[发明专利]一种氧化亚氮分解自增压系统

说明书

一种氧化亚氮分解自增压系统，包括：内部带增压气囊的氧化亚氮贮箱、膜片阀、小型增压器、流量调节器、控制器、分解器、单向阀、冷却器、过滤器和稳压器。本发明基于现有技术，提出一种新型的氧化亚氮分解自增压系统，利用氧化亚氮自身分解产物，对贮箱进行增压，实现系统的自增压。使用该系统的动力装置无需额外携带增压介质和专用设备，可以降低动力装置的结构体积和重量，满足使用氧化亚氮作为氧化剂的各类固液混合火箭发动机、液体发动机以及多模态推进系统等动力装置对增压系统小型化、轻质化的需求。

技术领域

本发明涉及航空、航天各类飞行器推进领域，特别涉及使用氧化亚氮作为氧化剂的各类固液混合火箭发动机、液体发动机以及多模态推进系统等动力装置。

背景技术

常温下，液态氧化亚氮的饱和蒸汽压约为5MPa，密度约为800kg/m³，其分解温度为520℃，分解产物为1份氮气和0.5份氧气。与常规火箭用氧化剂相比，氧化亚氮无毒、无色、无味，是一种绿色推进剂，也易于使用和储存。利用氧化亚氮的高饱和蒸汽压特性，可以无需额外携带增压介质(常规为占体积较大的惰性气体)，或者复杂的增压结构(涡轮等设备)，达到自增压。而本发明则通过较为简单的结构，利用氧化亚氮本身的分解特性将氧化亚氮贮箱压力再度提升至更高的压力(8～10MPa)，这是现有的常规增压措施和常用氧化剂、推进剂无法实现的。

目前各类动力装置中，对氧化剂的增压方式主要集中于以下几种：

1.挤压式

挤压式系统主要优点是系统比较简单、可靠。但是，它的缺点在于氧化剂贮箱实际是在推进剂输送压力大于燃烧室压力下工作，贮箱壁厚与结构重量较大。同时，由于贮箱增压压力较高，需要的增压气体量大，增压气瓶质量也比较重。因此，挤压式系统质量比较重，显而易见，随着发动机工作时间增长，其系统质量亦增大。它可应用于任何工作循环，一般适用于发动机总冲比较小的推进系统。

2.气驱活塞泵增压

该增压方式可以利用缸内活塞两端的面积差进行增压，只要有稳定的气源就能按设计的增压倍数将低压的氧化剂以高压输出。该方式体积相对于挤压式要小很多，增压过程也能做到随控，但也面临以下几项关键问题：

a)大增压比情况下，增压气消耗量很高，气源问题需解决。更突出的是，由于泵的最大工作频率受限，相同规格的活塞泵，增压比越大，输出的高压氧化剂流量越小。如果采用多缸并联增压的方式，可以有效的提高输出流量，但也会增加消极质量和体积。

b)小增压比情况。如果利用氧化剂自身较高的饱和蒸汽压，则可以降低活塞泵的增压比，那么泵输出高压的氧化剂流量可以提高很多。但小增比情况下也面临与挤压式相同的问题，就是贮箱压力较高，造成贮箱的结构重量很大。

3.涡轮泵增压

涡轮泵增压通常应用于发动机总冲比较大的推进系统，目前世界上大多数大型运载火箭都采用这种增压系统，比较成熟。它的主要优点在于贮箱实际不是在燃烧室要求的输送压力下工作，使得能以较小的质量制造大容积的贮箱。它的缺点在于涡轮泵需要专用的驱动能源装置，系统比较复杂。此外，该系统由于有涡轮泵的启动过程，系统增压反应较慢。

该增压方式的输送是氧化剂贮箱的气枕压力在满足发动机泵入口压力条件下，将推进剂输入泵，然后由涡轮驱动泵，使泵出口的推进剂压力提高到喷注入发动机燃烧室所需要的压力。由于泵的入口压力要求较低，因此氧化剂贮箱的压力也可以比较低，从而降低贮箱的结构质量。

但对于采用绿色、无毒、清洁、低成本的氧化亚氮作为氧化剂的动力系统来说，常温下饱和蒸汽压较高。使用气驱活塞泵和涡轮泵两种方式增压容易造成汽蚀，导致流量极不稳定。同时气驱活塞泵和涡轮泵价格昂贵，且结构、操作复杂。因此对于氧化亚氮，一般采用挤压式进行增压。但采用挤压式需额外携带增压气瓶和增压介质，使得动力装置结构复杂、体积大、质量重。

发明内容