一种再生冷却液体火箭发动机吹除系统及其控制方法

技术领域

本发明属于液体火箭发动机应用技术领域，具体是一种再生冷却液体火箭发动机吹除系统及其控制方法。

背景技术

随着国家航天任务越来越繁重，对火箭发动机的研制要求越来越高，发动机研制试验也越来越多，而挤压式再生冷却液体火箭发动机试验中，常常会设置吹除系统，在试验前后对发动机腔道内的残留推进剂进行吹除，避免推进剂对发动机的腐蚀以及推进剂残留导致点火爆燃或者影响发动机的启动过程，而通常发动机吹除系统需在点火时序中人为增加控制时序或者手动开启吹除，在这些情况下，存在由于吹除时间点不合适导致的气体与液体掺混问题，容易引起发动机异常工作并紧急关机，以及存在由于吹除时序点增加，导致时序复杂且易出错的问题。

发明内容

为了克服液体火箭发动机吹除存在人为控制误差，提高发动机身部可重复使用次数，本发明提出了一种再生冷却液体火箭发动机吹除系统及其控制方法。

一种再生冷却液体火箭发动机吹除系统，包括氧化剂吹除组件、燃料吹除组件。

所述氧化剂吹除组件、所述燃料吹除组件分别与再生冷却液体火箭发动机连接。

所述氧化剂吹除组件包括依次连接的氧化剂吹除气源贮箱、吹除气截止阀、氧化剂吹除单向阀、氧化剂吹除接管嘴，所述氧化剂吹除接管嘴与再生冷却液体火箭发动机相连接。

所述燃料吹除组件包括依次连接的燃料吹除气源贮箱、吹除气截止阀、燃料吹除单向阀、燃料吹除接管嘴，所述燃料吹除接管嘴与再生冷却液体火箭发动机相连接。

上述的再生冷却液体火箭发动机吹除系统，所述氧化剂吹除气源贮箱、所述燃料吹除气源贮箱均为压力可调的恒压贮箱。

上述的再生冷却液体火箭发动机吹除系统，所述再生冷却液体火箭发动机包括氧化剂主阀、燃料主阀、燃料冷却管路、燃料主路管路、推力室再生冷却通道、推力室、氧化剂喷注口、燃料喷注口、氧化剂腔道、燃料主路腔道、燃料冷却路腔道。

所述氧化剂主阀依次通过氧化剂管路、所述氧化剂腔道、所述氧化剂喷注口与所述推力室连通。

所述燃料主阀依次通过所述推力室再生冷却通道、所述燃料冷却管路、所述燃料冷却路腔道与所述推力室连通。所述燃料主阀依次通过所述推力室再生冷却通道、所述燃料主路管路、所述燃料主路腔道、所述燃料喷注口与所述推力室连通。

所述氧化剂吹除接管嘴与所述氧化剂主阀至所述氧化剂腔道的管路连接，所述燃料吹除接管嘴与所述推力室再生冷却通道连通。

上述的再生冷却液体火箭发动机吹除系统，氧化剂吹除单向阀后到氧化剂出口容积小于燃料吹除单向阀后到燃料出口容积。

一种再生冷却液体火箭发动机吹除控制方法，包括如下步骤：

步骤1，试车前吹除

第一步，打开氧化剂吹除气源贮箱与燃料吹除气源贮箱，吹除气体分别流至燃料路吹除气截止阀和氧化剂路吹除气截止阀，两路气体为同一种吹除气体，此时两路气体同时到达吹除气截止阀。

第二步，同时打开燃料路吹除气截止阀和氧化剂路吹除气截止阀，吹除气体分别流至氧化剂吹除单向阀和燃料吹除单向阀，此时两路气体同时到达氧化剂吹除单向阀和燃料吹除单向阀。

