有没有考虑过用电涡轮泵驱动的火箭发动机

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/28 13:12:05
现在全世界的火箭发动机无一例外的都是结构极其复杂的管道系统,其中一个重要原因就是为了保证燃料输送到燃烧室中和燃料的预热和冷却燃烧室壁而增加了很多的管着、阀门、涡轮泵、各种传感器,泄压管道等,造成整个系统极其复杂而不可靠,特别是为了提高比冲而采取的分级燃烧的发动机更上危险异常,为了研究成功所做的投入和所得到的那点比冲实在是不成正比。我观察后发现,在这个发动机系统中每减少一个分系统就能够成数量级的降低复杂系数,我认为其中最有希望减少的分系统是预燃室,这个分系统的存在无非就是为了给发动机主燃室服务的各种燃料管理提供动力来源而设的,因为预燃室的存在,整个系统成为一种自我迭代的循环体系,会造成一个系统工作的波动引起全系统的放大的波动,最后造成全发动机的停机或爆炸的后果,所以全世界的火箭发动机的研发都是动则就是十几年几十年的搞,但是新技术新成果的出现提供了一个思路,那就是能否用全电动力来提供火箭发动机工作时所需要的辅助动力系统来源呢?采用全电动力有很多的好处,首先这个系统和发动机的系统是分离的,相互不影响,不会出现正激反馈或负激反馈,这样就大大提高了发动机的可靠性;其次,有了外来动力就省去了预燃室这个发动机分系统的重量,且减少了燃料损耗,还可以把所有燃料都用来提供给火箭作为飞行的动力,对总冲的提高应该是革命性的;其三,电动力燃料输送和管理可以简化发动机结构,并减少对某些同时工作在极低温到极高温状态的材料的苛刻要求,很多过份的机械加工要求和极端的密封性要求都可以省去。当然,现在采全电动力还存在重大的困难,比如提供电力的高能电池可能太重,电驱泵所用高效电机可能也是个重家伙,这些新增的重量可能已经抵消或超过了前述所减轻的重量,最后得不尝失也是可能的,但我们不能因为目前做不到就不去研究它,发展它,这种新的方式有可能在未来出现超级电池后得到质的解决,到那时,我们再想到用它可能就落后了,只要现在人类能造出来重量够轻,能量储存够大的电池就要尽量试验性地用上去,既可以进行技术储备又可以为超级电池的研究提供经费,一举两得,何乐而不为呢!
据最新的技术前沿报导,已经有科研人员在研究一种碳纳米管电池,据说如果成功,就可以把现有的电池单位重量电容量提高百倍以上,这种电池的能量应该能足够火箭发动机燃料管理(主燃室喷射和燃烧室冷却兼燃料预热)使用了吧!现在全世界的火箭发动机无一例外的都是结构极其复杂的管道系统,其中一个重要原因就是为了保证燃料输送到燃烧室中和燃料的预热和冷却燃烧室壁而增加了很多的管着、阀门、涡轮泵、各种传感器,泄压管道等,造成整个系统极其复杂而不可靠,特别是为了提高比冲而采取的分级燃烧的发动机更上危险异常,为了研究成功所做的投入和所得到的那点比冲实在是不成正比。我观察后发现,在这个发动机系统中每减少一个分系统就能够成数量级的降低复杂系数,我认为其中最有希望减少的分系统是预燃室,这个分系统的存在无非就是为了给发动机主燃室服务的各种燃料管理提供动力来源而设的,因为预燃室的存在,整个系统成为一种自我迭代的循环体系,会造成一个系统工作的波动引起全系统的放大的波动,最后造成全发动机的停机或爆炸的后果,所以全世界的火箭发动机的研发都是动则就是十几年几十年的搞,但是新技术新成果的出现提供了一个思路,那就是能否用全电动力来提供火箭发动机工作时所需要的辅助动力系统来源呢?采用全电动力有很多的好处,首先这个系统和发动机的系统是分离的,相互不影响,不会出现正激反馈或负激反馈,这样就大大提高了发动机的可靠性;其次,有了外来动力就省去了预燃室这个发动机分系统的重量,且减少了燃料损耗,还可以把所有燃料都用来提供给火箭作为飞行的动力,对总冲的提高应该是革命性的;其三,电动力燃料输送和管理可以简化发动机结构,并减少对某些同时工作在极低温到极高温状态的材料的苛刻要求,很多过份的机械加工要求和极端的密封性要求都可以省去。当然,现在采全电动力还存在重大的困难,比如提供电力的高能电池可能太重,电驱泵所用高效电机可能也是个重家伙,这些新增的重量可能已经抵消或超过了前述所减轻的重量,最后得不尝失也是可能的,但我们不能因为目前做不到就不去研究它,发展它,这种新的方式有可能在未来出现超级电池后得到质的解决,到那时,我们再想到用它可能就落后了,只要现在人类能造出来重量够轻,能量储存够大的电池就要尽量试验性地用上去,既可以进行技术储备又可以为超级电池的研究提供经费,一举两得,何乐而不为呢!
据最新的技术前沿报导,已经有科研人员在研究一种碳纳米管电池,据说如果成功,就可以把现有的电池单位重量电容量提高百倍以上,这种电池的能量应该能足够火箭发动机燃料管理(主燃室喷射和燃烧室冷却兼燃料预热)使用了吧!
首先电源如何解决?
其次分级燃烧循环氢氧机以RS25为例,近10万马力的氢泵功率,哪来的如此大功率的电机?
最后电机如何克服氢脆问题?散热怎么解决?
说这个好那个好之前,请先问一下自己,有什么缺点没?


