1.本发明涉及航天推进技术领域内的冷气姿控发动机技术领域，具体涉及一种基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统。
背景技术：
2.姿控发动机是航天运载火箭的辅助动力装置，具有多次启动、长脉冲稳态工作和短脉冲瞬态工作等特点，通常需要安装姿控发动机提供滚转方向控制力矩。传统一次性使用火箭成本高昂，已逐渐无法适应商业航天大规模、低成本发射的需求，可重复使用成为了目前运载火箭发展的重点方向，这就要求可重复使用的姿控发动机无毒、安全可靠、易于维护和长期贮存，目前只有冷气发动机满足要求。因此对于火箭可重复使用和载荷入轨，需要姿控发动机采用冷气方案并且具有较高的性能，例如冷气发动机比冲性能亟待提高。
3.涡轮排气管换热器是利用涡轮对其经过的气体进行增压升温，经升温后的气体进入换热腔与需要热交换的结构进行换热。如果需要热交换的结构是冷气发动机的冷气管道，无疑可以提高冷气发动机推进剂温度，进而提高冷气发动机比冲。
技术实现要素：
4.本发明针对目前火箭可重复使用和载荷入轨，需要姿控发动机采用冷气方案，解决冷气发动机比冲性能亟待提高的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，包括设有冷气管道的冷气姿控发动机和涡轮排气管换热器，所述涡轮排气管换热器加温所述冷气姿控发动机的冷气管道中的冷气从喷管排出产生推力。
6.进一步地，所述涡轮排气管换热器顺着气流依次包括涡轮进气管道、增压加热涡轮(涡轮轴和涡轮盘)、换热腔以及涡轮排气管(为拉瓦尔喷管，其喷管出口即热气出口)，依次构成一整体结构，所述冷气管道穿过换热腔，所述冷气通过穿过换热腔的冷气管道被加温。
7.具体地，所述冷气姿控发动机还包括顺着气流方向在冷气管道上设置的充放气手阀、多个冷气气瓶并联构成的冷气气瓶组、主路电磁阀、减压阀、多个分支路电磁阀和相对应的多组喷管。
8.具体地，所述多个分支路电磁阀为两个，相对应的分支路为两路。
9.优选地，所述冷气气瓶组包括有并联的四个气瓶。
10.优选地，所述冷气气瓶组、主路电磁阀之间的冷气管道上还设置有过滤器。
11.优选地，所述被加温的冷气管道为分支路上的冷气管道。
12.本发明提出的基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，具有如下有益效果：
13.(1)该系统满足可重复使用运载火箭的无毒、易于维护和贮存、多次使用的要求；
14.(2)对高压冷气加温，可提高喷管比冲，使姿控发动机具有较高的比冲性能，可适
用于大冲量、大推力姿态控制；
15.(3)利用燃气发生器中产生的工质对高压冷气进行加温，无需额外增加加温设备，节省空间，减少系统总质量。
附图说明
16.图1为本发明基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统结构示意图。
17.其中：1-涡轮排气管换热器，11-涡轮进气管道，12-增压加热涡轮，121-涡轮轴，122-涡轮盘，13-换热腔，14-涡轮排气管，2-冷气姿控发动机，21-冷气管道，211-蛇形管道，22-充放气手阀，23-冷气气瓶，24-主路电磁阀，25-减压阀，26-分支路电磁阀，27-冷气喷管，28-过滤器。
具体实施方式
18.下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
19.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.本发明提供了一种基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，包括设有冷气管道的冷气姿控发动机和涡轮排气管换热器，所述涡轮排气管换热器加温所述冷气姿控发动机的冷气管道中的冷气从喷管排出产生推力。
22.所述涡轮排气管换热器顺着气流依次包括涡轮进气管道、增压加热涡轮(包括涡轮轴和涡轮盘)、换热腔以及涡轮排气管(为拉瓦尔喷管，其喷管出口即热气出口)，依次构成一整体结构，所述冷气管道穿过换热腔，所述冷气通过穿过换热腔的冷气管道中的冷气被加温，所述换热腔为中空的圆形管状腔，所述被加温的冷气管道为分支路上的冷气管道。涡轮轴和涡轮盘设置在封闭的涡轮进气壳体内，所述涡轮进气管道、设置在封闭的涡轮进气壳体内的增压加热涡轮、换热腔以及涡轮排气管构成联通的气流空间。
