基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法及系统
阅读说明：本技术 基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法及系统 (Pumping pressure type engine starting ignition method and system based on hydrogen peroxide ) 是由 雷娟萍 高强 林革 任勇 雍雪君 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于泵压式发动机起动点火方法及系统,为解决目前具备三次及以上起动能力的泵压式液体火箭发动机,需要额外设置一套高压氦气/氮气供应系统和一套单独的点火剂供应系统,系统复杂且可靠性低,携带大量高压氦气/氮气将给火箭系统造成负担,采用的自燃点火剂由于剧毒且与空气接触会发生自燃,导致使用维护性差的技术问题,提供基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法及系统,通过氮气对过氧化氢增压,增压后的过氧化氢在催化剂的作用下分解为高温气体,分别驱动涡轮工作和进入推力室待用,涡轮带动同轴相连的氧化剂泵和燃料泵同步工作,对氧化剂和燃料增压,增压后分别进入推力室和燃气发生器。(The invention belongs to a method and a system for starting and igniting a pump-type engine, which aims to solve the technical problems that a set of high-pressure helium/nitrogen supply system and a set of independent igniter supply system are additionally arranged in the conventional pump-type liquid rocket engine with the starting capability of three times or more, the system is complex and low in reliability, a large amount of high-pressure helium/nitrogen carried by the system can cause burden to the rocket system, and the adopted autoignition igniter is extremely toxic and can spontaneously ignite when contacting with air, so that the use and maintenance are poor, and the method and the system for starting and igniting the pump-type engine based on hydrogen peroxide are provided, hydrogen peroxide after pressurization is decomposed into high-temperature gas under the action of a catalyst, a turbine is respectively driven to work and enter a thrust chamber for standby, the turbine drives an oxidant pump and a fuel pump which are coaxially connected to synchronously work, so as to pressurize oxidant and fuel, after being pressurized, the gas respectively enters a thrust chamber and a fuel gas generator.)
技术领域
本发明属于泵压式发动机起动点火方法及系统，具体涉及基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法及系统。
