电动泵压式液氧甲烷空间推进系统技术方案

本发明专利技术提供的一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，包括高压气瓶、液氧贮箱、甲烷贮箱、电动泵系统、氧热交换喷射棒、甲烷热交换喷射棒及轨控发动机；其中高压气瓶通过第一管道与液氧贮箱及甲烷贮箱连接；液氧贮箱及甲烷贮箱分别通过第二管道及第三管道与电动泵系统连接；氧热交换喷射棒设置在液氧贮箱内；甲烷热交换喷射棒设置在甲烷贮箱内；电动泵系统通过第四管道与氧热交换喷射棒及轨控发动机连接；电动泵系统通过第五管道与甲烷热交换喷射棒及轨控发动机连接。本发明专利技术适用于空间飞行器推进系统，尤其在推进剂加注量较大、轨控发动机需要多次启动的空间推进系统上具有显著的应用优势。

Electrically Pumped Liquid Oxygen Methane Space Propulsion System

The invention provides an electric pump pressure type liquid oxygen methane space propulsion system, which comprises a high-pressure cylinder, a liquid oxygen tank, a methane tank, an electric pump system, an oxygen heat exchange injection rod, a methane heat exchange injection rod and a rail-controlled engine. The high-pressure cylinder is connected with the liquid oxygen tank and the methane tank through the first pipeline; the liquid oxygen tank and the methane tank are connected through the second pipeline and the third pipeline respectively. The channel is connected with the electric pump system; the oxygen heat exchange injection rod is arranged in the liquid oxygen tank; the methane heat exchange injection rod is arranged in the methane tank; the electric pump system is connected with the oxygen heat exchange injection rod and the rail-controlled engine through the fourth pipeline; the electric pump system is connected with the methane heat exchange injection rod and the rail-controlled engine through the fifth pipeline. The invention is suitable for space vehicle propulsion system, and has remarkable application advantages in space propulsion system with large amount of propellant and multiple startup of orbit control engine.

