[发明专利]火星上升飞行器用固液混合发动机及方法

说明书

本发明一种火星上升飞行器用固液混合发动机及方法，属于航天推进技术领域；包括推力室、氧化剂供给系统和推力矢量控制系统；氧化剂供给系统包括氧化剂储箱、挤压式氧化剂供给子系统和泵压式膨胀循环氧化剂供给子系统；挤压式氧化剂供给子系统通过挤压的方式向推力室输入氧化剂，泵压式膨胀循环氧化剂供给子系统通过膨胀循环向推力室输入氧化剂；所述推力矢量控制系统通过开闭不同二次流管路上的控制阀，调节进入喷管的氧化亚氮流量大小，实现推力矢量控制和上升器姿态的调整。本发明采用超低温力学性能优越的石蜡燃料和低冰点、高饱和蒸汽压的氧化亚氮作为推进剂，解决了固体、液体发动机无法适应火星极端温差和难以长期储存等问题。

技术领域

本发明属于航天推进技术领域，具体涉及一种火星上升飞行器用固液混合发动机及方法。

背景技术

火星是太阳系中最近似地球的天体，是当前行星探测的重点。自20世纪60年代起，人类已成功向火星表面发射多枚探测器，但是，探测器携带的科学仪器已无法满足当前科学界的研究需求。因此，迫切需要开展火星表面样品返回工作。样品返回任务可分为以下几步：1)向火星表面发射探测器，进行取样；2)火星上升飞行器将样品送至火星轨道；3)火星轨道飞行器携带样品返回地球。

火星上升飞行器是样品返回任务的关键，但火星表面环境恶劣，平均温度-63℃，冬季最低温度可达-133℃。目前应用较多的固体和液体火箭发动机均无法适应该温度条件，固体火箭发动机采用的推进剂玻璃化转变温度约为-70℃，推进剂在极端低温下会出现断裂、变形等问题，使得发动机无法正常工作，为解决推进剂断裂问题，需对上升器整体进行保温，这使得样品返回任务成本大幅增加；液体火箭发动机常采用的推进剂，具有高冰点、低饱和蒸气压等特性，无法长时间储存，亦无法用作火星上升飞行器发动机。

固液混合发动机氧化剂输送方式分为挤压式和泵压式，挤压式氧化剂输送系统不适合在高室压、长时间工作的发动机中应用；而泵压式氧化剂输送系统在大流量调节比状态下，涡轮泵性能会出现降低。基于此，北京航空航天大学俞南嘉、张源俊等人发表的名为《固液火箭发动机电动泵输送系统》的专利，该发明专利申请号为201710618855.4，提出了以电动机驱动泵增压，由流量调节阀控制流量，通过调节泵的转速和流量调节阀，保证氧化剂能够以稳定的压力和流量供给至燃烧室。北京航空航天大学朱浩等人在航空动力学报中发表的名为《泵压式固液火箭发动机系统仿真与优化设计》的文章中，提出了一种基于过氧化氢催化分解产生的高温工质驱动涡轮泵的泵压式氧化剂输送系统，该系统相较于挤压式输送系统体积减小20％。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种火星上升飞行器用固液混合发动机，发动机以石蜡燃料/氧化亚氮作为推进剂。石蜡燃料玻璃化转变温度极低，在火星环境温度下能够保持较好的力学性能，氧化亚氮具有高饱和蒸气压、低冰点的特性，可在低温下长期储存。同时石蜡燃料/氧化亚氮固液混合发动机理论比冲可达3100N·s·kg^-1，平均推力可达3400N，满足火星上升飞行器的任务需求。

本发明的技术方案是：一种火星上升飞行器用固液混合发动机，包括推力室；其特征在于：还包括和所述推力室连接的氧化剂供给系统和推力矢量控制系统；

所述氧化剂供给系统包括氧化剂储箱1、挤压式氧化剂供给子系统和泵压式膨胀循环氧化剂供给子系统；所述氧化剂储箱1设置于推力室上方，所述挤压式氧化剂供给子系统通过挤压的方式向推力室输入氧化剂，泵压式膨胀循环氧化剂供给子系统通过膨胀循环向推力室输入氧化剂；

所述挤压式氧化剂供给子系统包括高压氦气储箱5、增压管路28和挤压供给管路29；多个高压氦气储箱5设置于推力室的外围，其出口通过管道相互连通，并通过增压管路28与氧化剂储箱1连通；所述增压管路28的出口伸入氧化剂储箱1内，并延伸至氧化剂储箱1的内部上方，用于将高压氦气储箱5内的氦气通入氧化剂储箱1的内部上方，给于氧化剂向下的压力；氧化剂储箱1的输出口通过挤压供给管路29与推力室连通，将挤压输出的氧化剂输入推力室，与燃烧室内的石蜡燃料11燃烧；