背景技术
能够回收和重复使用的运载火箭，由于其发射成本低被广泛应用。其中，泵压式液体火箭发动机是该类火箭的关键部分，其具有高性能且能够重复使用。
当前，绝大多数泵压式液体火箭发动机均为一次起动，不具备多次起动和点火能力，仅有少数发动机具备两次起动和点火能力，其通过分别安装两个火药启动器和两个火药点火器来实现发动机的两次起动，但由于受发动机空间结构的限制，这种方案无法实现三次以上的起动。还有发动机采用氦气/氮气吹除涡轮结合多次喷注自燃点火剂的方案，实现了发动机的多次起动和点火，为实现多次起动，需要设置一套高压氦气/氮气供应系统，为实现多次点火，还需要设置一套单独的点火剂供应系统，系统复杂，可靠性低，而且，对于大推力发动机，多次起动需要大量高压氦气，将给火箭系统造成负担，另外，实现多次点火的自燃点火剂一般采用与煤油相容的三乙基铝和三乙基硼混合液，有剧毒，且与空气接触会发生自燃，安全性和使用维护性较差。
发明内容
本发明为解决目前具备三次以上起动能力的泵压式液体火箭发动机，需要额外设置一套高压氦气/氮气供应系统和一套单独的点火剂供应系统，系统复杂且可靠性低，携带大量高压氦气将给火箭系统造成负担，采用的自燃点火剂由于剧毒且与空气接触会发生自燃，导致使用维护性差的技术问题，提供基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，通过氮气对过氧化氢增压，增压后的过氧化氢在催化剂的作用下分解为高温气体，分别用于驱动涡轮工作和进入推力室待用；
S2，涡轮带动与其同轴相连的氧化剂泵和燃料泵同步工作，通过氧化剂泵和燃料泵分别对氧化剂和燃料增压，增压后的氧化剂和燃料一部分进入推力室，另一部分进入燃气发生器；
S3，进入推力室的高温气体使推力室中已有燃料自燃，并点燃进入推力室的氧化剂和燃料，使推力室工作并产生推力；
进入燃气发生器的氧化剂和燃料在涡轮中高温气体的作用下点火燃烧，产生的高温燃气驱动涡轮继续工作，直至达到预设工况，完成起动点火。
本发明还提供了一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特殊之处在于，用于实现上述基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，包括点火器、燃料泵、氧化剂泵、推力室、燃气发生器，以及依次连通的氮气供应单元、过氧化氢贮箱、起动器和涡轮；
所述涡轮、燃料泵和氧化剂泵同轴连接；
所述燃气发生器与涡轮连通；
所述点火器与过氧化氢贮箱和起动器之间的管路连通；
所述推力室与点火器出口、燃料泵出口、氧化剂泵出口连通；
所述燃料泵出口和氧化剂泵出口均与燃气发生器连通；
所述起动器和点火器中设有用于催化过氧化氢的催化剂。
进一步地，所述氮气供应单元包括氮气瓶、气体截止阀和减压阀；
所述气体截止阀和减压阀依次设置于氮气瓶和过氧化氢贮箱之间的管路上。本发明的氮气供应单元还可采用其他供应系统，如其他的实时供应系统，气体截止阀和减压阀的阀门种类也可根据系统需要进行适当选择。
进一步地，起动器的结构可以是包括依次连通的催化剂床、喷嘴和膨胀室；
所述催化剂床的入口与过氧化氢贮箱连通；
所述喷嘴内设有节流孔或节流孔板；
所述膨胀室出口与涡轮相连。
进一步地，所述喷嘴包括靠近催化剂床的第一喷嘴段和靠近膨胀室的第二喷嘴段；
所述第一喷嘴段与催化剂床相连，其内径小于催化剂床出口处内径，且小于第二喷嘴段的内径，使第一喷嘴段内腔形成节流孔或用于设置节流孔板；
所述第二喷嘴段与膨胀室相连。膨胀室的设置，能够使高温气体膨胀做功，第二喷嘴段的内腔一般可以设置为圆柱状，也可以根据需要对其形状进行调整。
进一步地，起动器结构中的催化剂床可以采用如下结构，催化剂床包括由入口处至出口处依次设置的入口段、反应段和出口段；
所述入口段与过氧化氢贮箱连通；
所述反应段内包括由入口段至出口段依次设置的集液腔、分配板、催化剂填料和支撑板；
所述集液腔内径由入口段至出口段逐渐增大；
所述分配板和所述支撑板分别设置于催化剂填料的两端，分配板设置于集液腔末端，分配板和支撑板均与反应段内壁相接；
所述出口段与第一喷嘴段相连。
另外，本发明还提供了另一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，其特殊之处在于，用于实现上述基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，包括燃料泵、氧化剂泵、推力室、燃气发生器，以及依次连通的氮气供应单元、过氧化氢贮箱、起动器和涡轮；
