开式变推力火箭发动机、火箭及控制方法

摘要

本发明涉及航天推进技术领域，具体涉及一种开式变推力火箭发动机、火箭及控制方法，开式变推力火箭发动机包括：增压装置；推力室，具有第一燃料入口、第一氧化剂入口，第一燃料入口与燃料出口过燃料主路相连通，燃料主路上设有燃料主阀，第一氧化剂入口与氧化剂出口通过氧主路相连通；燃气发生器，具有第二燃料入口、第二氧化剂入口、燃气出口，第二燃料入口与燃料主路通过燃料副路相连，第二氧化剂入口与氧主路通过氧副路相连；燃气出口与增压装置的驱动入口通过燃气主路相连，增压装置内部还通过燃气分流路与燃气主路相连通，燃气分流路上设有燃气调节阀，燃气发生器产生的燃气适于通过燃气分流路进入增压装置后并排出。

说明书

技术领域

本发明涉及航天推进技术领域，具体涉及一种开式变推力火箭发动机、火箭及控制方法。

背景技术

一般的火箭发动机仅有一种推力工作模式，发动机及其火箭仅能一次使用，要实现火箭等飞行器的回收重复利用，降低发射成本，火箭发动机必须具备推力调节能力。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有推力调节能力的开式变推力火箭发动机、火箭及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种开式变推力火箭发动机，包括：

增压装置，具有氧化剂出口、燃料出口；

推力室，具有第一燃料入口、第一氧化剂入口，所述第一燃料入口与燃料出口过燃料主路相连通，所述燃料主路上设有燃料主阀，所述第一氧化剂入口与氧化剂出口通过氧主路相连通，所述氧主路上设有氧主阀；

燃气发生器，具有第二燃料入口、第二氧化剂入口、燃气出口，所述第二燃料入口与所述燃料主路通过燃料副路相连，所述燃料副路上设有燃料副阀，所述第二氧化剂入口与所述氧主路通过氧副路相连，所述氧副路上设有氧副阀；

所述燃气出口与所述增压装置的驱动入口通过燃气主路相连，用于驱动所述增压装置旋转，所述增压装置内部还通过燃气分流路与所述燃气主路相连通，所述燃气分流路上设有燃气调节阀，所述燃气发生器产生的燃气适于通过所述燃气分流路进入所述增压装置后并排出。

可选地，所述推力室设有压力检测装置，所述压力检测装置用于检测所述推力室的压力。

可选地，所述压力检测装置包括第一压力传感器、第二压力传感器。

可选地，所述增压装置包括同轴设置的涡轮、氧泵、燃料泵，所述氧主路与所述氧泵相连，所述燃料主路与所述燃料泵相连，所述燃气主路与所述涡轮的驱动入口相连，所述燃气分流路与所述涡轮内相连通。