小的液体姿控发动机上面早就有用电动机来驱动燃料泵的了。

大的液体火箭发动机要求的燃料输送流量和压强都非常大,结果燃料泵功率要求超乎想象。比如RD-170的燃料泵,功率达到25万马力,用电动机作动力还无法实现。

小的液体姿控发动机上面早就有用电动机来驱动燃料泵的了。

大的液体火箭发动机要求的燃料输送流量和压强都非常大,结果燃料泵功率要求超乎想象。比如RD-170的燃料泵,功率达到25万马力,用电动机作动力还无法实现。
电从哪里来呢?
Bearcat 发表于 2014-2-4 16:55
小的液体姿控发动机上面早就有用电动机来驱动燃料泵的了。

大的液体火箭发动机要求的燃料输送流量和压强 ...
不要提RD170这怪胎,它的总功率和三峡的发电功率差不多大好不好……
实际上还是电源问题,如果泵系使用电机,也只能是电传动,预燃室还是无法避免……
LZ的要求是把尼米兹的动力压缩在数吨重的发动机里面。
严重超越人类当下的技术能力。
小推力上面级已经在用电动泵了吗?看来我了解到的火箭发动机的知识太少了,本人实际工作中只懂柴油机而已,以后请超大高手们多多介绍此类专业点的知识哈。因为本人所有的火箭发动机知识都是来自超大论坛,所以请高手们谅解点,如果有人愿意就火箭发动机的基本原理做些介绍,本人不胜感激哈。
本人有时在想,能不能用上火箭发动机中的燃料预热技术来给柴油机提高点性能,您还别笑我,我有时就是喜欢这种天马行空的想法,当然了,这需要对此进行一下计算,看预热柴油能提高多大的功率,为这点性能的提高是否值得去重新设计柴油机。
请楼主搜索超导液氢泵。
第一,用超导电机后,并不用太大重量就能实现功率需求的。
第二,发电就用磁流体发电然后从喷流中提取。

楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 17:10
不要提RD170这怪胎,它的总功率和三峡的发电功率差不多大好不好……
实际上还是电源问题,如果泵系使用 ...


RD170的运行时间又没有以年计算。。。。
而且燃料泵的驱动电机,其实是没有太高的效率要求的。效率低一点根本无所谓。
首先发热的热量不会聚集,因为旁边就近就有一大堆低温冷却剂。
其次这个发热不会被浪费,因为燃料吸热后,是进入燃烧室燃烧。热量没损失掉。
楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 17:10
不要提RD170这怪胎,它的总功率和三峡的发电功率差不多大好不好……
实际上还是电源问题,如果泵系使用 ...