所述涡轮、燃料泵和氧化剂泵同轴连接；
所述燃气发生器与涡轮连通；
所述推力室与起动器和涡轮之间的管路、燃料泵出口、氧化剂泵出口连通；
所述燃料泵出口和氧化剂泵出口均与燃气发生器连通；
所述起动器和点火器中设有用于催化过氧化氢的催化剂。进一步地，所述氮气供应单元包括氮气瓶、气体截止阀和减压阀；
所述气体截止阀和减压阀依次设置于氮气瓶和过氧化氢贮箱之间的管路上。
进一步地，所述氮气供应单元包括氮气瓶、气体截止阀和减压阀；
所述气体截止阀和减压阀依次设置于氮气瓶和过氧化氢贮箱之间的管路上。
进一步地，所述起动器包括依次连通的催化剂床、喷嘴和膨胀室；
所述催化剂床的入口与过氧化氢贮箱相连；
所述喷嘴内设有节流孔或节流孔板；
所述膨胀室出口分别与推力室和涡轮相连。
进一步地，所述喷嘴包括靠近催化剂床的第一喷嘴段和靠近膨胀室的第二喷嘴段；
所述第一喷嘴段与催化剂床相连，其内径小于催化剂床出口处内径，且小于第二喷嘴段的内径，使第一喷嘴段内腔形成节流孔或用于设置节流孔板；
所述第二喷嘴段与膨胀室相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，通过较为简单的起动点火方法完成了多次起动点火的目的，过程中使用的试剂均无毒且安全可靠。
2.本发明提出了两种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，一种包含点火器，一种可以不单独设置点火器，起动器和点火器均采用常温无毒的过氧化氢作为介质，与传统的火药起动器和火药点火器相比，更易实现多次起动，且更加安全可靠。另外，不设置点火器的方案，成本更低，系统结构更简单。
3.本发明系统采用集成化设计思想满足了多次起动和点火需求，系统简单可靠，过氧化氢单组元起动器和点火器一体化设计，还采用了液体起动器，整体质量轻，使用维护性好，是一种较为理想的发动机启动点火方案。
4.本发明中起动器可兼用发生器点火器功能，同时，还实现了涡轮起旋和发生器点火。
5.本发明起动器的喷嘴内设置节流孔或节流孔板，使过氧化氢分解气体流动过程中产生一定压降阻尼，有效减少低频振荡的可能性。
附图说明
图1为本发明实施例一的示意图；
图2为本发明实施例二的示意图；
图3为本发明实施例中起动器的结构示意图。
其中，1-氮气供应单元、101-氮气瓶、102-气体截止阀、103-减压阀、2-过氧化氢贮箱、3-起动器、301-催化剂床、3011-入口段、3012-反应段、3013-出口段、302-喷嘴、3021-第一喷嘴段、3022-第二喷嘴段、305-膨胀室、306-节流孔、4-涡轮、5-点火器、6-燃料泵、7-氧化剂泵、8-推力室、9-燃气发生器、11-过氧化氢截止阀。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
本发明提供了一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火方法，同时，还提供了一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，能够实现上述方法，解决了泵压式发动机多次起动和点火的问题，结构简单，可靠性高，工作时使用到的所有试剂均无毒无污染，通过简单可靠的系统结构实现多次起动点火。
本发明的起动点火方法具体为：
S1，通过氮气对过氧化氢增压，增压后的过氧化氢在催化剂的作用下分解为高温气体，分别用于驱动涡轮4工作和进入推力室8待用；
S2，涡轮4带动与其同轴相连的氧化剂泵7和燃料泵6同步工作，通过氧化剂泵7和燃料泵6分别对氧化剂和燃料增压，增压后的氧化剂和燃料一部分进入推力室8，另一部分进入燃气发生器9；
S3，进入推力室8的高温气体使推力室8中已有燃料自燃，并点燃进入推力室8的氧化剂和燃料，使推力室8工作并产生推力；
进入燃气发生器9的氧化剂和燃料在涡轮4中高温气体的作用下点火燃烧，产生的高温燃气驱动涡轮4继续工作，直至达到预设工况，完成起动点火。
实施例一