可选地，所述开式变推力火箭发动机还包括：

燃料入口管道，一端适于与燃料源相连，一端与所述燃料泵相连，所述燃料入口管道设有第一流量计；

氧化剂入口管道，一端适于与氧化剂源相连，一端与所述氧泵相连，所述氧化剂入口管道上设有第二流量计。

可选地，所述氧主路上位于所述氧主阀的下游位置处设有氧主调节阀。

可选地，所述燃气主路上设有温度检测装置，所述氧副路上位于所述氧副阀的下游位置处设有氧副调节阀。

可选地，所述温度检测装置包括第一温度传感器、第二温度传感器。

可选地，所述推力室包括本体及设在所述本体外的冷却夹套，所述燃料主路与所述冷却夹套的入口相连，所述冷却夹套的出口与所述第一燃料入口相连。

本发明还提供一种火箭，包括所述的开式变推力火箭发动机。

本发明还提供一种开式变推力火箭发动机的控制方法，应用于所述的开式变推力火箭发动机，包括：

获取推力指令；

将推力转换成推力室的所需压力；

根据所述所需压力调节燃气调节阀的开度。

可选地，所述根据所述所需压力调节燃气调节阀的开度包括：

获取推力室的当前压力；

计算所述所需压力与所述当前压力的第一偏差量；

根据所述第一偏差量计算所述燃气调节阀的第一开度变化量；

根据所述第一开度变化量调节所述燃气调节阀的开度。

可选地，所述获取推力室的当前压力包括：

获取第一压力传感器检测的第一压力值以及第二压力传感器检测的第二压力值，并依据所述第一压力值、所述第二压力值计算所述当前压力。

可选地，所述控制方法还包括：

获取发动机混合比指令；

根据所述发动机混合比指令调节氧主调节阀的开度。

可选地，所述根据所述发动机混合比指令调节氧主调节阀的开度包括：

获取第一流量计测量的燃料流量值、第二流量计测量的氧流量值；

计算所述氧流量值与所述燃料流量值的比值，所述比值为当前发动机混合比；

计算所述发动机混合比指令与所述当前发动机混合比的第二偏差量；

根据所述第二偏差量计算氧主调节阀的第二开度变化量；

根据所述第二开度变化量调节所述氧主调节阀的开度。

可选地，所述控制方法还包括：

获取温度检测装置检测的当前温度值；

计算所述当前温度值与预设温度值的第三偏差量；

根据所述第三偏差量计算氧副调节阀的第三开度变化量；

根据所述第三开度变化量调节所述氧副调节阀的开度。

可选地，所述获取温度检测装置检测的当前温度值包括：

获取第一温度传感器检测的第一温度值以及第二温度传感器检测的第二温度值，并依据所述第一温度值、所述第二温度值计算所述当前温度值。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的开式变推力火箭发动机，通过在燃气分流路上设置燃气调节阀，当发动机推力要求变小时，可将燃气调节阀的开度调大，使得经过增压装置排出发动机的燃气流量增大，从而减小了驱动增压装置旋转的燃气流量，从而可减小发动机的推力；当发动机推力要求变大时，可将燃气调节阀的开度调小。通过设置燃气调节阀，可实现发动机的变推力调节，且可以实现20％－100％深度推力调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例1中提供的开式变推力火箭发动机的示意图。

附图标记说明：

1、推力室；2、涡轮；3、燃气发生器；4、燃料主阀；5、燃料副阀；6、氧主阀；7、氧副阀；8、氧泵；9、燃料泵；A1、第一温度传感器；A2、第二温度传感器；B1、第一压力传感器；B2、第二压力传感器；C1、燃气调节阀；C2、氧副调节阀；C3、氧主调节阀；E1、第一流量计；E2、第二流量计。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种开式变推力火箭发动机，可实现深度推力调节。在一个实施方式中，如图1所示，开式变推力火箭发动机包括：增压装置、推力室1、燃气发生器3。

增压装置具有氧化剂出口、燃料出口；推力室1具有第一燃料入口、第一氧化剂入口，第一燃料入口与燃料出口过燃料主路相连通，燃料主路上设有燃料主阀4，第一氧化剂入口与氧化剂出口通过氧主路相连通，氧主路上设有氧主阀6；燃气发生器3具有第二燃料入口、第二氧化剂入口、燃气出口，第二燃料入口与燃料主路通过燃料副路相连，燃料副路上设有燃料副阀5，第二氧化剂入口与氧主路通过氧副路相连，氧副路上设有氧副阀7；燃气出口与增压装置的驱动入口通过燃气主路相连，用于驱动增压装置旋转，增压装置内部还通过燃气分流路与燃气主路相连通，燃气分流路上设有燃气调节阀C1，燃气发生器3产生的燃气适于通过燃气分流路进入增压装置后并排出。