RD170的运行时间又没有以年计算。。。。
而且燃料泵的驱动电机,其实是没有太高的效率要求的。效率低一点根本无所谓。
首先发热的热量不会聚集,因为旁边就近就有一大堆低温冷却剂。
其次这个发热不会被浪费,因为燃料吸热后,是进入燃烧室燃烧。热量没损失掉。
xtal 发表于 2014-2-4 19:18
请楼主搜索超导液氢泵。
第一,用超导电机后,并不用太大重量就能实现功率需求的。
第二,发电就用磁流体 ...
看过了,确实有这方面的研究,看来我自个儿想的东西早就有人在做了哈。


国家应该在这类前沿性的研究课题中投资,不要老是跟在西方国家的屁股后面,要走自己的路!

国家应该在这类前沿性的研究课题中投资,不要老是跟在西方国家的屁股后面,要走自己的路!
xtal 发表于 2014-2-4 19:20
RD170的运行时间又没有以年计算。。。。
而且燃料泵的驱动电机,其实是没有太高的效率要求的。效率低 ...
低温泵系实际上是靠预燃室与燃料的热交换来实现温度稳定,与航空发动机相近,采用空心叶片之类的技术就能解决预燃室散热与叶片低温脆化问题。
而楼主这个实际上唯一可行的是让预燃室驱动涡轮发电,然后电传动,接近RD0120的单预燃室方案。也就是电传动而不是电驱动。
这样的话,预燃室温度必须要通过两个电机才能解决热交换问题。要解决预燃室与涡轮的散热,两个电机如何设计?
xtal 发表于 2014-2-4 19:20
RD170的运行时间又没有以年计算。。。。
而且燃料泵的驱动电机,其实是没有太高的效率要求的。效率低 ...
直接将核热火箭发动机充当预燃室都比楼主这个靠谱。记住是10万马力,一艘阿利伯克30节航速时的功率……将45型驱逐舰的电传动系统3台并联搬上火箭发动机,在解决散热与氢脆问题……
把燃气涡轮泵换成电机泵
这不是增加了系统复杂性吗?
楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 19:39
低温泵系实际上是靠预燃室与燃料的热交换来实现温度稳定,与航空发动机相近,采用空心叶片之类的技术就能 ...
不是预燃室驱动发电机 是磁流体发电。
当然了,一般来说超导燃料泵通常都是玩液氢液氧发动机。
液氧煤油发动机还没人想过用超导泵

楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 19:45
直接将核热火箭发动机充当预燃室都比楼主这个靠谱。记住是10万马力,一艘阿利伯克30节航速时的功率……将 ...


我说了,短时间工作的超导电机,而且是不怎么在乎效率的超高转速超导电机。设计上和军舰上常导,低转速,长寿命高效率电传动完全两回事。
楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 19:45
直接将核热火箭发动机充当预燃室都比楼主这个靠谱。记住是10万马力,一艘阿利伯克30节航速时的功率……将 ...


我说了,短时间工作的超导电机,而且是不怎么在乎效率的超高转速超导电机。设计上和军舰上常导,低转速,长寿命高效率电传动完全两回事。
yzwancd 发表于 2014-2-4 19:37
看过了,确实有这方面的研究,看来我自个儿想的东西早就有人在做了哈。
超导液氢燃料泵的最大优势是超高可靠性
第一,整个燃料泵涡轮转子+电机转子在内,长度只有传统的燃气涡轮+燃料泵涡轮一半还不到。
对高速回转的机械来说,长度短=稳定性王道。
第二,不存在高温燃气泄露到燃料泵的可能性。
结合上面两点,只要超导励磁和电机转子还有电刷(无换向,几乎是稳定的纯直流)可靠性靠得住(我查阅过资料,确实可靠性问题不大)。整机的可靠性会超过燃气发生器循环。
而他的比冲效率却是和分级燃烧差不多。。。。



举个例子,坦克的电传动中,要在柴油机和发电机之间增加固定转速比的机械齿轮传动,用于提高转速。
因为发电机转速提高后会大幅度减少体积重量,明显改善效率。
为此,增加一个机械齿轮传动都是值得的。
由此可见,电机转速提高对功率密度和效率是非常有效的。
液氢泵的转速是40000转/分钟。舰船螺旋桨的转速400转/分钟都未必有。。。

举个例子,坦克的电传动中,要在柴油机和发电机之间增加固定转速比的机械齿轮传动,用于提高转速。
因为发电机转速提高后会大幅度减少体积重量,明显改善效率。
为此,增加一个机械齿轮传动都是值得的。
由此可见,电机转速提高对功率密度和效率是非常有效的。
液氢泵的转速是40000转/分钟。舰船螺旋桨的转速400转/分钟都未必有。。。

xtal 发表于 2014-2-4 19:57
超导液氢燃料泵的最大优势是超高可靠性
第一,整个燃料泵涡轮转子+电机转子在内,长度只有传统的燃气涡 ...


