阅读说明：本技术 一种朗肯循环火箭发动机系统 (Rankine cycle rocket engine system ) 是由 侯辉 刘恒娟 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种朗肯循环火箭发动机系统,该系统包括推力室(1)、冷凝器(5)、推进剂增压单元、膨胀机(4)、朗肯循环增压泵(6)和电机,所述推进剂增压单元与推力室(1)连接并供给燃料,所述推力室(1)、膨胀机(4)、冷凝器(5)和朗肯循环增压泵(6)串联形成朗肯循环子系统,所述膨胀机(4)传动连接推进剂增压单元,或者同时传动连接推进剂增压单元与朗肯循环增压泵(6)；所述推进剂增压单元和/或朗肯循环增压泵(6)连接提供额外动力的电机。与现有技术相比,本发明电池重量大大降低,且简单可靠,易于控制,价格低廉。(The invention relates to a Rankine cycle rocket engine system, which comprises a thrust chamber (1), a condenser (5), a propellant pressurization unit, an expansion machine (4), a Rankine cycle booster pump (6) and a motor, wherein the propellant pressurization unit is connected with the thrust chamber (1) and supplies fuel, the thrust chamber (1), the expansion machine (4), the condenser (5) and the Rankine cycle booster pump (6) are connected in series to form a Rankine cycle subsystem, and the expansion machine (4) is in transmission connection with the propellant pressurization unit or is simultaneously in transmission connection with the Rankine cycle booster pump (6); the propellant booster unit and/or the Rankine cycle booster pump (6) is connected to an electric motor providing additional power. Compared with the prior art, the battery has the advantages of greatly reduced weight, simplicity, reliability, easy control and low price.)

一种朗肯循环火箭发动机系统

技术领域

本发明涉及发动机系统领域，具体涉及一种朗肯循环火箭发动机系统。

背景技术

传统泵压式火箭发动机系统按发动机循环方式分为开式循环和闭式循环，开式循环主要是燃气发生器循环，闭式循环则主要包括分级燃烧循环与膨胀循环。而无论是开式循环还是闭式循环，由于其均涉及到采用部分推进剂燃烧或气化驱动涡轮，因此系统均较为复杂，控制均涉及到较为复杂的反馈。尤其是闭式循环，其反馈程度极深，系统复杂度与控制难度均堪称工业产品之最。再加上诸如推力室高温高压等特点，泵压式火箭发动机系统为自己筑就了一道高不可攀的技术门槛，只有少数航天强国才能够掌控。

而随着2018年1月21日电子号”运载火箭的发射成功，这一领域出现了松动。“电子号”运载火箭以其全新的电动火箭发动机循环，为未来火箭发动机的设计指明了一条全新的道路：其推进剂增压的动力来源不再来自于涡轮，而仅由电机提供。这一循环方式使得系统具有设计、调试简单，发动机性能高，易维护使用、易扩展等特点。再加上火箭公司低廉的发射报价，使这一技术被业界称为“有可能大幅度降低小型火箭发动机的设计和制造难度”。

然而电动火箭发动机循环存在致命弱点，即电池重量过高。从分析来看，即使以现有锂电池最高技术水平，为火箭一级提供泵增压动力所需要的电池重量也必须达到2t，而箭体总重不过10t。因此即使采用了各种减重的方法，其500km太阳同步轨道标称发射质量也仅为150kg，而首次发射时实际搭载的有效载荷质量仅39kg。电池重量过高已经成为制约其发展的最大障碍。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种能够大幅度降低电池重量且易于控制、简单可靠、价格低廉的朗肯循环发动机系统，特别是用于火箭。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种朗肯循环火箭发动机系统，该系统包括推力室、冷凝器、推进剂增压单元、膨胀机、朗肯循环增压泵和电机，所述推进剂增压单元与推力室连接并供给燃料，所述推力室、膨胀机、冷凝器和朗肯循环增压泵串联形成朗肯循环子系统，所述膨胀机传动连接推进剂增压单元，或者同时传动连接推进剂增压单元与朗肯循环增压泵；所述推进剂增压单元和/或朗肯循环增压泵连接提供额外动力的电机。

该系统工作时，燃料与氧化剂在推力室中混合燃烧释放热量，通过室壁传递给液态的朗肯循环工质，朗肯循环工质吸热后从液态变成过热蒸汽，通过膨胀机对外做功(将机械能传递给推进剂增压单元和/或朗肯循环增压泵)，变成低温低压蒸汽后通过冷凝器变成过冷液体，然后过冷液体通过朗肯循环增压泵增压变成高压低温液体，最后高压低温液体进入推力室的朗肯循环流体通道，形成朗肯循环。