【技术实现步骤摘要】
电动泵压式液氧甲烷空间推进系统
本专利技术涉及空间飞行器动力系统领域，特别涉及一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统。
技术介绍
空间化学推进正在向高性能、无毒的低温化学推进技术方向发展，基于液氧/甲烷推进剂组合的空间推进系统具有综合性能高、可重复使用性能好、具备行星原位资源利用等优势，在高性能上面级、行星着陆器、星表基地建设、载人火星探测等领域具有广泛的应用前景。现有的空间推进系统主要采用高压气体挤压式系统方案，部分采用涡轮泵增压式系统方案。随着国内外高性能锂电池技术和高速轻质电动机技术突飞猛进的发展，尤其是Rocketlab公司电动卢瑟福发动机的顺利飞行应用，电动泵压式发动机已经成为化学空间推进的新成员。基于电动泵的空间推进系统：1)相对挤压式推进系统，贮箱压力较低，增压气体用量少，大幅降低了推进系统的结构重量，并能有效提高发动机比冲性能，推进系统性能大幅提高；2)相对涡轮泵压式推进系统，增压组件和发动机推力室解耦，系统复杂度大幅降低，因取消了高温涡轮部件且系统零件数量减少，系统可靠性大幅提高，同时通过控制电机启停和转速便于实现多次启动和发动机推力调节。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种解决现有技术中存在的有毒推进剂比冲性能低、操作维护成本高的问题，挤压式推进系统贮箱压力高、增压气体用量大、系统结构质量大的问题以及涡轮泵压式推进系统结构复杂、多次启动及深度变推力难度大的问题的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统。为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，包括高压气瓶、液氧贮箱、甲烷贮箱、电动泵系统、氧热交换喷射棒、甲烷热交换喷射棒及轨控发动机；其中所述高压气瓶通过第一管道与所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱连接；所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱分别通过第二管道及第三管道与所述电动泵系统连接；所述氧热交换喷射棒设置在所述液氧贮箱内；所述甲烷热交换喷射棒设置在所述甲烷贮箱内；所述电动泵系统通过第四管道与所述氧热交换喷射棒及所述轨控发动机连接；所述电动泵系统通过第五管道与所述甲烷热交换喷射棒及所述轨控发动机连接。优选地，所述电动泵系统包括电源、控制盒、液氧电机泵、氧泵驱动器、甲烷电机泵及甲烷泵驱动器；其中所述电源及所述控制盒通过线缆与所述氧泵驱动器、所述液氧电机泵、所述甲烷泵驱动器及所述甲烷电机泵连接。优选地，所述氧热交换喷射棒包括氧路J-T阀、液氧喷射套管、氧路芯管及氧路背压孔板；其中所述氧路J-T阀及所述氧路背压孔板分别安装在所述氧路芯管的入口及出口位置；所述氧路芯管设置在所述液氧喷射套管内；所述液氧喷射套管安装在所述液氧贮箱内部。优选地，所述甲烷热交换喷射棒包括甲烷J-T阀、液甲烷喷射套管、甲烷芯管及甲烷背压孔板；其中所述甲烷J-T阀及甲烷背压孔板分别安装在所述甲烷芯管的入口及出口位置；所述甲烷芯管设置在所述液甲烷喷射套管内；所述液甲烷喷射套管安装在所述甲烷贮箱内部。优选地，所述轨控发动机包括轨控推力室、液氧阀门及甲烷阀门；其中所述液氧阀门及所述甲烷阀门设置在所述轨控推力室上；所述液氧阀门与所述第四管道连接；所述甲烷阀门与所述第五管道连接。优选地，在所述第一管道上分别安装有气体加排阀、高压气路压力传感器、气路电爆阀、减压阀、低压气路压力传感器、氧路单向阀、甲烷单向阀、氧箱压力传感器、氧箱安全阀、氧箱排放阀、甲烷箱压力传感器、甲烷箱安全阀及甲烷箱排放阀；其中所述高压气路压力传感器位于所述气路电爆阀上游，用于测量所述高压气瓶出口的气路压力；所述低压气路压力传感器位于所述减压阀下游，用于测量所述减压阀下游的气路压力；所述氧箱压力传感器位于所述氧路单向阀下游，用于测量所述液氧贮箱的压力；所述甲烷箱压力传感器位于所述甲烷单向阀下游，用于测量所述甲烷贮箱的压力。优选地，在所述第二管道上分别安装有液氧加排阀、氧路电爆阀、氧路过滤器及液氧泵前压力传感器；其中所述液氧泵前压力传感器位于所述氧路过滤器下游，用于测量所述液氧电机泵入口前的液路压力。优选地，在所述第三管道上分别安装有甲烷加排阀、甲烷电爆阀、甲烷过滤器及甲烷泵前压力传感器；其中所述甲烷泵前压力传感器位于所述甲烷过滤器下游，用于测量所述甲烷电机泵入口前的液路压力。优选地，在所述第四管道上分别安装有液氧泵后压力传感器、液氧主路自锁阀及液氧循环路自锁阀；其中所述液氧泵后压力传感器位于所述液氧主路自锁阀及液氧循环路自锁阀上游，用于测量所述液氧电机泵出口的液路压力。优选地，在所述第五管道上分别安装有甲烷泵后压力传感器、甲烷主路自锁阀及甲烷循环路自锁阀；其中所述甲烷泵后压力传感器位于所述甲烷主路自锁阀及甲烷循环路自锁阀上游，用于测量所述甲烷电机泵出口的液路压力。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：(1)推进系统采用液氧/甲烷推进剂组合，相对常规有毒推进系统，比冲性能较高，空间飞行器完成相同的总冲任务需要携带的推进剂质量大幅减少，同时推进系统的地面操作与维护成本也较低。(2)液氧贮箱和甲烷贮箱的工作压力较低，进而爆破压力的指标较低，结构质量较小。(3)增压氦气的使用量较少，进而高压气瓶的容积较小，结构尺寸和结构质量均较小。(4)轨控发动机的入口压力较高，进而燃烧室压力较高，在相同的空间飞行器结构尺寸约束下能够实现更高的喷管面积比，发动机比冲性能大幅提高，进而在相同的任务及总冲要求下可以有效地减少推进剂的携带量。(5)电动泵系统通过驱动器控制电机泵的转速和扬程，进而控制供应发动机的液氧和甲烷的压力与流量，调节方便，能够满足轨控发动机大范围推力调节和多次启停的推进剂供应要求。(6)电动泵系统配合氧热交换喷射棒和甲烷热交换喷射棒，能有效控制液氧贮箱和甲烷贮箱内推进剂的温度与压力在设定范围内，同时液氧和甲烷的损耗量也较少，能够满足空间飞行器长期在轨工作的使用需求。本专利技术适用于空间飞行器推进系统，尤其在推进剂加注量较大、轨控发动机需要多次启动的空间推进系统上具有显著的应用优势。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征目的及优点将会变得更明显。图1为本专利技术电动泵压式液氧甲烷空间推进系统结构示意图。附图标记：1-高压气瓶；2-液氧贮箱；3-甲烷贮箱；4-电动泵系统；5-氧热交换喷射棒；6-甲烷热交换喷射棒；7-轨控发动机；11-第一管道；12-气体加排阀；13-高压气路压力传感器；14-气路电爆阀；15-减压阀；16-低压气路压力传感器；17-氧路单向阀；18-甲烷单向阀；21-第二管道；22-液氧加排阀；23-氧路电爆阀；24-氧路过滤器；25-液氧泵前压力传感器；31-第三管道；32-甲烷加排阀；33-甲烷电爆阀；34-甲烷过滤器；35-甲烷泵前压力传感器；41-线缆；42-电源及控制盒；43-氧泵驱动器；44-液氧电机泵；45-甲烷泵驱动器；46-甲烷电机泵；51-第四管道；52-液氧泵后压力传感器；53-液氧主路自锁阀；54-液氧循环路自锁阀；55-氧路J-T阀；56-液氧喷射套管；57-氧路芯管；58-氧路背压孔板；61-第五管道；62-甲烷泵后压力传感器；63-甲烷主路自锁阀；64-甲烷循环路自锁阀；65-甲烷J-T阀；66-液甲烷喷射套管；67-甲烷芯管；68-甲烷背压孔板；71-轨控推力室；72-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，包括高压气瓶、液氧贮箱、甲烷贮箱、电动泵系统、氧热交换喷射棒、甲烷热交换喷射棒及轨控发动机；其中所述高压气瓶通过第一管道与所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱连接；所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱分别通过第二管道及第三管道与所述电动泵系统连接；所述氧热交换喷射棒设置在所述液氧贮箱内；所述甲烷热交换喷射棒设置在所述甲烷贮箱内；所述电动泵系统通过第四管道与所述氧热交换喷射棒及所述轨控发动机连接；所述电动泵系统通过第五管道与所述甲烷热交换喷射棒及所述轨控发动机连接。

