火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，特別涉及將烴作為燃料的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]已知將烴作為推進(jìn)劑的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。該液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具備用于供給推進(jìn)劑(氧化劑和烴)的渦輪泵。利用渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動(dòng)該渦輪泵。該渦輪機(jī)將烴作為燃料，并利用在輔助燃燒器中產(chǎn)生的燃燒氣體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，該輔助燃燒器例如將LOX(液氧LiquidOxygen)作為氧化劑，并被稱作氣體發(fā)生器(副燃燒器)。例如，在非專利文獻(xiàn)I中公開了應(yīng)用了這樣的氣體發(fā)生器循環(huán)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0003]圖1是表示記載在該非專利文獻(xiàn)I中的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)的概略圖。在本圖中，左上的圖是應(yīng)用了氣體發(fā)生器循環(huán)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在該火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用燃料泵和氧化劑泵作為渦輪泵。燃料泵由燃料渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，氧化劑泵由氧化劑渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。而且，燃料渦輪機(jī)和氧化劑渦輪機(jī)由在氣體發(fā)生器中燃燒的燃燒氣體驅(qū)動(dòng)。
[0004]在將這樣的氣體發(fā)生器循環(huán)應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，存在以下問題點(diǎn)。第I問題點(diǎn)是需要一個(gè)額外的燃燒器。由于需要一個(gè)額外的燃燒器，所以可靠性有可能降低，成本也變高。第2問題點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的燃燒氣體直接被排放掉。渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)后的燃燒氣體的能量未被有效利用而變成損失，因此能量損失大。第3問題點(diǎn)是對(duì)氣體發(fā)生器要求極高的可靠性。盡管氣體發(fā)生器由于伴隨著燃燒而動(dòng)作環(huán)境惡劣，但其故障對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來說是致命的。這是因?yàn)?，在氣體發(fā)生器發(fā)生故障的情況下，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)立刻失去渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)力，從而燃料和氧化劑的供給變得困難。這樣，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)并不穩(wěn)健(robust)ο
[0005]圖1的右上的圖是應(yīng)用了分級(jí)燃燒循環(huán)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在該火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，在主燃燒器前設(shè)置預(yù)燃燒器，利用該預(yù)燃燒器的預(yù)燃燒氣體，驅(qū)動(dòng)燃料渦輪機(jī)和氧化劑渦輪機(jī)，并將該預(yù)燃燒氣體供給到主燃燒器。在該情況下，由于將渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)后的燃燒氣體用于進(jìn)一步燃燒，所以不會(huì)發(fā)生上述第2問題點(diǎn)。但是，使用所謂的預(yù)燃燒器的輔助燃燒器的情況并未改變，從而具有上述第I和第3問題點(diǎn)的情況也未改變。另外，圖1的下方的圖是應(yīng)用了利用對(duì)液態(tài)氫進(jìn)行氣化而膨脹的膨脹循環(huán)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。該火箭發(fā)動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用到使用烴作為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0007]非專利文獻(xiàn)
[0008]非專利文獻(xiàn)1:George P.Sutton, Oscar Biblarz, “Rocket Propuls1nElements”，Seventh Edit1n, John ffiley&Sons, Inc.p223 (Figure6 — 9), (2001).

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，本發(fā)明的目的在于提供可靠性更高且能量損失少的、將烴作為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。并且，本發(fā)明的其他目的在于提供將烴作為燃料且穩(wěn)健的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。并且，本發(fā)明進(jìn)一步的其他目的在于提供促進(jìn)了燃料和氧化劑的混合、沒有氣體的排放、且燃燒效率提高的、將烴作為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0010]該發(fā)明的這些目的和除此之外的目的和優(yōu)點(diǎn)可以通過以下的說明和附圖而容易地確認(rèn)。
[0011]本發(fā)明的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具備:燃料流路、觸媒部、渦輪機(jī)、第I泵、燃燒室和噴嘴。燃料流路用于烴類的燃料流通。觸媒部設(shè)于燃料流路的途中，用于使燃料氣化。渦輪機(jī)設(shè)于燃料流路的途中，由被氣化的燃料驅(qū)動(dòng)。第I泵利用渦輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)向燃料流路供給燃料。燃燒室使從燃料流路供給的被氣化的燃料和氧化劑燃燒。噴嘴將燃燒室的燃燒氣體送出，并與燃料流路的一部分進(jìn)行熱交換來進(jìn)行冷卻。
[0012]在上述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料流路也可以具備第I路徑和第2路徑。第I路徑將燃料在噴嘴進(jìn)行熱交換并在觸媒層進(jìn)行氣化后導(dǎo)向燃燒室。第2路徑將燃料直接導(dǎo)向燃燒室。燃燒室也可以使經(jīng)由第I路徑供給的氣化的燃料和經(jīng)由第2路徑供給的燃料的混合燃料燃
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[0013]在上述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，觸媒部也可以設(shè)在燃料流路的途中的與噴嘴進(jìn)行熱交換的部位處的燃料流路的內(nèi)部。
[0014]在上述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，觸媒部利用觸媒將燃料熱化學(xué)分解來進(jìn)行氣化。也可以利用熱化學(xué)分解的吸熱反應(yīng)對(duì)噴嘴進(jìn)行冷卻。
[0015]在上述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，觸媒部也可以以覆蓋燃料流路的內(nèi)壁的方式形成為層狀。
