PDF《低温推进剂液体火箭发动机超导电磁 泵压循环系统初步设想》

第27 卷第

5 期2006 年9月宇航学报Journal of Astronautics Vol.

27 No.

5 September

2006 低温推进剂液体火箭发动机超导电磁 泵压循环系统初步设想 郑力铭 , 孙冰(北京航空航天大学 宇航学院 , 北京 100083) 摘要:为解决大型液体火箭发动机现有循环系统性能和技术难度及成本之间的矛盾 ,本研究基于低温推进 剂液体火箭发动机工作环境特点 ,并结合磁流体发电机和直流超导电机的原理和工作特性 ,提出了一种不同于涡 轮泵循环的超导电磁泵压循环系统.文中阐述了系统中超导电磁泵和磁流体发电装置的基本结构与工作原理 ,分 析了系统的优缺点 ,并对超导电磁泵压循环系统进行了初步的可行性论证 ,最后对超导电磁泵压循环系统的应用 前景进行了分析和论述.结论认为 ,作为一种全新的火箭发动机循环系统 ,超导电磁泵压循环系统具有非常广阔 的发展及应用前景. 关键词 : 循环系统 ;

超导体 ;

磁流体发电 中图分类号 : V434 文献标识码 : A 文章编号 : 100021328(2006)

0520860205 收稿日期 :2006205215 ;

修回日期 :2006207220

0 引言 目前液体火箭发动机的循环系统主要分为开式 循环和闭式循环两种.开式循环系统技术难度小 , 发动机设计和制造成本低 ,但是推推进剂没有得到 充分利用 ,从而发动机的性能不高.闭式循环系统 推进剂可以得到充分利用 ,发动机的性能高 ,但技术 难度大 ,发动机设计和制造成本高.为了能解决这 个矛盾 ,本文中建立一种针对低温推进剂火箭发动 机的循环系统 ,该系统具有低难度、 高性能、 可靠性 高、 重复使用性强和多次起动性好等诸多优点. 低温推进剂火箭发动机主要是指液氢氧火箭发 动机 ,本文以液氢氧火箭发动机为对象进行研究. 液氢氧火箭发动机的系统是工作在液氢和液氧造成 的超低温的环境中 ,超低温的系统环境可以使超导 体技术得到应用.超导电磁泵压循环系统就是把在 超导技术基础上衍生出来的超导电机技术和磁流体 发电技术应用在火箭发动机的系统中 ,建立起来的 一种全新的循环系统.

1 超导电磁泵压循环系统原理 1.

1 循环系统 液氢氧火箭发动机中的高温高速燃气和低温系 统环境可使得两方面的技术得到应用 ,一个是磁流 体发电技术 ,另一个就是直流超导电机技术. 超导电磁泵压循环系统的原理如图

1 中所示. 发动机起动前 ,液氢和液氧填充管路 ,对超导线圈和 超导电磁泵进行冷却 ,使其超导材料进入超导状态. 然后启动电源向系统电路提供短时间的大电流 ,给 磁流体发电装置的励磁超导线圈和超导电磁泵供 图1循环系统原理简图 Fig.

1 Principle sketch of recycle system 电 ,超导电磁泵起旋 ,液氢和液氧被泵入发动机的冷 却通道 ,然后进入喷注器 ,喷入燃烧室燃烧.燃烧产 生的高温高压燃气流则又成为磁流体发电装置的工 质 ,燃气流通过磁流体发电装置产生电能.当磁流 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 体发电装置进入一定的工作状态之后 ,启动电源被 切断 ,超导电磁泵由磁流体发电装置供电 ,发动机进 入正常工作状态. 早在上个世纪六十年代 ,国外就出现了利用固 体火箭发动机驱动的磁流体发电装置 [1] ,因而磁流 体发电技术应用在液体火箭发动机中极具可行性. 而超导直流电动机工作过程中发热几乎为零 ,可以 工作在非常高的工作电流下.由超导电机和推进剂 泵结合形成的超导电磁泵则代替了涡轮泵. 1.