CN110469427B - 一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的方法及结构，其中垂直回收液体火箭推进系统防晃的方法为：通过向贮箱中充入氦气，将推进剂挤压至贮箱的出口与环形隔板之间，防止推进剂受外界影响产生晃动。根据本申请实施例提供的技术方案，能够适应垂直回收液体火箭回收过程中的调姿段、修航段、高空滑行段、动力减速段、大气减速段和垂直着陆段等多个飞行段，保证在各飞行空域和速域、发动机多次开关机的情况下，消除推进剂晃动和不定向问题，解决在火箭自身运动和外部干扰等影响下，推进剂晃动对火箭的姿态控制、发动机工作造成的不良影响。
Description
技术领域
本申请涉及航空航天技术领域,具体涉及一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的方法及结构。
背景技术
常规液体火箭推进系统主要经历主动飞行段，飞行环境相对单一。垂直回收液体火箭回收过程中将经历调姿段、修航段、高空滑行段、动力减速段、大气减速段和垂直着陆段等多个飞行段，飞行空域和速域广、发动机多次开关机、飞行环境复杂多变，内外扰动及不确定性强，飞行过程中推进剂晃动和不定向问题严重。当贮箱内剩余推进剂较少，在火箭自身运动和外部干扰等影响下推进剂晃动更为严重，对火箭的姿态控制、发动机工作造成不良影响。上述因素为垂直回收的液体火箭推进系统的设计和使用带来了难题，从而极大地限制了垂直回收液体火箭的发展与应用。如果采用常规液体火箭推进系统方案，无法解决上述难题。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的方法及结构。
第一方面，本申请提供一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的方法，通过向贮箱中充入氦气，挤压推进剂至贮箱的出口与环形隔板之间，防止推进剂受外界影响产生晃动；环形隔板位于贮箱的内部。
进一步的，氦气通过液氦箱提供，具体步骤如下：
气化：液氦箱中的超临界氦进入液-液换热器与推进剂进行换热，发生相变，转化为第一温度氦气；液-液换热器位于贮箱内部；
保压：第一温度氦气进入液氦箱中的气-液换热器，将热量传递给超临界氦，防止液氦箱内的压力迅速衰减；第一温度氦气转化为第二温度氦气；
升温：第二温度氦气进入高温换热器与吸热膨胀后的高温燃料气体换热转化为第三温度氦气；
增压：第三温度氦气进入贮箱，进行增压。
第二方面，本申请提供一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的结构，包括贮箱；贮箱内部沿轴线方向设有至少一层环形隔板；隔板的内圈高于外圈呈圆台状，用于防止下方液体大幅晃动；贮箱内部靠近出口处设有用于气液分离的再充填表面张力管理装置；出口位于隔板的下方。
进一步的，再充填表面张力管理装置包括中空的骨架；骨架下方对应贮箱底部设置，上方呈圆台状；骨架的顶部设有排气管，底部对应出口设有相应的出液口；骨架内部设有叶片；叶片包括8至24片多孔板；多孔板呈辐射状排布；排气管远离骨架一端也设有多孔板；骨架的外侧设有筛网。
进一步的，还包括氦气转化装置；氦气转化装置包括液氦箱、液-液换热器、气-液换热器和高温换热器；气-液换热器位于液氦箱内部，通过液- 液换热器连通；液氦箱与液-液换热器之间还依次连接有膜片阀、液路过滤器和电磁阀；气-液换热器还与贮箱连通；气-液换热器与贮箱之间连接有高温换热器；液氦箱上还设有液氦加注阀、安全阀。
进一步的，还包括氦气瓶；氦气瓶的出口通过依次连接有充气阀、电爆阀、气路过滤器和截止阀与液氦箱连接。
进一步的，贮箱为两个；两个贮箱分别与推力室连接；推力室包括燃料预热管道、燃料入口和氧化剂入口；两个出口分别连接有氧化剂泵前阀和燃料泵前阀；氧化剂泵前阀与氧化剂入口连接，之间依次连接有氧化剂泵和氧化剂主阀；燃料泵前阀与燃料预热管道连接，之间连接有燃料泵。