如图1所示，对于上述起动点火方法，本发明提供了一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，包括点火器5、燃料泵6、氧化剂泵7、推力室8、燃气发生器9，以及依次连通的氮气供应单元1、过氧化氢贮箱2、起动器3和涡轮4。其中，过氧化氢贮箱2用于存放过氧化氢，也可以通过其他形式的供应系统向本发明过氧化氢贮箱2相应位置提供过氧化氢。在本发明的一个实施例中，氮气供应单元1包括氮气瓶101、气体截止阀102和减压阀103，气体截止阀102和减压阀103依次设置于氮气瓶101和过氧化氢贮箱2之间的管路上，气体截止阀102可以采用高压电磁阀，氮气瓶101中的高压氮气经减压阀103减压后进入过氧化氢贮箱2，对过氧化氢贮箱2中的过氧化氢增压，过氧化氢增压后进入起动器3和点火器5，分别被起动器3和点火器5中的催化剂分解为高温气体，过氧化氢贮箱2出口处的管路上可以设置过氧化氢截止阀11，需要使增压后的过氧化氢进入起动器3和点火器5时，打开过氧化氢截止阀11即可，起动器3中的高温气体进入涡轮4驱动其工作，点火器5中的高温气体进入推力室8，涡轮4、燃料泵6和氧化剂泵7同轴连接，燃料泵6和氧化剂泵7能够在涡轮4的驱动下同步转动。进入燃料泵6和所述氧化剂泵7的燃料和氧化剂经增压后，一部分进入推力室8，另一部分进入燃气发生器9，燃气发生器9与涡轮4连通。
上述起动点火系统的工作原理如下：需要发动机工作时，首先打开气体截止阀102，氮气瓶101中的高压氮气经过减压阀103减压后进入过氧化氢贮箱2中，对过氧化氢贮箱2中的过氧化氢进行增压，然后，打开过氧化氢截止阀11，过氧化氢贮箱2中的过氧化氢在增压压力下分别流入点火器5和起动器3中，并在点火器5和起动器3中催化剂的作用下分解为高温气体，其中，起动器3中的高温气体进入涡轮4内腔起旋涡轮4，涡轮4带动燃料泵6和氧化剂泵7同步工作，使其对燃料和氧化剂增压，增压后的氧化剂和燃料一部分进入燃气发生器9，另一部分进入推力室8中，点火器5中的高温气体进入推力室8中，与推力室8中煤油自燃并点燃后续进入的作为氧化剂的液氧和作为燃料的煤油，推力室8工作并产生推力。同时，进入燃气发生器9中的氧化剂和燃料在涡轮4的涡轮腔中高温燃气的作用下点火燃烧，产生的高温燃气驱动涡轮4继续做功，直至发动机工况达到某一设定值时，分别关闭过氧化氢截止阀11和气体截止阀102，起动点火系统工作结束，发动机完成起动点火。
实施例二
如图2所示，一种基于过氧化氢的泵压式发动机起动点火系统，与本发明实施例一的区别在于，不需要设置点火器5，过氧化氢贮箱2中的过氧化氢经所述氮气供应单元1增压后进入起动器3，被起动器3中的催化剂分解为高温气体，高温气体分别送至推力室8和涡轮4，进入涡轮4的高温气体驱动其工作，进入燃料泵6和所述氧化剂泵7的燃料和氧化剂经增压后，一部分进入推力室8，另一部分进入燃气发生器9。能够有效降低成本。
对于上述两个实施例，如图3，示出了一种起动器3的结构，起动器3包括依次连通的催化剂床301、喷嘴302、燃料喷和膨胀室305，其中，催化剂床301的入口与过氧化氢贮箱2相连，喷嘴302内设有节流孔306或节流孔板，节流孔306或节流孔板与前述的作用相同。还示出了一种节流孔306或节流孔板的设置方式，喷嘴302包括靠近催化剂床1的第一喷嘴段3021和靠近膨胀室305的第二喷嘴段3022，第一喷嘴段3021与催化剂床301相连，其内径小于催化剂床301出口处内径，且小于第二喷嘴段3022的内径，使第一喷嘴段3021内腔形成节流孔306或用于设置节流孔板，第二喷嘴段3022与膨胀室305相连。该起动器3的结构对于实施例一和实施例二均适用，对于实施例一，膨胀室305的出口与涡轮4相连，对于实施例二，膨胀室305的出口同时与涡轮4和推力室8相连。
另外，催化剂床1可以包括由入口处至出口处依次设置的入口段3011、反应段3012和出口段3013，入口段3011与过氧化氢贮箱2相连，用于过氧化氢射入，反应段3012内包括由入口段3011至出口段3013依次设置的集液腔、分配板、催化剂填料和支撑板，集液腔内径由入口段至出口段逐渐增大，分配板和支撑板分别设置于催化剂填料的两端，分配板设置于集液腔末端，分配板和支撑板均与反应段3012内壁相接，集液腔与分配板使得过氧化氢均匀地进入催化剂填料，分配板具有一定的开孔率，能形成一定的压降，在系统中起到阻尼作用，催化剂填料促使过氧化氢发生催化分解，可根据过氧化氢浓度等选择合适的催化剂，如浓度为90%以下含90%可选择银网催化剂，浓度在90%以上可选择陶瓷基催化剂，支撑板用来支撑催化剂填料，使催化剂填料在高温环境下具有足够的刚度。出口段3013与第一喷嘴段3021相连。另外，在本发明的其他实施例中，催化剂床301的结构还可采用现有的其他结构形式，能够用于对过氧化氢进行催化即可。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。