根据火箭性能要求，特别是火箭选用的推进剂类型，运载火箭通常会采用上面一种或多种增压方式。气瓶贮气增压不受推进剂类型影响，适用范围广。但未经过加热的常温高压气瓶增压系统，由于气体密度低，需要的气瓶数量多，系统结构质量大。而经过加热的气体增压系统相比常温高压气瓶，气瓶携带数量减少，但是加热需通过火箭发动机，系统复杂，系统间耦合程度高，可靠性较低。自生增压系统适用于低温推进剂如液氢、液氧以及肼类和四氧化二氮等常温推进剂。同样，自生增压系统间耦合程度高，虽然没有气瓶等的额外质量，但除小分子量的推进剂液氢外，其余推进剂气化后的增压气体质量都远大于火箭上常用的增压介质氦气，因此消耗的推进剂总量大，整体质量效率不高，但系统相对于气瓶加热增压的系统更为简单。另外，无论是自生增压还是通过发动机加温的气瓶增压，由于火箭发动机都位于火箭最后端，而气瓶和增压气体入口通常在贮箱顶部，增压系统需要跨越整个火箭推进剂贮箱，跨度大，管路走向复杂。同时，由于加温系统或换热器集成在发动机中，增压系统研制时无法进行分系统试验，增压系统设计正确性在系统研制阶段难以通过地面试验进行验证。

随着我国航天产业的发展及运载火箭多样化需求，火箭增压系统既要满足高可靠、高效率的性能需求，还要具备重量轻、成本低的特点，这对增压系统的设计带来了全新的挑战。传统的增压方式或多或少都无法满足高效低质量的特点，寻求更高效同时更低质量的增压方式，是未来低成本高运力运载火箭系统方案的需求之一。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于液体火箭的三合气增压系统。

本发明的技术解决方案是：一种应用于液体火箭的三合气增压系统，：包括混合气瓶、氧气瓶、流量控制单元和催化床；

混合气瓶中预先存储惰性气体和氢气的混合气体；氧气瓶中存储氧气；两个气瓶通过流量控制单元控制气瓶内气体输出的流量，输出的氦气、氢气以及氧气的混合气体通过催化床进行催化反应，氧气和氢气反应后生成水蒸气并释放热量，将惰性气体、水蒸气和反应剩余的氧气加温后进入贮箱增压。

所述的流量控制单元的设计步骤如下：

第一步，根据火箭飞行中贮箱增压压力的需求，计算出需求的增压氦气流量和温度状态；

第二步，根据计算所需的增压惰性气体流量及温度状态与惰性气体初始存储状态的差异，计算惰性气体所需的加热量；

第三步，根据计算获得的加热量，对比氢氧催化反应的放热量，计算获得氢气氧气的供气量；

第四步，根据计算的惰性气体、氢气、氧气供气量，确定惰性气体、氢气的混合比例，根据结构设计需求选择惰性气体氢气混合气、氧气各自的存储压力；

第五步，根据惰性气体氢气、氧气的存储压力及流量需求，确定满足上述流量控制的流量控制单元。

氦氢气瓶浸泡在液氧推进剂中，氧气瓶常温存储。

所述的流量控制单元包括过滤器、电磁阀、孔板、压力传感器、控制单元；电磁阀和孔板串联构成一个供气通路，混合气体以及氧气供气通路的数量及孔板大小根据混合气体、氧气的存储压力及流量需求以及增压压力带的控制精度确定；多个供气通路并联构成混合气体或氧气的供气通路；供气通路的上游通过过滤器连接相应的气瓶，下游进入催化床；压力传感器测量贮箱内的气枕压力，控制单元根据气枕压力控制每个供气通路电磁阀的开启或关闭，使进入催化床的气体流量、压力满足要求。

催化床安装在贮箱内部位于液面之上。

所述的催化床内采用镀银球形催化剂颗粒填充。