进一步的，氦气转化装置对应贮箱也为两套；两个高温换热器之间串连连接，位于燃料预热管道与燃料入口之间；高温换热器与燃料入口之间依次连接有氧化剂涡轮和燃料主阀；预热管道与高温换热器之间连接有燃料涡轮。
进一步的，氧化剂涡轮和燃料涡轮处分别设有旁路；两条旁路上分别设有用于控制流量的氧化剂涡轮分流阀和燃料涡轮分流阀。
进一步的，氦气瓶对应氦气转化装置也设有两个。
本申请具有的优点和积极效果是：通过氦气向贮箱增压挤压推进剂至贮箱的出口处，设置环形隔板防止推进剂受外界影响产生晃动。从而能够适应垂直回收液体火箭回收过程中的调姿段、修航段、高空滑行段、动力减速段、大气减速段和垂直着陆段等多个飞行段，保证在各飞行空域和速域、发动机多次开关机的情况下，消除推进剂晃动和不定向问题，解决在火箭自身运动和外部干扰等影响下，推进剂晃动对火箭的姿态控制、发动机工作造成的不良影响。
根据本申请某些实施例提供的技术方案,通过在贮箱内部设有挡板，一方面防止推进剂大幅晃动，另一方面用于抵抗部分飞行惯性，避免大部分推进剂向贮箱顶部运动；通过设有再充填表面张力管理装置，推进剂在筛网以及排气管顶部多孔板上形成液膜，在微重力环境和各向过载作用下，结合内部叶片装置，在表面张力作用下，保证再充填表面张力管理装置内部始终充满液体。
附图说明
图1为本申请实施例提供的垂直回收液体火箭推进系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的垂直回收液体火箭推进系统的再充填表面张力管理装置的结构示意图。
图中所述文字标注表示为：100-贮箱；110-隔板；120-再充填表面张力管理装置；121-骨架；122-排气管；123-出液口；124-叶片；125-多孔板；126-筛网；130-氧化剂泵前阀；131-氧化剂泵；132-氧化剂主阀；140- 燃料泵前阀；141-燃料泵；200液氦箱；210-液-液换热器；211-膜片阀；212-液路过滤器；213-电磁阀；220-气-液换热器；230-高温换热器；231-氧化剂涡轮；232-燃料主阀；233-燃料涡轮；234-氧化剂涡轮分流阀；235- 燃料涡轮分流阀；240-液氦加注阀；250-安全阀；300-氦气瓶；310-充气阀；320-电爆阀；330-气路过滤器；340-截止阀；400-推力室。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
第一方面，本实施例提供一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的方法，通过箱贮箱100中充入氦气，挤压推进剂至贮箱100的出口与贮箱100内部设置的环形隔板110之间，防止推进剂受外界影响产生晃动，从而能够适应垂直回收液体火箭回收过程中的调姿段、修航段、高空滑行段、动力减速段、大气减速段和垂直着陆段等多个飞行段，保证在各飞行空域和速域、发动机多次开关机的情况下，消除推进剂晃动和不定向问题，解决在火箭自身运动和外部干扰等影响下，推进剂晃动对火箭的姿态控制、发动机工作造成的不良影响。
在一优选实施例中，氦气通过液氦箱200提供，具体步骤如下：
气化：所述液氦箱200中的超临界氦进入液-液换热器210与推进剂进行换热，发生相变，转化为第一温度氦气；所述液-液换热器210位于所述贮箱100内部；
保压：所述第一温度氦气进入所述液氦箱200中的气-液换热器220，将热量传递给超临界氦，防止所述液氦箱200内的压力迅速衰减；第一温度氦气转化为第二温度氦气；
升温：所述第二温度氦气进入高温换热器230与吸热膨胀后的高温燃料气体换热转化为第三温度氦气；
增压：所述第三温度氦气进入所述贮箱100，进行增压。
