液体火箭贮箱电热增压系统的制作方法

1.本发明涉及运载火箭发射支持技术领域，尤其涉及一种液体火箭贮箱电热增压系统。


背景技术：

2.液体火箭是目前世界上大型运载火箭的主要类型，具有推力大、比冲高等优势。液体火箭中一个重要的组成部分为增压系统，增压系统用于提供液体火箭推进剂贮箱气枕压力。在增压气体进入推进剂贮箱后，可以通过挤压液体推进剂产生工作压力，一方面满足发动机飞行过程中所需要的发动机入口推进剂工作压力条件，保证泵不发生气蚀；另一方面提供足够的内压维持火箭推进剂贮箱轴向刚度，增加承载能力。
3.现有增压系统一般为贮气增压、自生增压和化学增压等类型。贮气增压是将增压气体贮存在高压气瓶中，贮气压力一般为20～35mpa。高压气体经减压阀后进入贮箱为贮箱增压，一般使用氮气或氦气的惰性气体。贮气增压的优点是系统简单、工作可靠、技术成熟，缺点是系统质量大、占空间多、效率低，无法满足高性能、大推力火箭的使用。
4.化学增压系统是利用化学反应产物的系统为贮箱增压，将自燃的推进剂组元喷入主贮箱中，使燃料和氧化剂在贮箱内进行化学反应产生燃气来增压主贮箱。但推进剂和燃气温度的限制使这种方式非常局限，使用较少。
5.自生增压系统主要应用于泵压式供应系统，适应于热稳定、低沸点的推进剂，如液氧、液氢、液甲烷等。泵后引出部分推进剂在换热器中汽化，然后将这些蒸汽引入推进剂贮箱进行增压。这种方法系统简单、质量小、技术成熟，是目前主流液体火箭的应用类型。
6.但自生增压通常需要相对复杂的组件、管路装置、换热器、阀门、调节元件及支撑结构。在发动机内增加燃气换热器，使自生增压系统的可靠性和安全性较差。此外，现有的自生增压方式，暴露在贮箱外的增压输送管道长达几十米，且需要在箭体外设置保护壳，造成箭体结构质量增大，影响火箭的运载能力。另外，输送管道在箭体表面形成凸起物，不利于火箭的气动外形，进而增加火箭防护难度和姿态控制难度。
7.因此，如何设计一种布局合理、结构稳定、安全可靠，同时可以减轻自身重量，提高火箭运载能力的液体火箭贮箱增压系统，是目前所要解决的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种液体火箭贮箱增压系统，具有布局合理、结构稳定、安全可靠，同时可以减轻自身重量，提高火箭运载能力。
9.本发明的一个方面提供了一种液体火箭贮箱电热增压系统，至少包含两个用于设置在火箭子级内部且用于存储液体推进剂介质的贮箱，其中，
10.所述贮箱内部至少设有第一管路、第二管路、输送泵和加热机构，所述第一管路的一端连接所述输送泵，所述输送泵的另一端连通第二管路，所述第二管路的一部分设置在所述加热机构内，所述加热机构用于将进入所述第二管路位于所述加热机构内的一部分液
体推进剂介质汽化，并通过所述第二管路的另一端进入所述贮箱的气枕部位，以增加所述贮箱内部压力。
11.进一步的，每个所述贮箱内部包含容纳液体推进剂介质的第一空间和用于容纳气体介质的第二空间，所述第二空间对应所述气枕部位，所述第二管路连通至所述第二空间。
12.进一步的，所述贮箱的数量为2个，且分别为同轴设计的第一箱体和第二箱体，在所述第一箱体和所述第二箱体装配至火箭子级内部时，所述第二箱体位于远离所述液体火箭发动机的一端，所述第一箱体内部设有液体甲烷推进剂，所述第二箱体内部设有液氧推进剂。
13.进一步的，所述第一箱体内包含所述第一管路、所述第二管路、所述输送泵和所述加热机构；所述第一管路的一端位于液体甲烷推进剂内，另一端与所述输送泵的一端连接，所述输送泵的另一端连接所述第二管路，所述第二管路的一部分位于所述加热机构的内部，且所述第二管路的另一端连通至所述第一箱体的气枕部位；所述加热机构用于对所述第二管路位于所述加热机构内部的部分进行加热，以使位于所述加热机构内部的第二管路内的液体甲烷推进剂快速汽化后从所述第二管路的另一端排出至所述气枕部位。
14.进一步的，还包含第三管路和第四管路，所述第三管路的一端与所述第二箱体连接且用于设置在所述第二箱体内的液氧中，在所述第一箱体内，