本实施方式提供的发动机的工作原理如下：燃料经增压装置的燃料出口出来后，大部分流量进入燃料主路，经过燃料主阀4后进入推力室1内；小部分流量进入燃料副路，经过燃料副阀5，进入燃气发生器3内。氧化剂经增压装置的氧化剂出口出来后，大部分流量进入氧主路，经过氧主阀6后进入推力室1内；小部分流量进入氧副路，经过氧副阀7进入燃气发生器3内。进入燃气发生器3内的燃料和氧化剂燃烧产生温度较低的燃气，燃气经燃气出口出来后分为两路，一部分流量进入燃气主路，对增压装置驱动做功，一部分流量进入燃气分流路，经过燃气调节阀C1后进入增压装置内，并最终排出发动机。进入推力室1内的燃料和氧化剂燃烧产生高温燃气，在推力室1内加速流动，排出发动机，产生推力。本实施方式通过在燃气分流路上设置燃气调节阀C1，当发动机推力要求变小时，可将燃气调节阀C1的开度调大，使得经过增压装置排出发动机的燃气流量增大，从而减小了驱动增压装置旋转的燃气流量，从而可减小发动机的推力；当发动机推力要求变大时，可将燃气调节阀C1的开度调小。通过设置燃气调节阀C1，可实现发动机的变推力调节，且可以实现20％－100％深度推力调节。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，推力室1设有压力检测装置，压力检测装置用于检测推力室1的压力。通过设置压力检测装置来检测推力室1的压力，可实时检测获取推力室1的当前压力值，当需要调节推力大小时，可将所需的推力转换成所需的压力，并根据当前压力值来判断燃气调节阀C1的开度调节量，可使调节更加精准。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，压力检测装置包括第一压力传感器B1、第二压力传感器B2。通过在推力室1设置两个压力传感器来检测推力室1的压力值，一方面可确保检测的准确性，另一方面当其中一个压力传感器损坏时，另一个压力传感器能够准确检测推力室1的压力。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，增压装置为涡轮泵，包括同轴设置的涡轮2、氧泵8、燃料泵9，氧主路与氧泵8相连，燃料主路与燃料泵9相连，燃气主路与涡轮2的驱动入口相连，燃气分流路与涡轮2内相连通。具体如图1所示，燃料泵9包括燃料一级泵、燃料二级泵，燃料主路与燃料二级泵相连。在一个可替换的实施方式中，增压装置可以为活塞泵。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，开式变推力火箭发动机还包括燃料入口管道、氧化剂入口管道。燃料入口管道一端适于与燃料源相连，一端与燃料泵9相连，燃料入口管道设有第一流量计E1；氧化剂入口管道，一端适于与氧化剂源相连，一端与氧泵8相连，氧化剂入口管道上设有第二流量计E2。在本实施方式中，通过在燃料入口管道上设置第一流量计E1，可以实时检测燃料流量，通过在氧化剂入口管道上设置第二流量计E2，可以实时检测氧化剂流量，从而可获取实时的发动机混合比，发动机混合比指养化剂流量与燃料流量的比值。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，氧主路上位于氧主阀6的下游位置处设有氧主调节阀C3。在本实施方式中，通过调节氧主调节阀C3的开度，可调节进入推力室1的氧化剂流量，从而可进行发动机混合比调节。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，燃气主路上设有温度检测装置，氧副路上位于氧副阀7的下游位置处设有氧副调节阀C2。在本实施方式中，通过在燃气主路上设置温度检测装置，可以检测燃烧产生的燃气的温度，当检测到的温度值偏高时，通过调节氧副调节阀C2，将氧副调节阀C2的开度调小，当检测到的温度值偏低时，通过调节氧副调节阀C2，将氧副调节阀C2的开度调大，从而使燃气温度保持在要求范围内(800K－860K)。

在一个优选的实施方式中，温度检测装置包括第一温度传感器A1、第二温度传感器A2。通过在燃气主管路上设置两个温度传感器来检测燃气的温度值，一方面可确保检测的准确性，另一方面当其中一个温度传感器损坏时，另一个温度传感器能够准确检测燃气的温度。优选的，温度传感器为速变型燃气温度传感器。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，推力室1包括本体及设在本体外的冷却夹套，燃料主路与冷却夹套的入口相连，冷却夹套的出口与第一燃料入口相连。在本实施方式中，燃料经燃料主路进入冷却夹套，可先对推力室1本体进行冷却，之后再进入推力室1内。

本实施例提供的开式变推力火箭发动机，工作原理如下：

燃料经过燃料入口管道的第一流量计E1进入燃料泵9，由燃料泵9出来之后分为两路，大部分流量进入燃料主路，经过燃料主阀4后，进入推力室1冷却夹套，最终进入推力室1内；小部分流量进入燃料副路，经过燃料副阀5，进入燃气发生器3内。

氧化剂经过氧化剂入口管道的第二流量计E2进入氧泵8，由氧泵8出来之后分为两路，大部分流量进入氧主路，经过氧主阀6、氧主调节阀C3后进入推力室1内，氧主调节阀C3可进行开度调节，控制氧主路流量；小部分流量进入氧副路，经过氧副阀7、氧副调节阀C2进入燃气发生器3内，氧副调节阀C2可进行开度调节，控制氧副路流量。

进入燃气发生器3内的燃料和氧化剂燃烧产生温度较低的燃气，在燃气出口冗余设置两个速变型燃气温度传感器，测量燃气温度，然后分为两路，一部分流量进入燃气主路，对涡轮2进行驱动做功，一部分流量进入燃气分流路，经过燃气调节阀C1，进入涡轮2后，不对涡轮2做功，两路燃气混合后排出发动机。燃气调节阀C1的开度可进行调节，控制分流路的燃气流量。