第二方面，请参考图1，本实施例提供一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的结构，包括贮箱100，贮箱100内部根据飞行剖面推进剂消耗量估算沿轴线方向设有三层环形隔板110，隔板110的内圈高于外圈，呈圆台状，一方面防止推进剂大幅晃动，另一方面用于抵抗部分飞行惯性，避免大部分推进剂向贮箱顶部运动；贮箱100内部靠近出口处设有用于气液分离的再充填表面张力管理装置120；出口位于隔板110的下方。
请进一步参考图2，在一优选实施例中，再充填表面张力管理装置包括中空的骨架121，骨架121的下方对应贮箱100底部设置，上方呈圆台状；骨架121的顶部设有排气管122，底部对应出口设有出液口123；骨架121内部设有叶片124，叶片124包括8至24片多孔板125，多孔板125呈辐射状排布，排气管122远离骨架121一端也设有多孔板125；骨架121的外侧还设有筛网 126；推进剂在筛网126以及排气管122顶部多孔板125上形成液膜，在微重力环境和各向过载作用下，结合内部叶片124，在表面张力作用下，保证再充填表面张力管理装置内部始终充满液体。
在一优选实施例中，还包括氦气转化装置，氦气转化装置包括液氦箱 200、液-液换热器210、气-液换热器220和高温换热器230；超临界氦从液氦箱200中流出，通过膜片阀211、液路过滤器212、电磁阀213，进入置于贮箱100中的液-液换热器210。超临界氦经液-液换热器210与推进剂换热，发生相变，超临界氦转变为第一温度氦气；第一温度氦气流过位于液氦箱 200内的气-液换热器220，将热量传输给超临界氦，防止液氦箱200压力迅速衰减，保持液氦箱200中的超临界状态；随后第二温度氦气进入高温换热器230，与吸热膨胀后的高温燃料气体换热，最终进入贮箱100中增压；液氦箱200配置温度及压力传感器实时监控箱内温度及压力；工作过程中，若液氦箱200压力较高，安全阀250打开排气；若液氦箱200压力过低，通过液氦加注阀240控制对液氦箱200进行补压。
在一优选实施例中，还包括氦气瓶300；氦气瓶300与液氦箱200连接；氦气瓶300的出口依次设有充气阀310、电爆阀320、气路过滤器330和截止阀340，作为冗余设置，能够确保液氦箱200通过气-液换热器220及液-液换热器210无法达到要求压力时，向液氦箱200内充填氦气，保证箱内始终处于超临界压力状态。
在一优选实施例中，贮箱100有两个，分别用于存储氧化剂和燃料；两个贮箱100分别与推力室400连接；推力室400包括燃料预热管道、燃料入口和氧化剂入口；两个出口分别连接有氧化剂泵前阀130和燃料泵前阀140；氧化剂泵前阀130与氧化剂入口连接，之间还依次连接有氧化剂泵131和氧化剂主阀132；燃料泵前阀140与燃料预热管道连接，之间连接有燃料泵141。
在一优选实施例中，氦气转化装置对应贮箱100也设有两套，两个高温换热器230之间为串联连接，位于燃料预热管道与燃料入口之间；高温换热器230与燃料入口之间依次连接有氧化剂涡轮231和燃料主阀232；预热管道与高温换热器230之间连接有燃料涡轮233；高温换热器230内设有两条管路，分别为燃气管路和氦气管路。
在一优选实施例中，氧化剂涡轮231和燃料涡轮233处分别设有旁路；两条旁路上分别对应设有相应的氧化剂涡轮分流阀234和燃料涡轮分流阀 235。
在一优选实施例中，氦气瓶300对应氦气转化装置氦气瓶300对应氦气转化装置也设有两个。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的方法，其特征在于，通过向贮箱(100)中充入氦气，挤压推进剂至贮箱(100)的出口与环形隔板(110)之间，防止推进剂受外界影响产生晃动；所述环形隔板(110)位于所述贮箱(100)的内部；所述氦气通过液氦箱(200)提供，具体步骤如下：
