氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)研究

劉 鋒，申智帥，王 波，曹 偉，陳 劍

(1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112；2.上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112)

氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)研究

劉 鋒1，2，申智帥1，2，王 波1，2，曹 偉1，2，陳 劍1，2

(1.上海空間推進(jìn)研究所，上海201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112)

簡(jiǎn)要介紹了氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)方案及組成，開展了基于氣動(dòng)增壓原理的新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果和系統(tǒng)性能。結(jié)果表明，氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)同時(shí)具備多次起動(dòng)和高室壓的優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)得到了驗(yàn)證。

氣動(dòng)增壓器；液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；推進(jìn)系統(tǒng)；地面試車

0 引言

為了適應(yīng)空間推進(jìn)系統(tǒng)的輕質(zhì)、小體積、高比沖以及多次起動(dòng)的發(fā)展需求，開展了基于氣動(dòng)增壓原理的新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究。氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)為雙組元?dú)鈩?dòng)增壓式液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)，其基本工作原理是通過增壓氦氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)增壓器工作，將貯箱中的低壓推進(jìn)劑增壓，提供高壓推進(jìn)劑到軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)低貯箱壓力、高燃燒室壓力工作，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)空間推進(jìn)系統(tǒng)采用擠壓式系統(tǒng)和泵壓式系統(tǒng)的限制，同時(shí)具備擠壓式系統(tǒng)多次起動(dòng)和泵壓式系統(tǒng)高室壓的優(yōu)點(diǎn)[1]。

為了考核推進(jìn)系統(tǒng)以及氣動(dòng)增壓器的工作性能，驗(yàn)證系統(tǒng)組件工作匹配性、協(xié)調(diào)性以及系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算方法的正確性，進(jìn)行了4.5 kN氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研制與試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中氣動(dòng)增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)起動(dòng)11次，累計(jì)工作時(shí)間410 s。完成了氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)相關(guān)技術(shù)新的突破。

本文簡(jiǎn)要介紹了氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)的方案、組成，重點(diǎn)對(duì)氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)情況、系統(tǒng)性能以及關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證情況進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)方案和組成

氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)由增壓氦氣輸送、“低壓”推進(jìn)劑輸送、“高壓”推進(jìn)劑輸送及利用和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)等四大部分組成。其中，增壓氦氣輸送部分主要包括氧化劑貯箱增壓氦氣輸送、燃料貯箱增壓氦氣輸送和氣動(dòng)增壓器增壓氦氣輸送；“低壓”推進(jìn)劑輸送部分主要包括氧化劑貯箱、燃料貯箱和相關(guān)閥門；“高壓”推進(jìn)劑輸送及利用部分是氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分，主要包括氣動(dòng)增壓器、阻尼器、高室壓軌控發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)閥門；姿控發(fā)動(dòng)機(jī)部分主要包括低室壓姿控發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)閥門。增壓氦氣輸送部分、“低壓”推進(jìn)劑輸送部分和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)部分與常規(guī)擠壓式推進(jìn)系統(tǒng)類似，氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)核心部分——“高壓”推進(jìn)劑輸送及利用部分的工作原理簡(jiǎn)圖見圖1。

氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)核心部分工作過程如下：閥門DK1打開，控制氣體供應(yīng)各氣動(dòng)閥門，推進(jìn)劑供應(yīng)到氣動(dòng)增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)管路；隨后閥門DK2打開，向氣動(dòng)增壓器供應(yīng)氦氣，氣動(dòng)增壓器開始工作，將高壓推進(jìn)劑連續(xù)不斷地供應(yīng)到燃燒室，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作。發(fā)送指令關(guān)閉閥門DK1和DK2，氣動(dòng)增壓器停止工作，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了考核推進(jìn)系統(tǒng)以及氣動(dòng)增壓器的工作性能，驗(yàn)證系統(tǒng)組件工作匹配性、協(xié)調(diào)性以及系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算方法的正確性，進(jìn)行了4.5 kN氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)地面熱試車，試車產(chǎn)品照片見圖2。