该系统可采用电机提供额外的动力，当电机作为主要动力时，朗肯循环子系统仅提供部分动力的控制方式；系统亦可采用电机只提供部分动力，主要动力由朗肯循环子系统提供的控制方式；还可采用系统中不设置电机，初始动力由燃料贮箱压力提供，后续动力由朗肯循环子系统提供的控制方式。

当采用电机提供部分动力的方案时，所需要的电机功率较小，因此作为电机的电源——电池所需量较少，能够大幅度降低电池重量且易于控制；即通过合理搭配使用超级电容器与电池，做到控制方便的同时，电池重量大大降低。

进一步地，电机包括与推进剂增压单元连接的第一电机和/或与朗肯循环增压泵单独连接的第二电机。采用同一电机同时为推进剂增压单元和朗肯循环增压泵提供动力在能量利用上效率更高，但在结构布局上则有较大的限制。单独采用第二电机为朗肯循环增压泵提供动力在控制上提供的自由度更多，可以方便的通过调节第二电机转速来实现调节朗肯循环工作压力，而通过调节第一电机转速来实现调节朗肯循环工作流量，进而实现调节整个发动机系统工况的目的。此时朗肯循环增压泵与推进剂增压单元不连接。

进一步地，所述推进剂增压单元先与冷凝器连接，再与推力室连接，可将推进剂作为冷源，更好地应用能量交换原则，使朗肯循环子系统的能量利用效率更高。

进一步地，所述推进剂增压单元包括燃料增压泵和氧化剂增压泵，燃料增压泵同膨胀机和/或电机连接，氧化剂增压泵同膨胀机和/或电机连接。

进一步地，所述燃料增压泵用于增压燃料，所述氧化剂增压泵用于增压氧化剂，冷凝器采用增压后的燃料和/或增压后的氧化剂作为冷却介质。根据系统需要冷却介质吸收的热量来确定冷却方案，其中单独采用燃料作为冷却介质安全性更高。

进一步地，所述朗肯循环子系统中还设有回热器，即在所述膨胀机和冷凝器之间还设置回热器，用于将冷凝器入口前的低温低压工质蒸汽的热量传递给推力室流体通道入口前的低温高压工质液体。一般情况下，冷凝器入口前的低温低压蒸汽温度要高于推力室的朗肯循环流体通道入口前的低温高压液体；设置回热器可有效降低推进剂和/或氧化剂的冷却负荷，增加系统等压吸热过程的吸热量。

进一步地，所述冷凝器、回热器为板式换热器或管式换热器，均为常用的换热器类型。

进一步地，所述电机和膨胀机通过轴系和/或传动装置提供动力，所述传动装置包括相互配合连接的齿轮、皮带传动机构和联轴器，均为常用的传动装置。

进一步地，所述膨胀机为涡轮或螺杆膨胀机，这是朗肯循环中常用的两种膨胀机。

进一步地，所述氧化剂增压泵、燃料增压泵、朗肯循环增压泵为离心泵或柱塞泵，均为常用的泵类型。

进一步地，所述朗肯循环子系统用于朗肯循环工质的循环，所述朗肯循环工质选自水、液氨、氨水混合物、R41、R125、R218、R143a、R32、RE125、R1270、R290、R134a、R227ea、R161、R152a、RC270、R236fa、RE170、R600a、R236ea、R600、R245fa、Neo-C₅H₁₂、R601a、R601或n-hexane中的一种或多种。

泵压式火箭发动机推力室一般通过再生冷却来达到冷却推力室室壁的目的，在这一过程中推力室的朗肯循环流体通道内的朗肯循环工质通过吸收室壁传递的燃烧热量对推力室壁进行冷却；这一过程属于热量从高温向低温自发的传递，由热力学第二定律可知其属于不可逆过程，会带来系统做功能力的损失。

本发明主要通过采用朗肯循环技术，吸收推力室燃烧产生的热量并在膨胀机中转换为燃料和/或氧化剂增压所用的机械能，从而达到大幅度降低电池重量的目的。

本发明采用朗肯循环技术，以推力室中推进剂燃烧产生的热量作为热源，以增压后的燃料和/或增压后的氧化剂作为冷源，通过膨胀机对外做功，可为氧化剂增压泵、燃料增压泵和朗肯循环增压泵提供动力，从而降低电机负载，减少用电量，达到大幅度降低电池重量的目的。

