本发明涉及发动机燃料供应技术领域，特别涉及一种适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统。
背景技术：
在高超声速飞行器推进剂选取中，氢气作为推进剂具有高比冲但供应控制难度大，其供应系统是高超声速飞行器成败的关键。
作为高超声速飞行器发动机的关键系统之一，此供应系统应具备功能如下：一是按发动机所需的工作介质流量、压力需求，向其供应氢气；二是向涡轮机轴系冷却通道供应滑油，确保转子系统可靠稳定工作。
现有高超声速飞行器发动机使用常温或低温的液体燃料，因此现有常温或低温的液体燃料的供应系统不能适用于以高压氢气作为燃料的高超声速飞行器使用。
同时，目前市场上所采用的高压氢气供应系统多应用于工业制氢和氢能源汽车。由于工业制氢系统为地面大型设备，其规模和质量并不适用于高超声速飞行器。而氢能源汽车中氢气供应系统流量仅为几克每秒，高超声速飞行器所需氢气流量为千克量级，因此目前市场上所采用的高压氢气供应系统无法适用于高超声速飞行器发动机。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有高压氢气供应系统无法满足高超声速飞行器对高压氢气供应的需求，从而提出了一种适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统。
本发明的具体技术方案是：
提供了一种适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统，包括高压氢气瓶、主供应单元、动力系统供应单元以及润滑系统供应单元；
主供应单元输入端与高压氢气瓶连通，主供应单元输出端分别与动力系统供应单元和润滑系统供应单元连通；
主供应单元包括主管道，以及沿着氢气流向依次设置在主管路上的高压氢充放气阀、电爆阀、氮气充气阀以及氢气减压阀；
动力系统供应单元包括第一管道、氢气分流器以及至少两条分支管道；第一管道的输入端与主管道的输出端连通，第一管道的输出端与氢气分流器的输入端连通，氢气分流器具有多个输出端，并分别与至少两条分支管道连通；
其中，每条分支管道上均设置有氢气孔板，且有一条分支管道上设置氢气电磁阀，通过矩形脉冲信号控制氢气电磁阀高速开关，通过统计阀门开启关闭时间比例，实现氢气流量的调节；
润滑系统供应单元包括第二管道、滑油贮箱、滑油管道、滑油加注泄出阀、滑油电磁阀以及滑油孔板；
第二管道的输入端与主管道的输出端连通，第二管道的输出端与滑油贮箱的输入端连接，滑油贮箱的输出端与滑油管道连接；
滑油管道上沿着滑油流向依次设置滑油加注泄出阀、滑油电磁阀以及滑油孔板。
进一步地，上述高压氢充放气阀为四接口单向阀结构，包括与地面氢气加注设备连接的第一接口、与高压氢气瓶连接的第二接口、与远程控制端连接的第三接口、与氢气放气引气装置连接的第四接口；
通过第一、第二接口实现对高压氢气瓶进行充气，通过第三、第四接口实现高压氢气瓶远程放气。
进一步地，上述滑油贮箱内设置活塞，活塞将滑油贮箱隔离为一个氢气腔室和一个滑油腔室。工作时，氢气通过第二管道进入氢气腔室推动活塞，从而压迫滑油腔室内的滑油通过滑油管道注入至外部的滑油系统。
进一步地，上述氢气孔板为气体音速孔板。
进一步地，上述主管道上，且位于电爆阀、氮气充气阀之间设置有过滤器。
进一步地，高压氢气瓶贮存氢气压力≥70mpa；高压氢充放气阀充放气压力能力≥75mpa；氢气减压阀进口压力≤70mpa，出口压力为6±0.5mpa；氢气安全阀工作压力为7±0.3mpa；氢气电磁阀9正常工作压差≥6mpa，开关频率≥30hz；滑油贮箱工作压力≥6.5mpa；滑油电磁阀正常工作压差≥5mpa，响应时间≤30ms。
进一步地，若动力系统供应单元的氢气流量调节精度恒定，调节精度为10％至25％；
情况a：当所需氢气流量调节范围小于等于q时，选择在一条分支管道上安装氢气电磁阀，通过控制该氢气电磁阀开关的开闭时间比例，实现氢气流量的调节；其中q的取值范围是：30g/s至45g/s；
情况b：当所需氢气流量调节范围为大于q时，选择在n条分支管道上分别安装不同响应频率的氢气电磁阀，n≥2，通过分别控制n个氢气电磁阀开关的开闭时间比例，其中，响应频率小的电磁阀负责粗调流量，响应频率大的电磁阀对粗调流量进行补充修正，利用不同响应频率的氢气电磁阀的耦合作用实现氢气流量的调节。