预燃室燃气驱动涡轮发电,涡轮轴驱动发电机,本身就有热传导。
另外电机功率在材料性能一定的情况下与体积正相关,与工作时间无关。
最后注意一点,采用齿轮传动的涡轮泵也就RL10。而RD0120涡轮同轴驱动氢泵和氧泵,比冲比RS25还高。虽然高转速会损失氧泵功率,但是液氧流量本来就低于液氢流量,因此性能几乎没有损失……
xtal 发表于 2014-2-4 19:57
超导液氢燃料泵的最大优势是超高可靠性
第一,整个燃料泵涡轮转子+电机转子在内,长度只有传统的燃气涡 ...


预燃室燃气驱动涡轮发电,涡轮轴驱动发电机,本身就有热传导。
另外电机功率在材料性能一定的情况下与体积正相关,与工作时间无关。
最后注意一点,采用齿轮传动的涡轮泵也就RL10。而RD0120涡轮同轴驱动氢泵和氧泵,比冲比RS25还高。虽然高转速会损失氧泵功率,但是液氧流量本来就低于液氢流量,因此性能几乎没有损失……
楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 20:05
预燃室燃气驱动涡轮发电,涡轮轴驱动发电机,本身就有热传导。
另外电机功率与体积正相关,与工作时间无 ...
喂喂喂,我说了不是第一遍了吧,磁流体发电啊。要什么预燃室啊。。。
楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 20:05
预燃室燃气驱动涡轮发电,涡轮轴驱动发电机,本身就有热传导。
另外电机功率与体积正相关,与工作时间无 ...
电动机的极限功率还和散热能力正相关。这点我是从电机拖动的教科书上翻到的。
低温火箭发动机旁边的大流量液氢液氧都是散热的好东西


我贴个论文,有兴趣的人自己去看吧。
当然,这个论文里面学究气太重。有很多明显的错误。但是大致思路问题不大
hjsx.zip(277.07 KB, 下载次数: 8)

我贴个论文,有兴趣的人自己去看吧。
当然,这个论文里面学究气太重。有很多明显的错误。但是大致思路问题不大
hjsx.zip(277.07 KB, 下载次数: 8)2014-2-4 20:12 上传点击文件名下载附件
下载积分: 金钱 -2 元
xtal 发表于 2014-2-4 20:06
喂喂喂,我说了不是第一遍了吧,磁流体发电啊。要什么预燃室啊。。。
磁流体发电的巨量等离子体哪里来?磁流体发电本来就是高温等离子体,温度超过2000摄氏度然后加电电离,而且可靠性问题至今没解决……
另外液氢不仅带来散热,还带来低温氢脆问题。没有预燃室提供温度,低温泵叶片及其脆弱。

楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 20:16
磁流体发电的巨量等离子体哪里来?磁流体发电本来就是高温等离子体,温度超过2000摄氏度然后加电电离,而 ...


第一,看完文献再说。而且这个工业发电系统的可靠性和火箭发动机的可靠性要求差了很多个数量级
火箭发动机能稳定运行几个小时,就被认为是很可靠了。
工业发电系统。你稳定运行一个月都不能给人看了。。。。
第二,你说的是燃料泵中浸泡在液氢中的涡轮叶片还是燃气涡轮中的叶片
如果是说燃气涡轮。。。那个论文中的体系中 不存在燃气涡轮。
楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 20:16
磁流体发电的巨量等离子体哪里来?磁流体发电本来就是高温等离子体,温度超过2000摄氏度然后加电电离,而 ...