系統(tǒng)試車推進(jìn)劑為四氧化二氮/偏二甲肼，試車過程中氣動(dòng)增壓器和4.5 kN軌控發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，發(fā)動(dòng)機(jī)共起動(dòng)11次，累計(jì)工作時(shí)間410 s，試車結(jié)束后產(chǎn)品完好。

系統(tǒng)試車典型壓力曲線見圖3。

主要試車結(jié)果如下：

1)通過氣動(dòng)增壓器可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)多次起動(dòng)和關(guān)機(jī)，并且能夠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、脈沖模式工作；

2)系統(tǒng)額定質(zhì)量流量混合比為2.25，試驗(yàn)得到混合比為2.247～2.262，混合比偏差為-0.13%～0.53%。通過氣動(dòng)增壓器可以高精度保持推進(jìn)劑的組元混合比(混合比偏差不大于1%)；

3)氣動(dòng)增壓器可以將貯箱內(nèi)1.3～1.5 MPa的低壓推進(jìn)劑增壓，提供4.9～5.3 MPa的高壓推進(jìn)劑到發(fā)動(dòng)機(jī)入口，增壓氣體氦氣的壓力為2.1 MPa，氣動(dòng)增壓器的增壓比為1.95；

4)發(fā)動(dòng)機(jī)室壓為3.37～3.58 MPa；

5)系統(tǒng)試車前，對(duì)氣動(dòng)增壓器的耗氣量進(jìn)行了計(jì)算：多變指數(shù)取1.667，減壓閥最低進(jìn)口壓力取8 MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間350 s，計(jì)算得到用氣量為150 L(初始?jí)毫?5 MPa)。實(shí)際系統(tǒng)試車中發(fā)動(dòng)機(jī)工作410 s，氣瓶壓力從34.3 MPa降至14.3 MPa，氣瓶氣量有一定裕量?？梢姲l(fā)動(dòng)機(jī)工作中對(duì)氦氣進(jìn)行加熱提高了氦氣的能量和利用率，使得實(shí)際耗氣量大大減少，折算實(shí)際多變指數(shù)為1.237，實(shí)際耗氣量相比計(jì)算所需氦氣量減少30%以上。

氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)地面熱試車系統(tǒng)工作參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)試車工作參數(shù)Tab.1 Working parameters of system test

3 關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證情況

3.1 氣動(dòng)增壓器技術(shù)

氣動(dòng)增壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過模塊化集成設(shè)計(jì)、采用觸點(diǎn)閥結(jié)構(gòu)提高活塞換向靈敏度和可靠性、利用單向閥和氣路換向閥保證兩組活塞交替工作等設(shè)計(jì)思路和方法，氣動(dòng)增壓器具有結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、動(dòng)作靈敏度高、輸出壓力脈動(dòng)小等特點(diǎn)。

氣動(dòng)增壓器內(nèi)三種介質(zhì)同時(shí)流動(dòng)的密封性及系統(tǒng)參數(shù)匹配性通過系統(tǒng)試車得到了驗(yàn)證。

3.1.1 密封結(jié)構(gòu)和密封材料

氣動(dòng)增壓器中活塞處在高速、高壓往復(fù)工作狀態(tài)下，需要解決三種介質(zhì)(兩種推進(jìn)劑和增壓氣體)的密封問題。

氣動(dòng)增壓器的活塞采用氟塑料加彈性支撐的泛塞密封方案，考慮到氣動(dòng)增壓器內(nèi)氧化劑和燃料共存，還要頻繁動(dòng)作，燃料側(cè)通過安裝橡膠圈來進(jìn)一步加強(qiáng)密封性，由于橡膠材料與氧化劑長(zhǎng)時(shí)間接觸更容易溶脹，故氧化劑一側(cè)未安裝橡膠圈。

系統(tǒng)試車過程中，氣動(dòng)增壓器未發(fā)生泄漏，泛塞的密封性能良好，泛塞可以應(yīng)用于類似活動(dòng)部件的密封。

3.1.2 參數(shù)匹配

系統(tǒng)試車氣動(dòng)增壓器工作曲線與氣動(dòng)增壓器液流試驗(yàn)曲線相比(圖4)，在液路進(jìn)口壓力相近的情況下，氧化劑路和燃料路的輸出壓力略有差異：系統(tǒng)試車時(shí)氧化劑壓力略高于燃料壓力，液流試驗(yàn)燃料路壓力高于氧化劑路壓力。