【技术特征摘要】
1.一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，包括高压气瓶、液氧贮箱、甲烷贮箱、电动泵系统、氧热交换喷射棒、甲烷热交换喷射棒及轨控发动机；其中所述高压气瓶通过第一管道与所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱连接；所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱分别通过第二管道及第三管道与所述电动泵系统连接；所述氧热交换喷射棒设置在所述液氧贮箱内；所述甲烷热交换喷射棒设置在所述甲烷贮箱内；所述电动泵系统通过第四管道与所述氧热交换喷射棒及所述轨控发动机连接；所述电动泵系统通过第五管道与所述甲烷热交换喷射棒及所述轨控发动机连接。2.根据权利要求1所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，所述电动泵系统包括电源、控制盒、液氧电机泵、氧泵驱动器、甲烷电机泵及甲烷泵驱动器；其中所述电源及所述控制盒通过线缆与所述氧泵驱动器、所述液氧电机泵、所述甲烷泵驱动器及所述甲烷电机泵连接。3.根据权利要求1所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，所述氧热交换喷射棒包括氧路J-T阀、液氧喷射套管、氧路芯管及氧路背压孔板；其中所述氧路J-T阀及所述氧路背压孔板分别安装在所述氧路芯管的入口及出口位置；所述氧路芯管设置在所述液氧喷射套管内；所述液氧喷射套管安装在所述液氧贮箱内部。4.根据权利要求1所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，所述甲烷热交换喷射棒包括甲烷J-T阀、液甲烷喷射套管、甲烷芯管及甲烷背压孔板；其中所述甲烷J-T阀及甲烷背压孔板分别安装在所述甲烷芯管的入口及出口位置；所述甲烷芯管设置在所述液甲烷喷射套管内；所述液甲烷喷射套管安装在所述甲烷贮箱内部。5.根据权利要求1所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，所述轨控发动机包括轨控推力室、液氧阀门及甲烷阀门；其中所述液氧阀门及所述甲烷阀门设置在所述轨控推力室上；所述液氧阀门与所述第四管道连接；所述甲烷阀门与所述第五管道...

【专利技术属性】
技术研发人员：程诚，王浩明，田桂，李小芳，林庆国，张志远，
申请(专利权)人：上海空间推进研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31