第三步，氧化剂吹除单向阀和燃料吹除单向阀前后压差达到打开压力额定值，氧化剂吹除单向阀和燃料吹除单向阀自动打开，吹除气体对发动机腔道进行吹除。

步骤2，试车吹除

第一步，发动机试车，发动机室压未达到额定室压前，打开氧化剂吹除气源贮箱与燃料吹除气源贮箱，吹除气体分别流至燃料路吹除气截止阀和氧化剂路吹除气截止阀，两路气体为同一种吹除气体，此时两路气体同时到达吹除气截止阀。

第二步，同时打开燃料路吹除气截止阀和氧化剂路吹除气截止阀，吹除气体分别流至氧化剂吹除单向阀和燃料吹除单向阀，两路气体为同一种吹除气体，此时两路气体同时到达氧化剂吹除单向阀和燃料吹除单向阀。

第三步，发动机室压达到额定室压，氧化剂吹除单向阀、燃料吹除单向阀关闭状态，吹除气体不对氧化剂腔道、燃料路腔道实施吹除。

步骤3，试车后吹除

第一步，发动机关机，燃料主阀继续保持打开状态，氧化剂主阀关闭。氧化剂吹除单向阀前后压差达到打开压力额定值，氧化剂吹除单向阀自动打开，吹除气体对发动机氧化剂吹除单向阀后的氧化剂腔道实施吹除，吹除时间为T0至T1。

第二步，氧化剂吹除单向阀处于打开状态，吹除气体对发动机氧化剂吹除单向阀后的氧化剂腔道继续实施吹除。关闭燃料主阀，燃料吹除单向阀前后压差达到打开压力额定值，燃料吹除单向阀自动打开，吹除气体对发动机燃料吹除单向阀后的燃料路腔道实施吹除，吹除时间为T1至T2。

第三步，燃料路吹除气截止阀、氧化剂路吹除气截止阀同时关闭，氧化剂腔道、燃料路腔道吹除同时停止，停止时间为T2至T3。

同时打开燃料路吹除气截止阀、氧化剂路吹除气截止阀，同时对氧化剂路腔道、燃料路腔道实施吹除，吹除时间为T3至T4。

第四步，重复燃料路吹除气截止阀、氧化剂路吹除气截止阀同时关闭、打开的过程，至发动机腔道内无剩余推进剂。

上述的再生冷却液体火箭发动机吹除控制方法，所述步骤2第三步中，氧化剂吹除单向阀、燃料吹除单向阀处于关闭状态，关闭状态时氧化剂吹除单向阀、燃料吹除单向阀后与所述氧化剂吹除单向阀、燃料吹除单向阀前压差均大于0.3MPa。

上述的再生冷却液体火箭发动机吹除控制方法，所述步骤3试车后吹除中，氧化剂吹除单向阀压力额定值为0.2MPa，燃料吹除单向阀压力额定值为0.2MPa。

上述的再生冷却液体火箭发动机吹除控制方法，所述步骤3试车后吹除中，氧化剂腔道吹除时间T0至T1为0.3s，燃料路腔道吹除时间T1至T2为20s，氧化剂腔道、燃料路腔道吹除同时停止时间T2至T3为2s，氧化剂腔道、燃料路腔道同时吹除时间T3至T4为10s，重复燃料路吹除气截止阀、氧化剂路吹除气截止阀同时关闭、打开5次。

本发明的有益效果是：

一种再生冷却液体火箭发动机吹除系统，通过合理设置系统组成以及单向阀前后压差的控制，实现发动机吹除过程的自动控制，既满足发动机吹除要求，又减少了人为控制的误差；

一种再生冷却液体火箭发动机吹除系统，通过对氧化剂路和燃料路两路吹除时差的控制，先对氧化剂路进行吹除，燃料路延后300ms后，再开始吹除，这能够在吹除氧化剂的后续燃烧中，燃料继续冷却发动机身部，保证发动机身部不被破坏，保证发动机身部的可重复使用；

一种再生冷却液体火箭发动机吹除系统，该发明在发动机与单向阀后管路中设置节流孔，通过选择不同孔径的节流孔，可改变吹除气体的体积流量与气流流速，同一套系统能够适应不同发动机的吹除要求，提高了吹除系统的使用率，节约了试验成本；