15.所述第三管路的另一端连接所述输送泵，所述输送泵的另一端连通第四管路，所述第四管路的一部分设置在所述加热机构内；所述加热机构用于将进入所述第四管路位于所述加热机构内的一部分液氧推进剂汽化，并通过所述第四管路的另一端进入所述第二箱体的气枕部位，以增加所述第二箱体内部压力。
16.进一步的，所述第二管路和第四管路位于所述加热机构内部的部分为螺旋管结构。
17.进一步的，所述第一管路、所述第二管路、第三管路和所述第四管路分别通过固定柱和u型卡接件与所述第一箱体内壁固定连接。
18.进一步的，所述加热机构包含加热器和电池组，所述电池组固定连接在火箭子级的内壁上且用于向所述输送泵和所述加热器提供电能。
19.进一步的，所述加热器包含内部设有腔体且两端密封的加热筒和沿所述加热筒周向外表面均匀排布的加热管构成，所述加热管缠绕设置在所述加热筒表面且与所述加热筒表面紧贴，两者固定连接。
20.进一步的，还包括发电装置，所述发电装置至少包含电机涡轮和发电机，所述电机涡轮通过转动轴与所述发电机连接；其中，所述电机涡轮用于在火箭发动机涡轮泵排出的气体的作用下转动，且所述电机涡轮的转动通过所述转动轴传递至所述发电机，从而所述发电机产生电能，为所述电池组提供电能。
21.与现有技术相比，本发明至少具有以下之一的优点：
22.第一、通过在贮箱内部设有第一管路、第二管路、输送泵和加热机构，第一管路的一端连接所述输送泵，输送泵的另一端连通第二管路，第二管路的一部分设置在加热机构内，加热机构用于将进入第二管路位于加热机构内的一部分液体推进剂介质汽化，并通过第二管路的另一端进入贮箱的气枕部位，以增加贮箱内部压力。由于将第一管路、第二管路、输送泵和加热机构设在贮箱内部，贮箱可以起到外壳作用，从而可以保护第一管路、第
二管路、输送泵和加热机构以避免其发生破损，还可以减少系统的重量(管路设在贮箱外部时，需要在管路外设置保护壳)，进而提高运载能力，特别火箭飞行过程中，可以减少空气阻力，降低火箭姿态控制难度。
23.第二、通过加热机构的设置，可以将进入第二管路位于加热机构内的一部分液体推进剂介质汽化，并通过第二管路的另一端进入贮箱的气枕部位。而加热机构的设置可以方便控制自身的产热量，同时保证热量的持续与稳定供给位于加热结构内的第二管路，使其内部的液体快速完成汽化，进而增加贮箱内部压力，便于将贮箱内的液体推进剂稳定的输出至涡轮泵。
24.整个系统具有布局合理、结构稳定、安全可靠，同时可以减轻自身重量，有利于提高火箭的运载能力。
25.应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
26.下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
27.图1本发明液体火箭贮箱电热增压系统的结构简图；
28.图2本发明加热机构的结构示意图。
29.附图标记说明：
30.1第一管路
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2第二管路
31.3输送泵
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4加热机构
32.5第一空间
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6第二空间
33.7第一箱体
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8第二箱体
34.9第三管路
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10第四管路
35.11加热筒
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12接热管
36.13发电装置
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14电池组