与传统发动机系统不同，本发明的朗肯循环子系统除了驱动泵之外，与发动机主系统之间只存在着热量交换关系，因此与其之间耦合度较小，易于控制。这一特点也使本发明与电动循环系统在简单可靠，价格低廉等方面可以相提并论。

除此之外，冷源温度对朗肯循环效率有着极大的影响，冷源温度越低，则朗肯循环效率越高；同时由于冷源温度低，有着足够的冷却能力，因此也可以提高热源温度，使系统做功能力进一步增强；对于燃烧温度极高的推力室而言，通过设计可以轻易将朗肯循环工质温度提升。

以液氢液氧发动机为例，其系统工作时朗肯循环工质的高温可至500℃以上，而低温可至-150℃以下，其效率较之实施例2中采用本发明，朗肯循环工质高温160℃、低温50℃不可同日而语。因此对于广泛使用低温推进剂的液体火箭发动机，采用朗肯循环方式有着降低火箭报价独特的优势。

在运载火箭中运用本发明，可以在简单可靠、价格低廉的基础上，运载力得到极大提高，从而极大地提高竞争力。更有意义的是，在冷凝器处采用了低温推进剂和/或低温氧化剂作为冷源使朗肯效率极大提高后，系统推力、比冲上与闭式循环基本达到同一水平，而电池重量与箭体总重相比基本可以忽略。此时，火箭总体可利用其控制更加灵活的特点完成控制难度更高的任务，如一级火箭的回收。

在卫星与深空探测器中运用本方案，可有效的利用太阳能电池板的电力，使发动机性能在现有基础上得到进一步提升。其对于延长高轨卫星在轨工作时间，节省深空控制器推进剂均有着重要的意义。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用电机和膨胀机进行配合为氧化剂增压泵、燃料增压泵和朗肯循环增压泵提供动力，可以大大降低配套电池重量甚至降低至接近于零，适用于对重量要求严格的火箭等。

2、增压后的推进剂和氧化剂先经过冷凝器后进入推力室，可有效利用燃料和氧化剂温度低的特性，将朗肯循环工质的热量传递出去。

3、设置回热器，可减少增压后的燃料和氧化剂的冷却负荷。

4、系统包含的组件少，循环回路简单，控制难度大大降低，价格低廉。

附图说明

图1为实施例1中朗肯循环火箭发动机系统的结构示意图；

图2为实施例2中朗肯循环火箭发动机系统的结构示意图；

图3为实施例3中朗肯循环火箭发动机系统的结构示意图；

图4为实施例4中朗肯循环火箭发动机系统的结构示意图；

图5为实施例5中朗肯循环火箭发动机系统的结构示意图。

图中：1-推力室；2-氧化剂增压泵；3-燃料增压泵；4-膨胀机；5-冷凝器；6-朗肯循环增压泵；7-第一电机；8-回热器；9-第二电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种朗肯循环火箭发动机系统，该系统包括推力室1、冷凝器5、推进剂增压单元、膨胀机4、朗肯循环增压泵6和电机，所述推进剂增压单元与推力室1串联形成发动机子系统，所述推力室1、膨胀机4、冷凝器5和朗肯循环增压泵6串联形成朗肯循环子系统，推进剂增压单元先与冷凝器5连接，再与推力室1连接，推进剂增压单元包括用于燃料增压的燃料增压泵3和用于氧化剂增压的氧化剂增压泵2，冷凝器5采用增压后的燃料和/或增压后的氧化剂作为冷却介质，电机为与氧化剂增压泵2直接连接的第一电机7，第一电机7和膨胀机4通过轴系和/或传动装置为氧化剂增压泵2、燃料增压泵3和朗肯循环增压泵6提供动力，传动装置包括相互配合连接的齿轮、皮带传动机构和联轴器。

图中实线为燃料和氧化剂流动路线，虚线为朗肯循环工质流动路线，该系统工作时，燃料和氧化剂在推力室1中混合燃烧释放热量，传递给液态的朗肯循环工质，朗肯循环工质吸热后从液态变成过热蒸汽，通过膨胀机4对外做功，变成低温低压蒸汽后通过冷凝器5变成过冷液体，然后过冷液体通过朗肯循环增压泵6增压变成高压低温液体，最后高压低温液体进入推力室1的朗肯循环流体通道中被加热后变为过热蒸汽，形成朗肯循环。