23.其中涡轮进气管道进入的是火箭上燃气发生器反应生成的燃气。
24.换热腔为中空的圆形管状腔，换热腔内的燃气与需要热交换的冷气管道进行热换热，所述冷气管道中的冷气被加温。冷气经过排气管换热器，气体能量增加、冷气姿控发动机比冲提高。
25.涡轮排气管为拉瓦尔喷管，其出口即热气出口。
26.具体地，所述冷气姿控发动机还包括顺着气流方向在冷气管道上设置的充放气手阀、多个冷气气瓶并联构成的冷气气瓶组、主路电磁阀、减压阀、多个分支路电磁阀和相对应的多组喷管。设置了减压阀，保证喷管前压力稳定。由一个电磁阀控制两个喷管产生滚转方向姿控力矩(减少了电磁阀的数量、保证了发动机启动同步性)。
27.所述多个分支路电磁阀为两个，相对应的分支路为两路。
28.所述冷气气瓶组包括有并联的四个气瓶。并联气瓶组，相较于一个气瓶而言便于
安装、成本低。
29.所述冷气气瓶组、主路电磁阀之间的冷气管道上还设置有过滤器。在气瓶出口设置了过滤器，保证了减压阀、电磁阀的正常工作，否则杂质会导致阀门卡滞。
30.所述被加温的冷气管道为分支路上的冷气管道，如图1中所示的蛇形管道。
31.所述涡轮排气管换热器和所述冷气姿控发动机一体或分体设计加工成型。
32.分体设计加工成型是将系统的三部分：增压加热燃气端(包含涡轮进气管道、增压加热涡轮及涡轮进气壳体等部件)、换热器(包含换热腔、换热管路即冷气管道、涡轮排气管等)、冷气发动机，上述三部分分别进行加工然后通过法兰进行连接。
技术特征：
1.一种基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，其特征在于，包括设有冷气管道的冷气姿控发动机和涡轮排气管换热器，所述涡轮排气管换热器加温所述冷气姿控发动机的冷气管道中的冷气从喷管排出产生推力。2.根据权利要求1所述的基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，其特征在于，所述涡轮排气管换热器顺着气流依次包括涡轮进气管道、增压加热涡轮、换热腔以及涡轮排气管，依次构成一整体结构，所述冷气管道穿过换热腔，所述冷气通过穿过换热腔的冷气管道被加温。3.根据权利要求1所述的基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，其特征在于，所述冷气姿控发动机还包括顺着气流方向在冷气管道上设置的充放气手阀、多个冷气气瓶并联构成的冷气气瓶组、主路电磁阀、减压阀、多个分支路电磁阀和相对应的多组喷管。4.根据权利要求1所述的基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，其特征在于，所述多个分支路电磁阀为两个，相对应的分支路为两路。5.根据权利要求1所述的基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，其特征在于，所述冷气气瓶组包括有并联的四个气瓶。6.根据权利要求1所述的基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，其特征在于，所述冷气气瓶组、主路电磁阀之间的冷气管道上还设置有过滤器。7.根据权利要求2所述的基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统，其特征在于，所述被加温的冷气管道为分支路上的冷气管道。
技术总结
本发明涉及一种基于涡轮排气管换热器的高性能冷气姿控发动机系统。包括设有冷气管道的冷气姿控发动机和涡轮排气管换热器，所述涡轮排气管换热器加温所述冷气姿控发动机的冷气管道中的冷气从喷管排出产生推力。其有益效果为：该系统满足可重复使用运载火箭的无毒、易于维护和贮存、多次使用的要求；对高压冷气加温，可提高喷管比冲，使姿控发动机具有较高的比冲性能，可适用于大冲量、大推力姿态控制；利用燃气发生器中产生的工质对高压冷气进行加温，无需额外增加加温设备，节省空间，减少系统总质量。统总质量。统总质量。
技术研发人员：赵学光 罗庶 成勇 张翼 丁吉坤
受保护的技术使用者：航天科工火箭技术有限公司
技术研发日：2021.10.30
技术公布日：2022/1/18