一种再生冷却液体火箭发动机吹除控制方法，发动机能通过改变气体储箱压力，改变单向阀在发动机关机后的打开时间，从而可在点火时序不变的前提下，灵活适应发动机的吹除需求。

附图说明

图1是吹除时序图；其中，T0时刻为发动机关机时刻，此时氧化剂主阀关闭，氧化剂主阀后压力下降，氧化剂吹除单向阀打开，开始吹除，燃料主阀继续保持打开状态，燃料在再生冷却通道中继续冷却推力室，冷却0.3s后关闭燃料主阀，此时为T1时刻，此时燃料主阀后压力下降，燃料吹除单向阀打开，开始吹除；从T1时刻开始，氧化剂吹除单向阀与燃料吹除单向阀同时吹除20s后，吹除气截止阀关闭，此时为T2时刻；从T2时刻经过2s后，吹除气截止阀打开，氧化剂与燃料吹除单向阀自动打开，此时为T3时刻；从T3时刻开始，氧化剂吹除单向阀与燃料吹除单向阀自动打开同时吹除10s后，吹除气截止阀关闭，此时为T4时刻；在整个吹除过程中，T2到T4动作需重复5次，确保吹除干净。

图2是再生冷却液体火箭发动机吹除系统示意图。

图中：1.氧化剂吹除气源贮箱；2.燃料吹除气源贮箱；3.吹除气截止阀；4.氧化剂腔道；5.燃料吹除单向阀；6.氧化剂吹除单向阀；7.氧化剂吹除接管嘴；8.燃料吹除接管嘴；9.氧化剂主阀；10.燃料主阀；11.燃料冷却管路；12.燃料主路管路；13.推力室再生冷却通道；14.推力室；15.氧化剂喷注口；16.燃料喷注口；17.氧化剂入口；18.燃料入口；19.燃料主路腔道；20.燃料冷却路腔道。

具体实施方式

实施例1

一种再生冷却液体火箭发动机吹除系统，包括气源贮箱、吹除气截止阀、单向阀、吹除接管嘴(吹除气节流孔)、发动机。如图2所示。

发动机吹除采用自动控制方法，吹除工作时，发动机的吹除气截止阀3打开，气体流至氧化剂吹除单向阀6与燃料吹除单向阀5前，当发动机关机后，发动机管路中压力降低，即氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5后压力降低，而单向阀前有吹除气体，当单向阀前后压差到达一定值后，单向阀自动打开，吹除气体开始对发动机内腔进行吹除；

所述氧化剂吹除气源贮箱1和燃料吹除气源贮箱2均为压力可调的恒压贮箱，即发动机在吹除过程中，气源贮箱压力不随时间变化，氧化剂吹除气源贮箱1和燃料吹除气源贮箱2压力不一定相同，氧化剂吹除气源贮箱和燃料吹除气源贮箱出口分别与管路相连，管路出口为两路吹除气截止阀3，两路吹除气截止阀3控制吹除气体供应的通断，由控制系统发出通断指令控制阀门的启动与关闭，吹除气截止阀3出口与管路相连，管路出口与氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5连接，氧化剂吹除单向阀6、燃料吹除单向阀5后与氧化剂吹除接管嘴7、燃料吹除接管嘴8相连，吹除气体在氧化剂吹除接管嘴7、燃料吹除接管嘴8节流，即该处截面的流通面积最小，通过选择不同孔径的吹除接管嘴，可改变吹除气体的体积流量与气流流速；

所述的氧化剂吹除接管嘴7出口与氧化剂主阀9后管路连接，并与所述推力室头部氧化剂腔道4相连，吹除气体通过流通通道对在所述氧化剂腔道4内的残留推进剂进行吹除，使发动机腔道内无剩余推进剂；