[0016]在上述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，觸媒部也可以設(shè)在燃料流路的途中的比與噴嘴進(jìn)行熱交換的部位更靠后段的位置。
[0017]在上述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，觸媒部也可以由收納在容器內(nèi)的多顆觸媒粒形成。
[0018]在上述火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，還可以具備氧化劑流路和第2泵。氧化劑流路用于氧化劑流通至燃燒室。第2泵利用渦輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)向氧化劑流路供給氧化劑。渦輪機(jī)、第I泵和第2泵被連接在同一旋轉(zhuǎn)軸上。
[0019]本發(fā)明的火箭具備火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料箱和氧化劑箱。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)被記載在上述各段落中的一個(gè)段落。燃料箱與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料流路連接。氧化劑箱與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的氧化劑流路連接。
[0020]本發(fā)明的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法具備利用壓力向燃燒室供給烴類的燃料和氧化劑、并使其燃燒的步驟。還具備如下步驟，當(dāng)燃燒室通過燃燒而被加熱時(shí)，利用壓力，使燃料在通過熱交換對(duì)噴嘴進(jìn)行冷卻的同時(shí)，向觸媒部供給，而使燃料氣化。
[0021]還具備利用被氣化的燃料驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的步驟。還具備如下步驟，利用渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)第I泵，并使燃料的一部分在通過熱交換對(duì)噴嘴進(jìn)行冷卻的同時(shí)在觸媒部進(jìn)行氣化。還具備利用渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)第I泵，并向燃燒室供給剩余的燃料的步驟。還具備利用渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)第2泵，并向燃燒室供給氧化劑的步驟。還具備使被氣化的燃料、被供給的燃料、和被供給的氧化劑在燃燒室燃燒的步驟。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，在將烴作為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，能夠使可靠性更高，并能夠減少能量損失。并且，在將烴作為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，能夠提高穩(wěn)健性。并且，在將烴作為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，促進(jìn)了燃料和氧化劑的混合，沒有氣體的排放，能夠使燃燒效率提高。
【附圖說明】
[0023]圖1是表示記載在非專利文獻(xiàn)I中的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)的概略圖。
[0024]圖2是表示第I實(shí)施方式的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及應(yīng)用它的火箭的結(jié)構(gòu)的概略圖。
[0025]圖3是表示第I實(shí)施方式的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的觸媒部的一例的概略圖。
[0026]圖4是表示第I實(shí)施方式的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)動(dòng)作的流程圖。
[0027]圖5是表示第2實(shí)施方式的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及應(yīng)用它的火箭的結(jié)構(gòu)的概略圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下，關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施方式的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及應(yīng)用它的火箭，參照附圖進(jìn)行說明。
[0029][第I實(shí)施方式]
[0030]對(duì)第I實(shí)施方式的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及應(yīng)用它的火箭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖2是表示本實(shí)施方式的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及應(yīng)用它的火箭的結(jié)構(gòu)的概略圖?；鸺齀通過使烴燃料和氧化劑燃燒，并向后方噴出燃燒氣體來進(jìn)行飛行?；鸺齀具備火箭主體2和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3。
[0031]火箭主體2具備燃料箱4、氧化劑箱5和控制部6。燃料箱4儲(chǔ)存液態(tài)的烴燃料。燃料箱4基于控制部6的控制，通過氣體加壓等手段向火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3送出燃料。氧化劑箱5儲(chǔ)存液態(tài)的氧化劑(例如:LOX)。氧化劑箱5基于控制部6的控制，通過氣體加壓等手段向火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3送出氧化劑?？刂撇?是以計(jì)算機(jī)為例的信息處理裝置，具備未圖示的處理裝置(例如:CPU)、存儲(chǔ)裝置(例如:RAM、ROM)和接口。還可以具備輸入裝置(例如:鍵盤)和輸出裝置(例如:顯示器)?？刂撇?經(jīng)由接口至少對(duì)燃料箱4、氧化劑箱5和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3進(jìn)行控制。
[0032]火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3從燃料箱4和氧化劑箱5供給液態(tài)的烴燃料和氧化劑，使這些燃料和氧化劑燃燒，并向后方噴出燃燒氣體?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)3具備:燃料流路31?39、觸媒部51、渦輪機(jī)12、第I泵11、第2泵13、燃燒室21、噴嘴22、氧化劑流路41?43、閥V1、閥V2和旋轉(zhuǎn)軸14。
[0033]燃料流路31?39是用于烴燃料流通的流路(例如:配管)。觸媒部51設(shè)于燃料流路31?39的途中，用于使燃料氣化。渦輪機(jī)12設(shè)于燃料流路(31?39)的途中，由被氣化的燃料驅(qū)動(dòng)。第I泵11利用渦輪機(jī)12的驅(qū)動(dòng)向燃料流路31?39供給燃料。第2泵13利用渦輪機(jī)12的驅(qū)動(dòng)向氧化劑流路41?43供給氧化劑。第I泵11和第2泵13是渦輪泵。燃燒室21使從燃料流路31?39供給的燃料(包括被氣化的燃料)和氧化劑燃燒。噴嘴22是將燃燒室21的燃燒氣體送出的火箭噴嘴。并且，與燃料流路31?39的一部分進(jìn)行熱交換而被冷卻。氧化劑流路41?43是用于氧化劑流通至燃燒室21的流路(例如:配管)。閥Vl基于控制部6的控制，在燃料流路31?39中，向直接向燃燒室21供給燃料的路徑和在與噴嘴22的熱交換后向燃燒室21供給燃料的路徑中的至少一方供給燃料，或者，停止燃燒的供給。閥V2基于控制部6的控制，在氧化劑流路41?43中，向燃燒室