通過分析，氣動(dòng)增壓器工作過程中，作用在氣體活塞、推進(jìn)劑活塞上的力滿足力平衡公式[4]：

(1)

在增壓氦氣壓力和推進(jìn)劑進(jìn)口壓力確定的情況下，氧化劑和燃料出口壓力直接與下游發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)，并且滿足發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力條件：氣動(dòng)增壓器推進(jìn)劑出口壓力等于燃燒室壓力與氣動(dòng)增壓器出口到推力室噴注器出口各組件壓降之和[6]。

po2=pc+∑Δpoi

(2)

pf2=pc+∑Δpfi

(3)

氣動(dòng)增壓器液流試驗(yàn)時(shí)，利用節(jié)流孔板模擬發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力。發(fā)動(dòng)機(jī)頭部氧化劑路實(shí)際流阻比液流試驗(yàn)設(shè)計(jì)值偏大，燃料路實(shí)際流阻比液流試驗(yàn)設(shè)計(jì)值偏小。結(jié)合連續(xù)方程，通過計(jì)算，從理論上證明了試車結(jié)果和液流試驗(yàn)結(jié)果的差異是正常的[7-8]。

通過分析得到以下結(jié)論：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口條件，氣動(dòng)增壓器會(huì)通過活塞力平衡關(guān)系自動(dòng)調(diào)節(jié)氧化劑和燃料出口壓力，適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)氧、燃進(jìn)口壓力條件，系統(tǒng)混合比基本保持不變。

3.2 壓力波動(dòng)抑制技術(shù)

氣動(dòng)增壓器工作過程中，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致輸出推進(jìn)劑的壓力呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。

氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在氣動(dòng)增壓器下游設(shè)置阻尼器，利用阻尼器內(nèi)部膜盒結(jié)構(gòu)以及控制氣體的緩沖作用，有效抑制輸出推進(jìn)劑的壓力波動(dòng)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定燃燒。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，氣動(dòng)增壓器液路出口安裝的阻尼器大大降低了推進(jìn)劑壓力波動(dòng)幅度(進(jìn)口壓力波動(dòng)幅度為20%，出口壓力波動(dòng)幅度減小到5%)，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定燃燒的條件。因此，利用阻尼器來抑制推進(jìn)劑壓力波動(dòng)的方案合理可行。

3.3 高性能軌控發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

軌控發(fā)動(dòng)機(jī)既要保證能夠高性能穩(wěn)定燃燒，又要能夠?qū)崿F(xiàn)多次可靠工作。

高性能軌控發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)方案為：

1)采用離心式噴嘴，促進(jìn)推進(jìn)劑混合；

2)身部為兩種組元冷卻；

3)兩種組元邊區(qū)冷卻；

4)采用隔板裝置抑制燃燒不穩(wěn)定；

5)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室圓柱段外壁設(shè)置螺旋槽道結(jié)構(gòu)的熱交換器，利用燃燒室壁溫加熱氦氣后給氣動(dòng)增壓器供氣，一方面起到冷卻壁溫的作用，另一方面減少了氦氣的消耗量。

通過系統(tǒng)試車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作特性如下：

1)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)壓力峰較小

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始階段，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑從初始入口壓力1.5～1.6 MPa升高至額定入口壓力4.9～5.1 MPa，起到一定的緩沖作用，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)壓力峰較小(發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)試車起動(dòng)壓力峰達(dá)到156.4%)。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)響應(yīng)較快

發(fā)動(dòng)機(jī)的開機(jī)響應(yīng)時(shí)間(從發(fā)出開機(jī)指令到達(dá)到額定推力90%的時(shí)間)為0.24～0.35 s(見圖5)；關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間(從發(fā)出關(guān)機(jī)指令到達(dá)到額定推力10%的時(shí)間)為0.43～0.6 s(見圖6)，由于燃料路閥門延遲關(guān)閉，冷卻液膜處的燃料與殘余氧化劑繼續(xù)燃燒，使關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)可多次起動(dòng)

系統(tǒng)試車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)工作11次，燃燒穩(wěn)定，比沖性能達(dá)到320 s。