所述燃料吹除接管嘴8出口与所述推力室再生冷却通道13相连，燃料吹除接管嘴8设置在所述推力室再生冷却通道最下方，再生冷却通道13出口通过连接管路分成两路，一路与燃料主路腔道19相连，一路与燃料冷却路腔道20相连，吹除气体通过流通通道对在所述再生冷却通道13、燃料主路腔道19和燃料冷却路腔道20内的残留推进剂进行吹除，所述推力室再生冷却通道和燃料冷却路共同保证推力室身部正常工作，避免推力室身部烧蚀。

特别地，发动机关机时，由于发动机残留推进剂会继续反应释热，为避免发动机身部烧蚀，特提出了通过控制氧化剂路和燃料路两路吹除时差的措施，先对氧化剂路进行吹除，燃料路延后300ms后，再开始吹除，这能够在吹除氧化剂的后续燃烧中，燃料继续冷却发动机身部，保证发动机身部不被破坏。

一种再生冷却液体火箭发动机吹除控制方法，包括如下步骤：

步骤1，试车前吹除；

第一步，设置管路中，保证氧化剂吹除路、燃料吹除路中，吹除气体从贮箱到截止阀前管路大小、长度一致，打开氧化剂吹除气源贮箱与燃料吹除气源贮箱，吹除气体分别流至两路吹除气截止阀3前，两路气体为同一种吹除气体，此时两路气体同时到达截止阀前。

第二步，设置管路中，保证氧化剂吹除路、燃料吹除路中，吹除气体从吹除气截止阀到燃料吹除单向阀和氧化剂吹除单向阀前管路大小、长度一致，同时打开燃除气截止阀3，吹除气体分别流至氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5前，两路气体为同一种吹除气体，此时两路气体同时到达燃料吹除单向阀和氧化剂吹除单向阀前。

第三步，此时发动机未工作，氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5后压力为大气压，只需保证氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5前后正压差大于等于0.2MPa，氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5可自动打开，吹除气体对发动机腔道进行吹除，设置氧化剂吹除单向阀后到氧化剂出口容积小于燃料吹除单向阀后到燃料出口容积，保证发动机先吹除氧化剂路，再开始吹除燃料路。

步骤2，试车吹除(管路大小、长度设置与步骤1中相同)；

第一步，在发动机室压到达额定室压后，打开氧化剂吹除气源贮箱与燃料吹除气源贮箱，吹除气体分别流至两路吹除气截止阀3前，两路气体为同一种吹除气体，此时两路气体同时到达截止阀前，

第二步，同时打开两路吹除气截止阀3，吹除气体分别流至氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5前，两路气体为同一种吹除气体，此时两路气体同时到达氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5前；

第三步，此时发动机工作，氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5后压力分别为氧化剂主阀、燃料主阀后压力减去吹除接管嘴流阻后压力，此压力大于氧化剂吹除单向阀6和燃料吹除单向阀5前压力，单向阀处于关闭状态，气体不进行吹除，此压力与单向阀前压力之差应大于0.3MPa，留有一定安全余量。

步骤3，试车后吹除

如图1所示，发动机关机后，为保护再生冷却通道。需继续冷却发动机再生冷却通道一小段时间，因此燃料主阀在氧化剂主阀关闭300ms以后再关闭，保证再生冷却通道还留有燃料流动，冷却再生冷却通道，关机后，氧化剂主阀同时关闭，氧化剂单向阀后压力逐渐降低，当氧化剂吹除单向阀6前后正压差大于或等于0.2MPa，氧化剂吹除单向阀6自动打开，吹除气体对发动机单向阀后氧化剂路腔道进行吹除，300ms后，燃料主阀关闭，燃料单向阀后压力逐渐降低，当燃料吹除单向阀5前后正压差大于或等于0.2MPa，燃料吹除单向阀5自动打开，吹除气体对发动机燃料吹除单向阀后燃料路腔道进行吹除，两路同时吹除持续一段时间后，关闭两路截止阀，2s后再同时打开两路截止阀，两路同时吹除一段时间，重复此过程5次，保证发动机推进剂能被吹除干净。设置单向阀后到氧化剂出口容积小于单向阀后到燃料出口容积，保证发动机先吹除氧化剂路，再开始吹除燃料路。