[发明专利]基于改进膨胀偏转喷管的大推力闭式膨胀循环火箭发动机

说明书

本发明公开了一种使用膨胀/偏转喷管的闭式膨胀循环火箭发动机，特别是涉及一种其膨胀/偏转喷管的菌状中心体有较粗的直径，且其表面也是驱动涡轮工质所流过的换热器表面的闭式膨胀循环火箭发动机。由于有更多的吸热表面，吸收了更多热能的工质能够以更高的功率驱动涡轮，使本发明突破了以往业界公认的闭式膨胀循环火箭发动机推力不大于30吨的限制。菌状中心体菌杆部分的截面偏离圆形，配合周围均匀或非均匀排布的针栓喷注器流量上的差异控制，实现了在喷管固定情况下的三轴矢量推进。嵌入加粗的中心体菌杆部分的涡轮可以省掉通向涡轮的管路。同轴对转涡轮分别驱动燃料泵和氧化剂泵的结构减小了体积。

技术领域

本发明涉及一种使用膨胀/偏转喷管的闭式膨胀循环火箭发动机，特别是涉及一种其膨胀/偏转喷管的菌状中心体有较粗的直径，且其表面也是驱动涡轮工质所流过的换热器表面的闭式膨胀循环火箭发动机。

背景技术

驱动现有闭式膨胀循环火箭发动机涡轮的工质所拥有的热能来自燃烧室内壁和喷管。由于工质所能吸收的热能受限于换热表面积，所以现有闭式膨胀循环火箭发动机的推力不大于30吨，这是一个业界共识。现有火箭发动机为了实现推力矢量控制，必须采用泵后摆技术或对整个发动机实施摆动，结构重量很大。喷管高度补偿能力的气塞式火箭发动机在火箭未达到超音速时喷管效率较低，且中心体冷却困难。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是如何扩大驱动涡轮的工质的吸热面积，使工质能驱动更高功率的涡轮，产生更大的推力。为解决上述技术问题，本发明使用经过改进的膨胀偏转喷管。常规的膨胀偏转喷管（如图1）有一个菌状中心体，菌冠的直径稍大于喷管喉部直径，菌杆直径则尽可能地小，所以燃烧室截面是一带小孔的圆盘。且其冷却工质的整个流动路径是：从下向上流过燃烧室喉部，向上流过燃烧室侧壁，在流向工质汇集区域。本发明则扩大了菌杆和菌冠的直径，并在两者的表面内部布满冷却通道，这样就增加了工质的吸热面积。当然，燃烧室和喉部的直径也要相应扩大，使得燃烧室的横截面形状变成了一个圆环。冷却工质的整个流动路径是：从下向上流过燃烧室喉部，向上流过燃烧室侧壁，由燃烧室顶盖边缘径向向内流过燃烧室顶盖，向下流过菌杆侧壁，向外流到菌冠边缘，再在边缘处向下转向后向内流向菌冠中心的工质汇集区域，向外流到菌冠边缘和向内回流的通道都是弯曲的，以充分利用菌冠的面积。各个流道的的出口末端不指向菌冠的圆心，而是有一定切向的偏转，使汇集的工质带旋转地、更高效地冲击涡轮。在流过燃烧室顶盖时冷却通路要躲开针栓喷注器的安装位置。

本发明要解决的第二个技术问题是如何降低发动机重量。让涡轮嵌入加粗的中心体菌杆部分，则可去掉连接位于中心体菌冠处的工质汇集区与涡轮入口之间的管路。

本发明要解决的第三个技术问题是如何在涡轮泵采用双轴设计方案时保持小体积的紧凑设计。本发明采用同轴对转涡轮分别驱动燃料泵和氧化剂泵，一级涡轮通过内轴驱动高功率泵，二级涡轮通过套筒状的外轴驱动低功率泵。由于两级涡轮对转，可以取消两级涡轮间的定子叶片。同轴对转涡轮的轴承安装方式等内容是业界常识，非本发明所要保护的内容。

本发明要解决的第四个技术问题是菌杆部位如何进一步加大吸热面积。本发明的中心体菌杆部分可以采用星形截面以进一步加大换热面积。