气化：所述液氦箱(200)中的超临界氦进入液-液换热器(210)与推进剂进行换热，发生相变，转化为第一温度氦气；所述液-液换热器(210)位于所述贮箱(100)内部；
保压：所述第一温度氦气进入所述液氦箱(200)中的气-液换热器(220)，将热量传递给超临界氦，防止所述液氦箱(200)内的压力迅速衰减；第一温度氦气转化为第二温度氦气；
升温：所述第二温度氦气进入高温换热器(230)与吸热膨胀后的高温燃料气体换热转化为第三温度氦气；
增压：所述第三温度氦气进入所述贮箱(100)，进行增压。
2.一种垂直回收液体火箭推进系统防晃的结构，其特征在于，包括贮箱(100)和氦气转化装置；所述贮箱(100)内部沿轴线方向设有至少一层环形隔板(110)；所述隔板(110)的内圈高于外圈呈圆台状，用于防止下方液体大幅晃动；所述贮箱(100)内部靠近出口处设有用于气液分离的再充填表面张力管理装置(120)；所述出口位于所述隔板(110)的下方；所述氦气转化装置包括液氦箱(200)、液-液换热器(210)、气-液换热器(220)和高温换热器(230)；所述气-液换热器(220)位于所述液氦箱(200)内部，通过所述液-液换热器(210)连通；所述液氦箱(200)与液-液换热器(210)之间还依次连接有膜片阀(211)、液路过滤器(212)和电磁阀(213)；所述气-液换热器(220)还与所述贮箱(100)连通；所述气-液换热器(220) 与贮箱(100)之间连接有所述高温换热器(230)；所述液氦箱(200)上还设有液氦加注阀(240)、安全阀(250)。
3.根据权利要求2所述的垂直回收液体火箭推进系统防晃的结构，其特征在于，所述再充填表面张力管理装置(120)包括中空的骨架(121)；所述骨架(121)的下方对应所述贮箱(100)底部设置，上方呈圆台状；所述骨架(121)的顶部设有排气管(122)，底部对应所述出口设有相应的出液口(123)；所述骨架(121)内部设有叶片(124)；所述叶片(124)包括8至24片多孔板(125)；所述多孔板(125)呈辐射状排布；所述排气管(122)远离所述骨架(121)一端也设有所述多孔板(125)；所述骨架(121)的外侧设有筛网(126)。
4.根据权利要求2所述的垂直回收液体火箭推进系统防晃的结构，其特征在于，还包括氦气瓶(300)；所述氦气瓶(300)的出口通过依次连接有充气阀(310)、电爆阀(320)、气路过滤器(330)和截止阀(340)与所述液氦箱(200)连接。
5.根据权利要求4所述的垂直回收液体火箭推进系统防晃的结构，其特征在于，所述贮箱(100)为两个；两个所述贮箱(100)分别与推力室(400)连接；所述推力室(400)包括燃料预热管道、燃料入口和氧化剂入口；两个所述出口分别连接有氧化剂泵前阀(130)和燃料泵前阀(140)；所述氧化剂泵前阀(130)与氧化剂入口连接，之间依次连接有氧化剂泵(131)和氧化剂主阀(132)；所述燃料泵前阀(140)与燃料预热管道连接，之间连接有燃料泵(141)。
6.根据权利要求5所述的垂直回收液体火箭推进系统防晃的结构，其特征在于，所述氦气转化装置对应所述贮箱(100)也为两套；两个所述高温换热器(230)之间串联连接，位于所述燃料预热管道与燃料入口之间；所述高温换热器(230)与燃料入口之间依次连接有氧化剂涡轮(231)和燃料主阀(232)；所述预热管道与高温换热器(230)之间连接有燃料涡轮(233)。
7.根据权利要求6所述的垂直回收液体火箭推进系统防晃的结构，其特征在于，所述氧化剂涡轮(231)和燃料涡轮(233)处分别设有旁路；两条所述旁路上分别设有用于控制流量的氧化剂涡轮分流阀(234)和燃料涡轮分流阀(235)。
8.根据权利要求6所述的垂直回收液体火箭推进系统防晃的结构，其特征在于，所述氦气瓶(300)对应所述氦气转化装置也设有两个。
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