进入推力室1内的燃料和氧化剂燃烧产生高温燃气，在推力室1内加速流动，排出发动机，产生推力，推力室1冗余设置两个压力传感器，测量推力室1压力。

实施例2

本实施例提供一种火箭，包括上述实施例提供的开式变推力火箭发动机。

实施例3

本实施例提供一种开式变推力火箭发动机的控制方法，应用于实施例1中提供的开式变推力火箭发动机。在一个实施方式中，控制方法包括以下步骤：

S1：获取推力指令；

S2：将推力转换成推力室1的所需压力；

S3：根据所需压力调节燃气调节阀C1的开度。

在本实施方式中，推力和推力室1压力之间具有关系式，具体可根据在试验过程中统计出的多组推力值、压力值获取二者之间的关系，或者直接在试验过程中记录一一对应的推力值、压力值，当获取到推力指令，需要对推力大小调节时，先将推力根据推力和推力室1压力之间的关系计算出所需压力，之后根据所需压力调节燃气调节阀C1的开度。当发动机推力要求变小时，可将燃气调节阀C1的开度调大，使得经过涡轮2排出发动机的燃气流量增大，从而减小了驱动涡轮2旋转的燃气流量，从而可减小发动机的推力；当发动机推力要求变大时，可将燃气调节阀C1的开度调小。通过调节燃气调节阀C1的开度，可实现发动机的变推力调节，且可以实现20％－100％深度推力调节。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，S3步骤包括：

S31：获取推力室1的当前压力；

S32：计算所需压力与当前压力的第一偏差量；

S33：根据第一偏差量计算燃气调节阀C1的第一开度变化量；

S34：根据第一开度变化量调节燃气调节阀C1的开度。

在本实施方式中，通过获取推力室1的当前压力，并根据所需压力与当前压力的第一偏差量来计算燃气调节阀C1的第一开度变化量，根据第一开度变化量调节燃气调节阀C1的开度，可实现对燃气调节阀C1的精确调节，进而实现对推力的精确调节。

具体在一个实施方式中，S31步骤包括：

S31：获取第一压力传感器B1检测的第一压力值以及第二压力传感器B2检测的第二压力值，并依据第一压力值、第二压力值计算当前压力。通过在推力室1设置两个压力传感器来检测推力室1的压力值，一方面可确保检测的准确性，另一方面当其中一个压力传感器损坏时，另一个压力传感器能够准确检测推力室1的压力。具体的，当两个压力传感器均能正常工作时，当前压力可以为第一压力值和第二压力值的平均值。当其中一个压力传感器损坏时，当前压力为未损坏的压力传感器检测的压力值。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，控制方法还包括以下步骤：

S4：获取发动机混合比指令；

S5：根据发动机混合比指令调节氧主调节阀C3的开度。

在本实施方式中，可通过调节氧主调节阀C3的开度，调节进入推力室1的氧化剂流量，从而可进行发动机混合比调节，满足火箭总体混合比调节的需求。

在一个优选的实施方式中，S5步骤包括：

S51：获取第一流量计E1测量的燃料流量值、第二流量计E2测量的氧流量值；

S52：计算氧流量值与燃料流量值的比值，比值为当前发动机混合比；

S53：计算发动机混合比指令与当前发动机混合比的第二偏差量；

S54：根据第二偏差量计算氧主调节阀C3的第二开度变化量；

S55：根据第二开度变化量调节氧主调节阀C3的开度。

在本实施方式中，根据发动机混合比指令与当前发动机混合比的第二偏差量来精确计算氧主调节阀C3的第二开度变化量，并根据第二开度变化量调节氧主调节阀C3的开度，可实现对发动机混合比的精确调节。

在上述实施方式的基础上，在一个优选的实施方式中，控制方法还包括以下步骤：

S6：获取温度检测装置检测的当前温度值；

S7：计算当前温度值与预设温度值的第三偏差量；

S8：根据第三偏差量计算氧副调节阀C2的第三开度变化量；

S9：根据第三开度变化量调节氧副调节阀C2的开度。

在本实施方式中，当检测到的当前温度值偏高时，通过调节氧副调节阀C2，将氧副调节阀C2的开度调小，当检测到的当前温度值偏低时，通过调节氧副调节阀C2，将氧副调节阀C2的开度调大，可通过精确调节氧副调节阀C2的开度来确保燃气温度保持在要求范围内(800K－860K)。

在一个优选的实施方式中，S6步骤包括：

S61：获取第一温度传感器A1检测的第一温度值以及第二温度传感器A2检测的第二温度值，并依据第一温度值、第二温度值计算当前温度值。通过在燃气主管路上设置两个温度传感器来检测燃气的温度值，一方面可确保检测的准确性，另一方面当其中一个温度传感器损坏时，另一个温度传感器能够准确检测燃气的温度。具体的，当两个温度传感器均能正常工作时，当前温度可以为第一温度值和第二温度值的平均值。当其中一个温度传感器损坏时，当前温度为未损坏的温度传感器检测的温度值。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。