[发明专利]一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置

说明书

本发明提出了一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置，属于火箭推进技术领域，特别是涉及一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置。解决了现有液体火箭发动机成本高、涡轮泵输送系统结构复杂、推进剂消耗量大的问题，并提高了输送系统的响应速度。它包括液氢贮箱、液氧贮箱、电动机、燃烧剂泵、氧化剂泵、液氢控制阀、液氧控制阀、固体氧化物燃料电池、推力室和冷却夹层通道。它主要用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送。

技术领域

本发明属于火箭推进技术领域，特别是涉及一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置。

背景技术

液体火箭发动机具有能量高、比冲高、推力范围大以及工作时间较长等优点，且推进剂为液氢液氧是目前比冲最高的推进剂组合，比液氧煤油高出近1000m/s。但由于其造价昂贵，推进剂消耗量大，每公斤重量低轨入轨费用约1-2万美元，极大的限制了其发展。因此，降低成本且保证工作的可靠性成为液体火箭发动机发展的一个方向。

2015年新西兰的航空航天公司Rocket Lab开发出了一款以Electron运载火箭，其成本仅为采用常规推进器火箭的十分之一，它是一台燃烧液态氧和RP-1火箭燃料的电动涡轮泵引擎，使用一个无刷直流电动机和锂聚合物电池驱动涡轮来运转泵，可以产生4600磅的推力。

大推力发动机用泵压式供应系统，即用液压泵输送推进剂。传统的泵压式由燃气发生器产生燃气带动涡轮转动，涡轮通过齿轮箱带动氧化剂泵和燃烧剂泵工作，增压后的氧化剂和燃烧剂进入推力室，其中燃气发生器的燃料来源于氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱。这种结构中由于燃气发生器的使用会增加推进剂的用量且用燃气带动涡轮从而使泵工作会增加转动的不确定性，某一瞬间可能会发生涡轮泵超转速的情况，使得发动机局部区域内的压力和温度超过其额定值，造成火箭发动机严重的破坏。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置，它包括液氢贮箱、液氧贮箱、电动机、燃烧剂泵、氧化剂泵、液氢控制阀、液氧控制阀、固体氧化物燃料电池、推力室和冷却夹层通道，所述燃烧剂泵和氧化剂泵与电动机输出端相连，所述液氢贮箱与燃烧剂泵入口相连，所述燃烧剂泵出口流出的液氢分为两路，一路通过液氢控制阀进入冷却夹层通道底部，对推力室冷却后从冷却夹层通道上部流出并注入推力室头部，另一路通过液氢管道对电动机冷却后注入固体氧化物燃料电池阳极，所述液氢管道与电动机外壁接触，所述液氧贮箱与氧化剂泵入口相连，所述氧化剂泵出口流出的液氧分为两路，一路通过液氧控制阀注入推力室头部，另一路通过液氧管道对电动机冷却后注入固体氧化物燃料电池阴极，所述液氧管道与电动机外壁接触，所述固体氧化物燃料电池通过电线为电动机供电。

更进一步的，所述燃烧剂泵和氧化剂泵处于电动机的同一根输出转轴上。

更进一步的，所述固体氧化物燃料电池产生的尾气注入推力室头部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明考虑改变传统的燃料驱动涡轮泵的工作模式，通过燃料电池产生足够的电能驱动电动机，电动机带动泵来实现氧化剂和燃烧剂的输送。该结构可以使得泵的工作更加灵活、准确，避免了泵超转速或者过低速运转带来的与实际需求不匹配的情况，且简化了燃料输送的结构，从而提高了发动机的整体性能。相比传统的液体火箭发动机，取消了燃气发生器以及涡轮，使用固体氧化物燃料电池为电动机供电从而驱动燃烧剂泵和氧化剂泵转动，可以使得泵的工作更加准确、灵活、可靠，且减少了推进剂的使用量，提高了火箭发动机的总体性能。简化了复杂的推进剂输送系统，取消了额外的体积较大的结构如涡轮、燃气导管等，使得结构紧凑性提升，有利于空间的合理利用。

附图说明

图1为本发明所述的一种用于火箭的氢燃料电池驱动的泵式输送装置结构示意图