具体实施方式
37.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
38.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
39.本发明提供了一种液体火箭贮箱电热增压系统。如图1所示，电热增压系统至少包含两个用于设置在火箭子级内部且用于存储液体推进剂介质的贮箱。贮箱内部至少设有第一管路1、第二管路2、输送泵3和加热机构4。其中第一管路1的一端连接输送泵3，输送泵 3的另一端连通第二管路2，第二管路2的一部分设置在加热机构4 内，加热机构4用于将进入第二管路2位于加热机构4内的一部分液体推进剂介质汽化，并通过第二管路2的另一端进入贮箱的气枕部位，以增加贮箱内部压力。
40.在本实施例中，为了保证贮箱有足够的空间存储液体介质，例如，每个贮箱内部包含容纳液体推进剂介质的第一空间5；此外，为了向汽化的液体介质提供一个空间，方便气体挤压贮箱内的液体，使液体介质输送至涡轮泵(贮箱设有出液口，用于将贮箱内受到挤压的液体介质从出液口排出以供涡轮泵使用)，例如，贮箱还设有用于容纳气体介质的第二空间6。需要强调的是，本技术第二空间6对应气枕部位，第二管路2连通至第二空间6。
41.需要说明的是，本实施例中贮箱的数量以2个进行说明，例如，贮箱包含分别为同轴设计的第一箱体7和第二箱体8(同轴设计可以减少贮箱在火箭壳体径向方向的空间)。在本实施方式中，在第一箱体7和第二箱体8装配至火箭子级内部时(第一箱体7和第二箱体8 的周向外表面与火箭子级的内壁贴紧，且第一箱体7和第二箱体8的上、下端可以设置用于固定第一箱体7和第二箱体8的固定件。例如，固定件为圈体，套设在第一箱体7和第二箱体8两端，且圈体与火箭子级内壁固定连接)。第二箱体8位于远离液体火箭发动机的一端，第一箱体7内部设有液体甲烷推进剂，第二箱体8内部设有液氧推进剂。
42.此外本实施例中，为了增加液体、气体容积，例如，第一箱体7 和第二箱体8的外形为胶囊型形状，胶囊形状同时还可以方便液体排出(胶囊型形状两端为弯弧面，便于液体介质向弧面的最低处移动(火箭发射竖直时箱体的最低处部位)在)，同时在气体压缩时，增加受力面积(胶囊型形状两端为弯弧面)，保证受力均匀，进而减少第一箱体7和第二箱体8发生形变的概率。
43.值得一提的是，本实施方式中，第一箱体7内包含第一管路1、第二管路2、输送泵3和加热机构4。第一管路1的一端位于液体甲烷推进剂内，另一端与输送泵3的一端连接，输送泵3的另一端连接第二管路2，第二管路2的一部分位于加热机构4的内部，且第二管路2的另一端连通至第一箱体的气枕部位(第二空间)。加热机构4 用于对第二管路2位于加热机构4内部的部分进行加热，以使位于加热机构4内部的第二管路2内的液体甲烷推进剂快速汽化后从第二管路2的另一端排出至气枕部位。
44.此外，该系统还包含第三管路9和第四管路10，第三管路9的一端与第二箱体8连接且用于设置在第二箱体8内的液氧中。在第一箱体7内，第三管路9的另一端连接输送泵3，输送泵3的另一端连通第四管路10，第四管路10的一部分设置在加热机构4内。加热机构4用于将进入第四管路10位于加热机构4内的一部分液氧推进剂汽化，并通过第四管路10的另一端进入第二箱体8的气枕部位，以增加第二箱体8内部压力。
45.进一步需要说明的是，为了增加第二管路2和第四管路10的受热面积，使得液体推进剂快速汽化，例如，在第二管路2和第四管路 10位于加热机构4内部的部分为螺旋管结构。为了方便调节第二管路2和第四管路10的液体、气体流量，例如，在螺旋管结构内侧设有调节孔板，孔板的外表面与螺旋管结构的内壁紧贴(焊接固定)，例如，调节孔板为带有多个孔道的圆板结构。