进一步地，上述情况b中氢气电磁阀数量确定应遵循以下原则：
n＝0.0013*q2-0.0333*q 0.8，且n向上取整；
氢气电磁阀的规格的选取应遵循以下原则；每一路氢气电磁阀的流量满足按照比值为2的等比数列，每一路氢气电磁阀的响应频率由各自流经的气体体积流量确定。
本发明具有以下优点：
1.本发明的供应系统实现了对高超声速飞行器供应氢气作为燃料，同时利用高压氢气作为动力挤压滑油供应发动机，较传统供应系统方案减少一套高压气体挤压系统，提高系统紧凑度和可靠度。
2.本发明的系统通过至少两条分支管道，以及设置在分支管道上的多路孔板和氢气电磁阀实现了对外部动力系统供应氢气流量的稳定控制，并实现流量调节的目的，具有作动单元数量少、作动方式简单可靠、调节控制规律简单的特点，降低供应系统实现难度，提高供应系统安全性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
附图标记如下：
1-高压氢气瓶、2-主供应单元、3-动力系统供应单元、4-润滑系统供应单元、5-主管道、6-高压氢充放气阀、7-电爆阀、8-过滤器、9-氮气充气阀、10-氢气减压阀、11-第一管道、12-氢气分流器、13-分支管道、14-氢气孔板、15-氢气电磁阀、16-第二管道、17-滑油贮箱、18-滑油管道、19-滑油加注泄出阀、20-滑油电磁阀、21-滑油孔板、22-活塞、23-氢气腔室、24-滑油腔室。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在高超声速飞行器推进剂选取中，氢气作为推进剂具有高比冲但供应控制难度大，其供应系统是高超声速飞行器成败的关键。现有高超声速飞行器发动机供应系统适应于常温或低温液体燃料，不能适用于以高压氢气作为燃料的高超声速飞行器。本发明正是在这种需求下展开了研究与创新，提出一种适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统。
实施例1
如图1所示，该供应系统包括高压氢气瓶1、主供应单元2、动力系统供应单元3以及润滑系统供应单元4；高压氢气在为超临界状态，现所用氢气压力和温度均超过氢临界压力1.297mpa和临界温度33.3k，所以处于超临界状态，超临界状态的氢粘度、密度等物性参数处于气态和液态之间。
主供应单元2输入端与高压氢气瓶1连通，主供应单元2输出端分别与动力系统供应单元3和润滑系统供应单元4连通；
主供应单元2包括主管道5，以及沿着氢气流向依次设置在主管道5上的高压氢充放气阀6、电爆阀7、过滤器8、氮气充气阀9以及氢气减压阀10；
主供应单元2中的各个零件的作用如下：
高压氢充放气阀6用于控制向高压氢气瓶1内充入高压氢气，还用于对高压氢气瓶1进行放气；
电爆阀7用于封闭高压氢气瓶中的高压氢气，打开时间≯200ms
过滤器8用于对管道内的杂质进行过滤；
氮气充气阀9用于在高压氢气瓶1加注氢气前对各个氢气管道(主管道5、第一管道11、第二管道16以及多条分支管道13)抽真空后充填氮气对系统进行保护；
氢气减压阀10用于减少氢气的压力，使得减压阀出口处的氢气压力稳定，从而达到下游氢孔板控制氢流量的作用，并提供滑油贮箱恒定的挤压气源压力，令滑油流量稳定。
动力系统供应单元3包括第一管道11、氢气分流器12以及至少两条分支管道13；第一管道11的输入端与主管道5的输出端连通，第一管道11的输出端与氢气分流器12的输入端连通，氢气分流器12具有至少两个输出端，并分别与至少两条分支管道13连通；
每条分支管道13上均设置有氢气孔板14，由于本实施例中所需氢气流量调节范围小于等于35g/s，且调节精度为20％，因此本实施例中仅有一条分支管道上设置氢气电磁阀15，其中，设置有氢气电磁阀15的分支管道可以通过矩形脉冲信号控制氢气电磁阀高速开关，通过统计阀门开启关闭时间比例，实现该分支管道中氢气流量的调节，其余未设置氢气电磁阀15的分支管道13可灵活选取合适的氢气孔板使该分支管道13向动力系统提供恒定的氢气流量。
润滑系统供应单元4包括第二管道16、滑油贮箱17、滑油管道18、滑油加注泄出阀19、滑油电磁阀20以及滑油孔板21；
