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[原创] 电控解耦燃气发生器循环

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hansens 发表于 2019-2-21 17:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

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我设想了一种把电控和燃气发生器循环结合起来的循环方式

火箭发动机的燃气泵是发动机控制的关键,哪怕是最简单的的燃气发生器循环,仍然存在自耦合控制的问题。
         本方案采用一个小电动泵来控制进入涡轮泵燃烧室的燃料,来达到简化、优化系统控制的目的。
         一个小的电动泵驱动少量的燃料和氧化剂进入涡轮泵的燃烧室,然后由燃气驱动主涡轮泵并带动燃料泵和氧气泵。由此,可以达到发动机系统解耦的目的,为快速推力控制、复用等提供良好的基础。并提高了多次启动的可靠性
         该方案要求适合复用火箭的第一级,也适合需要高可靠性和多次点火的上面级。因为燃气泵的启动采用电机启动,避免了很多启动困难的问题。
         方案的电力可以来自于一次性锂电池,因为只需要驱动少量进入涡轮泵燃烧室的燃料,对电力的需要比纯电力火箭少很多。
         对于多发的重型火箭第一级,甚至可以考虑安排一台发电机。
主要优点:
1、 发动机涡轮泵系统解耦,  电动泵---燃气燃烧室---燃气泵(推动同轴的 燃料泵和氧化泵),方便发动机设计和控制
2、该方式可以比较容易实现大范围的调节推力。因为推力在根本上可以由电动泵控制,电力控制总是容易的多。
3、可以方便的实现多次启动。电泵的多次启动是很可靠的,电泵启动了,后续的系统也相对容易启动。
4、提高了发动机可靠性(当然引入了电力系统也引入了故障环节,总体可靠性还需要分析)
5、可以方便的实现发动机关机。
6、有利于复用,包括需要多次点火的 VTVL 的复用方式
7、有利于向全电火箭(想一想全电汽车、全电飞机)发展
主要缺点
1、引入了电力系统,需要带一些电池、电机,增加重量
2、电控系统的开发和传统开发不同,需要试错


再解释一下,传统的燃气循环发动机有两个燃烧室
1、 燃气发生器燃烧室, 这个燃烧室产生的燃气用于推动主泵,然后作为废气排出
2、主泵驱动的燃料和氧化剂,进入主燃烧室,产生推力。

其中  燃气发生器燃烧室  需要的燃料数量和燃烧室压力 比 主燃烧室 小很多,也许只是总流量的二十分之一,燃烧室压力也低很多。
然后,用一个电动泵来驱动进入 “ 燃气发生器燃烧室”的燃料和氧化剂, 需要的功率是很低的。 具体功率是多少,希望大神能算一下。
就像是电子控制,用一个小的电流,控制一个大的电流。
这个循环方式也是这一个的,一个电泵控制一个很小的流量,来控制主泵的大的流量。

电控燃气发生器循环

电控燃气发生器循环

补充计算,F-1发动机的泵功率为46MW,产生了700吨的推力。
这46MW的功率要从燃气发发生器来,我们计算一下多少燃料能能产生这样功率
RP1火箭煤油质量能量密度43.34MJ/Kg,
那么如果燃气泵的效率为40%,产生 46MW 的驱动功率需要   每秒  XX 公斤的煤油 和 XX 公斤 的液氧。
驱动 XX 公斤的煤油 和 XX 公斤 的液氧,到  ?MP的压力,进入燃气发生器燃烧室,需要的功率是  XXkw。
    有木有大佬能帮忙算一下吗?

参考数据,新西兰电子号火箭有9台发动机,每台通过一个37KW的电子泵直接驱动


ceres 发表于 2019-2-21 17:58 | 显示全部楼层
我看错。。编辑掉。似乎可行。
oaki911 发表于 2019-2-22 07:53 | 显示全部楼层
似乎可行,显著简化系统、利于快速复用
cooldiy_cn 发表于 2019-2-22 08:14 | 显示全部楼层
有个问题就是 实际上高压补燃循环的发动机 全部燃料或者氧化剂都送入燃气发生器 而且燃气发生器压力显著高于主燃烧室 这样其实节约不了多少电力的 不过用于燃气发生器循环倒是可能很有效
 楼主| hansens 发表于 2019-2-22 09:22 | 显示全部楼层
cooldiy_cn 发表于 2019-2-22 08:14
有个问题就是 实际上高压补燃循环的发动机 全部燃料或者氧化剂都送入燃气发生器 而且燃气发生器压力显著高 ...

配合燃气发生器循环的液氧甲烷发动机,用于复用第一级。可能是个不错的选择。
通过控制小电泵,可以方便的实现快速多次启动,大比例的流量调节等功能。对于多发并列的复用第一级,会很有帮助。
ceres 发表于 2019-2-22 09:30 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hansens 发表于 2019-2-22 09:22
配合燃气发生器循环的液氧甲烷发动机,用于复用第一级。可能是个不错的选择。
通过控制小电泵,可以方便 ...

虽然可行,但并没简化多少东西只是少了涡轮吹动(还不是所有发动机都需要)
rottenweed 发表于 2019-2-22 09:49 | 显示全部楼层
原来JSTCVW09CD给的一个数字:
能源机械总师在最近的专访中表示:
RD-170的那个泵的额定功率是180MW。  
地面测试时候时发动机的功率达到27GW。

就算是一个推力小些的发动机,涡轮泵的功率只怕也不是电动机能带动的,电源从哪儿来?
oaki911 发表于 2019-2-22 09:56 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hansens 发表于 2019-2-22 09:22
配合燃气发生器循环的液氧甲烷发动机,用于复用第一级。可能是个不错的选择。
通过控制小电泵,可以方便 ...