目前，需要執(zhí)行變軌任務(wù)的空間飛行器推進(jìn)系統(tǒng)主要采用擠壓式系統(tǒng)(如嫦娥-3飛行器)和泵壓式系統(tǒng)(渦輪泵增壓，如運(yùn)載火箭YZ-1上面級(jí))。擠壓式系統(tǒng)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)可以多次起動(dòng)工作，但發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力較低，相比高室壓發(fā)動(dòng)機(jī)，相同推力條件下一般需要通過增大噴管面積比等方式實(shí)現(xiàn)；泵壓式系統(tǒng)室壓較高，但受到渦輪泵起動(dòng)次數(shù)限制，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)一般只能工作有限次數(shù)。

因此，氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具備高室壓、多次起動(dòng)能力，對(duì)于有多次變軌任務(wù)需求的空間飛行器，如多星發(fā)射上面級(jí)、衛(wèi)星助推級(jí)等，具有一定的應(yīng)用前景。

3.4 姿軌控推進(jìn)劑統(tǒng)一管理

通過對(duì)氣動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)熱試車壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，氣動(dòng)增壓器的推進(jìn)劑進(jìn)口壓力與目前空間推進(jìn)系統(tǒng)中常用的低室壓姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口壓力接近，通過合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)壓力，推進(jìn)劑從貯箱下游分兩路：一路進(jìn)入氣動(dòng)增壓器，增壓后供給軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，另一路直接供給姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)姿軌控推進(jìn)劑的統(tǒng)一管理。

具備姿軌控推進(jìn)劑統(tǒng)一管理能力的氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)，相比目前YZ-1上面級(jí)等空間飛行器的姿控推進(jìn)系統(tǒng)和軌控推進(jìn)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)方案在系統(tǒng)重量、體積、復(fù)雜程度等方面有一定優(yōu)勢(shì)。

4 后續(xù)開展工作

通過對(duì)氣動(dòng)增壓器液流試驗(yàn)和系統(tǒng)試車后產(chǎn)品進(jìn)行分解，氣動(dòng)增壓器活塞的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)存在一定程度的磨損。

氣動(dòng)增壓器內(nèi)推進(jìn)劑活塞采用泛塞動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，泛塞在軸上高頻率往復(fù)滑動(dòng)，會(huì)造成磨損，隨著時(shí)間的積累，可能發(fā)生泛塞損壞并導(dǎo)致推進(jìn)劑泄露。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)泛塞結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)壽命工作的重要攻關(guān)方向。

5 結(jié)論

氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明：氣動(dòng)增壓空間推進(jìn)系統(tǒng)可以在低貯箱壓力下達(dá)到較高的燃燒室壓力、具有多次起動(dòng)的能力，并且可以實(shí)現(xiàn)姿軌控推進(jìn)劑統(tǒng)一管理。得以驗(yàn)證的相關(guān)技術(shù)和設(shè)計(jì)思想可用于其他空間推進(jìn)系統(tǒng)的研制，為飛行器動(dòng)力系統(tǒng)提供了一種新的雙組元推進(jìn)系統(tǒng)選擇方案。

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Experimental study on pneumatic pressurization space propulsion system and its correlation technology

LIU Feng1， 2， SHEN Zhishuai1， 2， WANG Bo1， 2， CAO Wei1， 2， CHEN Jian1， 2

(1. Shanghai Institute of Space Propulsion， Shanghai 201112， China； 2.Shanghai Engineering Research Center of Space Engine， Shanghai 201112， China)

The scheme and composition of the pneumatic pressurization space propulsion system are introduced. Experimental study on the new pneumatic pressurization liquid rocket engine technology is carried out. The test results and system performance related to the pneumatic pressurization space propulsion are analyzed emphatically. The results show that the pneumatic pressurization space propulsion system has the advantages of multiple start and high chamber pressure. The correlation technology was verified.

pneumatic pressurization；liquid rocket engine；propulsion system；ground test

2016-08-05；

2017-03-19

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(13DZ2250600)

劉鋒(1971—)，男，研究員，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

V430-34

A

1672-9374(2017)06-0038-06

(編輯：陳紅霞)