46.特别需要注意的是，为了使得第一管路1、第二管路2、第三管路9和第四管路10固定牢固，避免因震动发生弯折，例如，第一管路1、第二管路2、第三管路9和第四管路10分别通过固定柱和u型卡接件与第一箱体7内壁固定连接。以第一管路举例说明，为了保证固定柱与第一管路连接更加紧密，固定更加牢固，例如，固定柱沿第一管路1的周向外表面均匀设置，且一端与第一管路外表面焊接，另一端与第一箱体的内壁焊接。进一步的，固定柱周向设置在第一管路上可以使得第一管路径向受力，进而避免第一管路发生轴向移动。另外，
第一管路1(沿火箭周向方向的部位)还可以通过u型卡接件与螺栓配合已将第一管路固定在第一箱体内壁上。u型卡接件包含用于配合管路的凹部和用于与凹部连接外延部，外延部位于凹部的侧，向远离凹部中心一侧延伸，为了使得凹部与外延部之间固定牢固，例如，两者采用一体成型设计。外延部与第一箱体内壁相互紧贴，且通过螺栓固定在第一箱体内，为了增加外延部与第一箱体内壁之间的摩擦，减少外延部的滑动，例如，分别在外延部与第一箱体内壁彼此靠近的一侧表面均设有波纹。第二管路2、第三管路9和第四管路10 可以根据实际需要进行选择以上两种固定方式，在此不再一一论述。
47.在实施方式中，加热机构4包含加热器和电池组14，电池组14 固定连接在火箭子级的内壁上且用于向输送泵3和加热器提供电能，为了方便电能的输送，例如，电池组14与输送泵3和加热器之间通过电缆连接。
48.如图1和图2所示，加热器包含内部设有腔体且两端密封的加热筒11和沿加热筒11周向外表面均匀排布的加热管12构成。为了保证加热筒11表面受热均匀，同时快速增加加热筒11受热，例如，加热管12缠绕设置在加热筒11表面。进一步需要提及的是，为了使得加热筒11与加热管12连接紧密，固定牢固，例如，加热管12与加热筒11表面紧贴，两者固定连接，固定连接包含焊接，通过螺栓固定连接等，在此不再一一举例说明。
49.特别需要指出的是，该系统还包括发电装置13。发电装置13至少包含电机涡轮和发电机，电机涡轮通过转动轴与发电机连接。其中，电机涡轮用于在火箭发动机涡轮泵排出的气体的作用下转动，且电机涡轮的转动通过所述转动轴传递至所述发电机，从而发电机产生电能，为电池组14提供电能。通过本技术实施例的发电装置13，一方面可以充分利用火箭发动机涡轮泵排出的气体，使其带动发电装置发电，可以使得火箭发动机涡轮泵排出气体重新利用，减少资源的浪费，同时绿色环保。另一方面，发电装置产生的电还可以直接为箭上设备供电，减少外部依靠(地上供电)，使得电量第一时间应用至箭上设备。整个结构具有设计合理，结构稳定，便于对箭上电气设备供电，并减少物力资源消耗等优点。
50.具体的说，本技术的自生增压系统，通过在贮箱内部设置第一管路1、第二管路2、输送泵3和加热机构4，第一管路1的一端连接输送泵3，输送泵3的另一端连通第二管路2，第二管路2的一部分设置在加热机构4内，加热机构4可以将进入第二管路2位于加热机构4内的一部分液体推进剂介质汽化，并通过第二管路2的另一端进入贮箱的气枕部位，从而增加贮箱内部压力。由于将第一管路1、第二管路2、输送泵3和加热机构4设在贮箱内部，而贮箱可以起到外壳作用，从而可以保护第一管路、第二管路、输送泵和加热机构4以避免其发生破损，还可以减少系统的重量(管路设在贮箱外部时，需要在管路外设置保护壳)，进而提高运载能力，特别火箭飞行过程中，可以减少空气阻力，降低火箭姿态控制难度。
51.此外，通过加热机构4的设置，可以将进入第二管路2位于加热机构4内的一部分液体推进剂介质汽化，并通过第二管路2的另一端进入贮箱的气枕部位。而加热机构4的设置可以方便控制自身的产热量，同时保证热量的持续与稳定供给位于加热结构内的第二管路2，使其内部的液体快速完成汽化，进而增加贮箱内部压力，便于将贮箱内的液体推进剂稳定的输出至涡轮泵。
52.整个系统具有布局合理、结构稳定、安全可靠，同时可以减轻自身重量，有利于提高火箭的运载能力。
53.以上实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。
54.以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。