也可用于开式膨胀循环发动机,或者闭式膨胀循环发动机,用于提高推力,比如50吨级闭式高空版和200-300吨级开式地面版
1717jy 发表于 2019-2-22 09:56 | 显示全部楼层
决定发动机推力的终究是要看给涡轮做功的燃气量,这种构思只能用在小推力的燃气发生器循环发动机上。而且比起电机系统的质量劣势,增加的可靠性微乎其微,毕竟燃气发生器循环本身就是很简单而可靠的循环方式。
 楼主| hansens 发表于 2019-2-22 10:01 | 显示全部楼层
1717jy 发表于 2019-2-22 09:56
决定发动机推力的终究是要看给涡轮做功的燃气量,这种构思只能用在小推力的燃气发生器循环发动机上。而且比 ...

你没看懂,这个电动机并不是直接推动主泵,只是 驱动“ 燃气发生器”的燃料,并不需要多少流量和功率
 楼主| hansens 发表于 2019-2-22 10:03 | 显示全部楼层
rottenweed 发表于 2019-2-22 09:49
就算是一个推力小些的发动机,涡轮泵的功率只怕也不是电动机能带动的,电源从哪儿来?

你没看懂,这个电动机并不是直接推动主泵,只是 驱动“ 燃气发生器”的燃料,并不需要多少流量和功率。
这个方式只适合燃气发生器循环,不适合补燃循环
1717jy 发表于 2019-2-22 10:08 | 显示全部楼层
hansens 发表于 2019-2-22 10:03
你没看懂,这个电动机并不是直接推动主泵,只是 驱动“ 燃气发生器”的燃料,并不需要多少流量和功率。
...

“ 一个小的电动泵驱动少量的燃料和氧化剂进入涡轮泵的燃烧室,然后由燃气驱动主涡轮泵并带动燃料泵和氧气泵。”
---我想我并没有理解错误。就算是燃气发生器循环,决定推力的仍然是做功的燃气量,这是能量守恒定律决定的。
 楼主| hansens 发表于 2019-2-22 10:09 | 显示全部楼层
oaki911 发表于 2019-2-22 09:56
也可用于开式膨胀循环发动机,或者闭式膨胀循环发动机,用于提高推力,比如50吨级闭式高空版和200-300吨 ...

您这一说,确实也是,膨胀循环 增加一个小电机,用于提高系统的可控性,提高推力。 看起来也是个不错的改进。
电机的目的并不主要驱动,目的是提高推力和控制能力
 楼主| hansens 发表于 2019-2-22 10:16 | 显示全部楼层
1717jy 发表于 2019-2-22 10:08
“ 一个小的电动泵驱动少量的燃料和氧化剂进入涡轮泵的燃烧室,然后由燃气驱动主涡轮泵并带动燃料泵和氧 ...

你再想一下,传统的燃气循环发动机有两个燃烧室
1、 燃气发生器燃烧室, 这个燃烧室产生的燃气用于推动主泵,然后作为废气排出
2、主泵驱动的燃料和氧化剂,进入主燃烧室,产生推力。

其中  燃气发生器燃烧室  需要的燃料数量和燃烧室压力 比 主燃烧室 小很多,也许只是总流量的二十分之一,燃烧室压力也低。
然后,用一个电动泵来驱动进入 “ 燃气发生器燃烧室”的燃料, 需要的功率是很低的。就像是电子控制,用一个小的电流,控制一个大的电流。
这个循环方式也是这一个的,一个电泵控制一个很小的流量,来控制主泵的大的流量。
1717jy 发表于 2019-2-22 10:29 | 显示全部楼层
燃气发生器燃烧室的压力确实不用比主燃烧室的大,但是也得考虑涡轮做功的效率问题,燃气发生器能够少用点推进剂对火箭整体的速度增量/质量是有益处的。
郭夫子 发表于 2019-2-22 10:32 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
hansens 发表于 2019-2-22 10:16
你再想一下,传统的燃气循环发动机有两个燃烧室
1、 燃气发生器燃烧室, 这个燃烧室产生的燃气用于推动 ...

不管是gg循环还是分级循环,燃气发生器的压力都比推力室压力大,而且主泵启动后就可以持续给燃气发生器提供燃料,不再需要电泵工作。
ceres 发表于 2019-2-22 10:38 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
郭夫子 发表于 2019-2-22 10:32
不管是gg循环还是分级循环,燃气发生器的压力都比推力室压力大,而且主泵启动后就可以持续给燃气发生器提 ...


没有任何原因要求GG循环GG压力更高

电泵要是只作为启动完全没必要,氦气吹下省事多了

郭夫子 发表于 2019-2-22 10:41 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
ceres 发表于 2019-2-22 10:38
没有任何原因要求GG循环GG压力更高

电泵要是只作为启动完全没必要,氦气吹下省事多了

gg压力低效率也低。
1717jy 发表于 2019-2-22 10:46 | 显示全部楼层
ceres 发表于 2019-2-22 10:38
没有任何原因要求GG循环GG压力更高

电泵要是只作为启动完全没必要,氦气吹下省事多了

GG压力高纯粹是因为泵出口到GG压降低,理论上确实没有硬性要求。
 楼主| hansens 发表于 2019-2-22 10:50 | 显示全部楼层
郭夫子 发表于 2019-2-22 10:32
不管是gg循环还是分级循环,燃气发生器的压力都比推力室压力大,而且主泵启动后就可以持续给燃气发生器提 ...

主泵启动后就可以持续给燃气发生器提供燃气,就会产生系统耦合,为推力调节,重复启动等增加困难。
这个设计的目的就是,燃气发生器的功率(也就是燃料)控制,完全由电泵控制,这样虽然增加了系统重量,但是主泵系统的设计简化,系统控制能力得到本质的提供
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