第二管道16的输入端与主管道5的输出端连通，第二管道16的输出端与滑油贮箱17的输入端连接，滑油贮箱17的输出端与滑油管道18连接；滑油管道上18沿着滑油流向依次设置滑油加注泄出阀19、滑油电磁阀20以及滑油孔板21；
其中，滑油贮箱17内设置活塞，活塞22将滑油贮箱17隔离为一个氢气腔室23和一个滑油腔室24。工作时，氢气通过第二管道16进入氢气腔室23推动活塞，从而压迫滑油腔室24内的滑油通过滑油管道18注入至外部的滑油系统。
滑油加注泄出阀19用于向滑油贮箱17内注入或者释放滑油。
滑油电磁阀20用于控制滑油管道的开启或关闭。
滑油孔板21用于控制滑油管道18内滑油的流量。
基于上述对供应系统的结构描述，现对该供应的系统的工作过程进行介绍：
1、首先，通过氮气充气阀用于在高压氢气瓶加注氢气前对各个氢气管道(主管道、第一管道、第二管道以及多个分支管道)抽真空后充填氮气对系统进行保护；
2、高压氢气瓶通过高压氢充放气阀进行氢气加注；
3、电爆阀通电打开，高压氢气开始流向主管道经电爆阀后再经氢气过滤器、氢气减压阀后在主管道的输出端氢气分为2路：
1路氢气通过第一管道再经氢气分流器分给两个分支管道，其中一个分支管道的氢气流经氢气电磁阀、氢气孔板后进入外部动力系统，其余分支管道的氢气经氢气孔板2后进入外部动力系统；
需要说明是：设置有氢气电磁阀的分支管道中氢气流量可实时调节，具体调节的过程为：氢气路每条分支管道上均设置有氢气孔板，且有一条分支管道上设置氢气电磁阀，增大氢气流量可通过增加控制阀门的矩形脉冲信号中矩形出现时间来实现，减小氢气流量可通过增加控制阀门的矩形电脉冲信号中零位出现时间来实现，其原理为当控制阀门信号为矩形时阀门处于打开状态，控制阀门信号为零位信号时，阀门处于关闭状态，通过调节矩形和零位出现时间比例，对单位氢气流量积分可得不同氢气流量，实现氢气流量的精确控制。
1路氢气通过第二管道作为高压气体挤压滑油贮箱的氢气腔室然后推动活塞使的滑油腔室内的滑油通过滑油电磁阀、滑油孔板进入外部润滑系统。
实施例2
参考图1，本实施例的结构和工作原理基本与实施例1相同，不同之处在于：由于本实施例中所需氢气流量调节范围大于35g/s，且调节精度为20％，因此本实施例中，至少需要n(n≥2)条分支管道上设置不同响应频率的氢气电磁阀15，通过分别控制n个氢气电磁阀开关的开闭时间比例来进行调节，其中，响应频率小的电磁阀负责粗调流量，响应频率大的电磁阀对粗调流量进行补充修正，利用不同响应频率的氢气电磁阀的耦合作用实现氢气流量的调节。
此处需要强调的是：
氢气电磁阀数量确定应遵循以下原则：
n＝0.0013*q2-0.0333*q 0.8，且n向上取整；
氢气电磁阀的规格的选取应遵循以下原则；每一路氢气电磁阀的流量满足按照比值为2的等比数列，每一路氢气电磁阀的响应频率由各自流经的气体体积流量确定；例如：若n＝3，则3路电磁阀流量比例为1:2:4。
实施例3
本实施例的结构和工作原理基本与实施例1相同，不同之处在于：高压氢充放气阀2结构为四接口单向阀结构，包括与地面氢气加注设备连接的第一接口、与高压氢气瓶连接的第二接口、与远程控制端连接的第三接口、与氢气放气引气装置连接的第四接口；
使用时，开启第一、第二接口实现氢气的充气过程，通过第三、第四接口可实现氢气远程放气过程。
上述两个实施例中，各个零件的基本参数指标相同，具体参数指标为:
a、高压氢气瓶1贮存氢气压力不小于70mpa；
b、高压氢充放气阀2充放气压力能力不下于75mpa；
c、氢气减压阀6进口压力不大于70mpa，出口压力为6±0.5mpa；
d、氢气安全阀7工作压力为7±0.3mpa；
e、氢气电磁阀9正常工作压差不下于6mpa，开关频率不小于30hz；
f、滑油贮箱12工作压力不小于6.5mpa；
g、滑油电磁阀14正常工作压差不下于5mpa，响应时间不大于30ms；
简而言之，本发明公开的供应系统，解决氢气作为推进剂具有高比冲但供应控制难度大，现有高超声速飞行器发动机供应系统仅适应于常温或低温液体燃料，不能适用于以高压氢气作为燃料的高超声速飞行器的难点。
在实现对高超声速飞行器供应氢气的同时，利用高压氢气挤压滑油供应发动机，较传统供应系统方案减少一套高压气体挤压系统，提高系统紧凑度和可靠度，满足高超声速飞行器对高压氢气滑油联合供应系统的需求。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