其中，冷凝器5为板式换热器或管式换热器；膨胀机4为涡轮或螺杆膨胀机；氧化剂增压泵2、燃料增压泵3、朗肯循环增压泵6为离心泵或柱塞泵。

朗肯循环子系统用于朗肯循环工质的循环，朗肯循环工质选自水、液氨、氨水混合物、R41、R125、R218、R143a、R32、RE125、R1270、R290、R134a、R227ea、R161、R152a、RC270、R236fa、RE170、R600a、R236ea、R600、R245fa、Neo-C₅H₁₂、R601a、R601或n-hexane中的一种或多种。

实施例2

如图2所示，与实施例1基本相同，在膨胀机4和冷凝器5之间、以及朗肯循环增压泵6和推力室1之间设置了回热器8，用于将冷凝器5入口前的低温低压工质蒸汽的热量传递给推力室1的朗肯循环流体通道入口前的低温高压工质液体。

系统工作时，推进剂和氧化剂在推力室1中混合燃烧释放热量，传递给液态的朗肯循环工质，朗肯循环工质吸热后从液态变成过热蒸汽，通过膨胀机4对外做功，变成低温低压蒸汽后通过回热器8将放出部分热量后再经过冷凝器5变成过冷液体，然后过冷液体通过朗肯循环增压泵6增压变成高压低温液体，最后高压低温液体在回热器8中吸收部分热量后又进入推力室1的朗肯循环流体通道中被加热后变为过热蒸汽，形成朗肯循环。

以采用NTO(四氧化二氮)与MMH(甲基肼)为推进剂、R245fa为朗肯循环工质、推力为10000N的朗肯循环发动机系统为例，在贮箱压力忽略不计、系统压力为5Mp_a、推力室室压为3.5Mp_a下稳态工作时，从推力室1的朗肯循环流体通道的壁面传出约120KW的热功率，其将61℃、3.4Mp_a左右，流量为0.5kg/s的过冷液体工质等压加热成为160℃、3.4Mp_a左右的过热蒸汽；然后过热蒸汽通过膨胀机4绝热膨胀为76℃、0.34Mp_a的过热蒸汽，这一过程中其对外做功，输出的轴功率约13KW。此时的过热蒸汽通过回热器8将部分热量传递给推力室1室壁流体通道前的高压过冷液体后，其状态变为66℃、0.34MPa的过热蒸汽，之后其通过冷凝器5等压冷凝成50℃、0.34MPa左右的过冷液体，并使推进剂温度从20℃升高至35℃。过冷液体经朗肯循环增压泵6绝热增压为51℃、3.4Mp_a左右的过冷液体，这一过程所需轴功率约为1.6KW。其通过回热器8吸收热量变为61℃、3.4Mp_a左右的过冷液体，从而形成朗肯循环的闭环。最终所输出功率可为推进剂增压单元提供3.0MPa左右的增压能力，在电池系统负载正比与电池重量的情况下，电池重量可减少60％左右。

实施例3

如图3所示，与实施例2基本相同，朗肯循环增压泵6单独由第二电机9提供动力，不与膨胀机4连接，氧化剂增压泵2和燃料增压泵3由第一电机7和膨胀机4通过轴系和/或传动装置提供动力。

实施例4

如图4所示，与实施例2基本相同，不设置第一电机7，氧化剂增压泵2和燃料增压泵3先由推进剂贮箱内的压力提供初始动力，后由氧化剂增压泵2、燃料增压泵3和朗肯循环增压泵6由膨胀机4通过轴系和/或传动装置提供动力。

系统工作时，贮藏推进剂的贮箱内压力驱动氧化剂及推进剂燃料进入在推力室1内燃烧，其一部分热量传递给低温高压液态的朗肯循环工质，朗肯循环工质吸热后从液态变为过热蒸汽，然后通过膨胀机4做功变成低温低压蒸汽。此时膨胀机4作为动力源通过轴系和/或传动装置为氧化剂增压泵2、燃料增压泵3以及朗肯循环增压泵6提供动力。低温低压蒸汽通过回热器8将放出部分热量后再经过冷凝器5变成过冷液体，然后过冷液体通过朗肯循环增压泵6增压变成高压低温液体，最后高压低温液体在回热器8中吸收部分热量后又进入推力室1的朗肯循环流体通道中被加热后变为过热蒸汽，形成朗肯循环。

实施例5

如图5所示，与实施例3基本相同，不设置第一电机7，朗肯循环增压泵6单独由第二电机9提供动力，不与膨胀机4连接。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。