第一,看完文献再说。而且这个工业发电系统的可靠性和火箭发动机的可靠性要求差了很多个数量级
火箭发动机能稳定运行几个小时,就被认为是很可靠了。
工业发电系统。你稳定运行一个月都不能给人看了。。。。
第二,你说的是燃料泵中浸泡在液氢中的涡轮叶片还是燃气涡轮中的叶片
如果是说燃气涡轮。。。那个论文中的体系中 不存在燃气涡轮。
xtal 发表于 2014-2-4 20:20
第一,看完文献再说。而且这个工业发电系统的可靠性和火箭发动机的可靠性要求差了很多个数量级
火箭发 ...
我说的是燃料泵叶片,不是涡轮叶片
其次,那篇论文是以磁场强度来估算电机重量的,本身就极不科学。同时又高估了磁流体发电的实际效率(实际仅不足20%)
最后那篇论文是以火神为模板,但是一个问题是火神本身燃烧室压力就低,燃料泵公里也低
楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 20:26
我说的是燃料泵叶片,不是涡轮叶片
其次,那篇论文是以磁场强度来估算电机重量的,本身就极不科学。同时 ...

如果你说的是燃料泵里面浸泡在液氢里面的叶片。
那么那个作者的学究气改动以后 正好解决这个毛病。超导励磁+常导电转子。
常导会大量发热。正好烤热了叶片。

第二,那个发电效率的问题。你显然论文没看完。我要20%效率干什么。。。能确保0.4%效率足矣。。
电动机的功率我算过,如果是10T的磁场强度(用几KG重量的液氦超导体很容易做到这点)。那么10000A的电流 1000V电压,35000转/分钟的电机;确实只需要法拉第电机就能搞定。那个电机除去超导磁铁的话,就一个40厘米直径铜盘而已。有大量的液氢来冷却的话,铜盘有个几厘米厚度也就够了

楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 17:10
不要提RD170这怪胎,它的总功率和三峡的发电功率差不多大好不好……
实际上还是电源问题,如果泵系使用 ...


和三峡的发电功率?你确定?三峡单台电机可是70万千瓦。
楠宫萧vn 发表于 2014-2-4 17:10
不要提RD170这怪胎,它的总功率和三峡的发电功率差不多大好不好……
实际上还是电源问题,如果泵系使用 ...


和三峡的发电功率?你确定?三峡单台电机可是70万千瓦。
请楼主搜索超导液氢泵。
第一,用超导电机后,并不用太大重量就能实现功率需求的。
第二,发电就用磁流体 ...
磁流体发电就是忽悠人的,八十年代我上初中时候就在吹。结果我现在大学教了十几年书了,还没见实用化,效率低问题多
bothofus 发表于 2014-2-5 07:49
磁流体发电就是忽悠人的,八十年代我上初中时候就在吹。结果我现在大学教了十几年书了,还没见实用化,效 ...
自己看清楚论文再来说什么效率不够的话。不要张嘴就来。
纸飞机 发表于 2014-2-4 17:10
电从哪里来呢?
用单三电池,实在不行就用一号电池总该够了吧。
好高深的样子,彻底小白了
用电来做燃料泵对于现在的火箭发动机是不可能的,需要功率太大,而电机和电源的增重抵消了带来的优势。
倒是用电机来做脉冲爆震火箭发动机的泵是没问题的,应为需要的压力很小,功率需求也很低,只要相位控制到位,就没问题。
playfish 发表于 2014-2-5 16:42
用电来做燃料泵对于现在的火箭发动机是不可能的,需要功率太大,而电机和电源的增重抵消了带来的优势。
倒 ...
你看完论文再说吧,超导励磁的电机并不大
xtal 发表于 2014-2-5 16:51
你看完论文再说吧,超导励磁的电机并不大
这种方式只适合低压发动机吧,高压发动机不怕燃烧室燃气逆行吗?
playfish 发表于 2014-2-5 17:20
这种方式只适合低压发动机吧,高压发动机不怕燃烧室燃气逆行吗?
这个要看超导磁铁能做到啥磁场强度了。对付火神这种低压还是没问题的。
即使是火神那样的低压,换成超导燃料泵以后;因为是改成了闭式循环,比冲也能上升不少。
而且整机可靠性还提高了。