1.一种适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统，其特征在于：
包括高压氢气瓶、主供应单元、动力系统供应单元以及润滑系统供应单元；
主供应单元输入端与高压氢气瓶连通，主供应单元输出端分别与动力系统供应单元和润滑系统供应单元连通；
主供应单元包括主管道，以及沿着氢气流向依次设置在主管路上的高压氢充放气阀、电爆阀、氮气充气阀以及氢气减压阀；
动力系统供应单元包括第一管道、氢气分流器以及两条分支管道；第一管道的输入端与主管道的输出端连通，第一管道的输出端与氢气分流器的输入端连通，氢气分流器具有多个输出端，并分别与至少两条分支管道连通；
其中，每条分支管道上均设置有氢气孔板，且至少有一条分支管道上设置氢气电磁阀；
润滑系统供应单元包括第二管道、滑油贮箱、滑油管道、滑油加注泄出阀、滑油电磁阀以及滑油孔板；
第二管道的输入端与主管道的输出端连通，第二管道的输出端与滑油贮箱的输入端连接，滑油贮箱的输出端与滑油管道连接；
滑油管道上沿着滑油流向依次设置滑油加注泄出阀、滑油电磁阀以及滑油孔板。
2.根据权利要求1所述的适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统，其特征在于：所述高压氢充放气阀为四接口单向阀结构，包括与地面氢气加注设备连接的第一接口、与高压氢气瓶连接的第二接口、与远程控制端连接的第三接口、与氢气放气引气装置连接的第四接口；
通过第一、第二接口实现对高压氢气瓶进行充气，通过第三、第四接口实现高压氢气瓶远程放气。
3.根据权利要求1所述的适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统，其特征在于：所述滑油贮箱内设置活塞，活塞将滑油贮箱隔离为一个氢气腔室和一个滑油腔室。
4.根据权利要求1或2或3所述的适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统，其特征在于：所述高压氢气瓶贮存氢气压力≥70mpa；高压氢充放气阀充放气压力能力≥75mpa；氢气减压阀进口压力≤70mpa，出口压力为6±0.5mpa；氢气安全阀工作压力为7±0.3mpa；氢气电磁阀正常工作压差≥6mpa，开关频率≥30hz；滑油贮箱工作压力≥6.5mpa；滑油电磁阀正常工作压差≥5mpa，响应时间≤30ms。
5.根据权利要求4所述的适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统，其特征在于：所述氢气孔板为气体音速孔板。
6.根据权利要求5所述的适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统，其特征在于：所述主管道上，且位于电爆阀、氮气充气阀之间设置有过滤器。
7.根据权利要求1所述的适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统，其特征在于：若动力系统供应单元的氢气流量调节精度恒定，调节精度为10％至25％；
情况a：当所需氢气流量调节范围小于等于q时，选择在一条分支管道上安装氢气电磁阀，通过控制该氢气电磁阀开关的开闭时间比例，实现氢气流量的调节；其中q的取值范围是：30g/s至45g/s；
情况b：当所需氢气流量调节范围为大于q时，选择在n条分支管道上分别安装不同响应频率的氢气电磁阀，n≥2，通过分别控制n个氢气电磁阀开关的开闭时间比例来进行调节；其中，响应频率小的电磁阀负责粗调流量，响应频率大的电磁阀对粗调流量进行补充修正，利用不同响应频率的氢气电磁阀的耦合作用实现氢气流量的调节。
8.根据权利要求7所述的适用于高超声速飞行器发动机的高压氢气供应系统，其特征在于：
所述情况b中氢气电磁阀数量确定应遵循以下原则：
n＝0.0013*q2-0.0333*q 0.8，且n向上取整；
氢气电磁阀的规格的选取应遵循以下原则；每一路氢气电磁阀的流量满足按照比值为2的等比数列，每一路氢气电磁阀的响应频率由各自流经的气体体积流量确定。
技术总结