新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案研究

李淑艷，肖明杰，李曉瑾，鄭小鵬，董萬(wàn)峰

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的作用是為航天器飛行過(guò)程中變軌和姿態(tài)控制提供動(dòng)力。近年來(lái)，隨著軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)推進(jìn)劑量需求不斷增加，且安裝空間小、質(zhì)量輕的要求更加突出，傳統(tǒng)的冷氣恒壓擠壓?jiǎn)谓M元、雙組元和冷氣發(fā)動(dòng)機(jī)方案已無(wú)法滿足新型航天器的發(fā)展要求，有必要探索和研究新型軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。

1 國(guó)外新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是介于擠壓式系統(tǒng)與渦輪泵壓式系統(tǒng)之間的一種新型動(dòng)力系統(tǒng)方案，國(guó)外對(duì)這種系統(tǒng)開(kāi)展了大量的研究工作。20世紀(jì)90年代，該增壓系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的里程碑。

美國(guó)的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL） 和奧林航天公司（OAC） 分別在1993年和1994年進(jìn)行了單組元催化分解產(chǎn)生熱燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)地面試驗(yàn)，其中奧林航天公司采用的活塞泵增壓動(dòng)力系統(tǒng)主要組件有1個(gè)不銹鋼推進(jìn)劑貯箱、1臺(tái)四缸活塞泵、1臺(tái)單組元燃?xì)獍l(fā)生器、2臺(tái)推力裝置、液體壓力調(diào)節(jié)器和熱燃?xì)庹{(diào)節(jié)器。

1994年，LLNL將單組元肼催化分解活塞泵增壓動(dòng)力系統(tǒng)在長(zhǎng)1.9 m、直徑0.16 m的火箭上成功進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，活塞泵質(zhì)量約365 g，能供應(yīng)產(chǎn)生450 N推力的推進(jìn)劑流量，動(dòng)力系統(tǒng)干質(zhì)量約2 kg，可產(chǎn)生2 km/s以上的速度增量。該動(dòng)力系統(tǒng)主要包括1個(gè)15.3 L的鈦合金貯箱、1臺(tái)四缸活塞泵、2臺(tái)單組元燃?xì)獍l(fā)生器、4臺(tái)推力裝置、液體壓力調(diào)節(jié)器和熱燃?xì)庹{(diào)節(jié)器。

2002年，LLNL又將改進(jìn)后的活塞泵采用過(guò)氧化氫完成了動(dòng)力系統(tǒng)地面試驗(yàn)。至此，美國(guó)在活塞泵增壓?jiǎn)谓M元系統(tǒng)的研究已較為成熟。在活塞泵增壓?jiǎn)谓M元系統(tǒng)研究的同時(shí)，早在1993年，LLNL就已經(jīng)提出活塞泵增壓雙組元系統(tǒng)方案的設(shè)想，2005年，在活塞泵增壓?jiǎn)谓M元系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，LLNL開(kāi)展了活塞泵增壓雙組元系統(tǒng)的研究。該研究的應(yīng)用背景是為火星探測(cè)地質(zhì)標(biāo)本返回飛行器提供上升及軌/姿控動(dòng)力，設(shè)計(jì)的雙組元活塞泵質(zhì)量約400 g，可提供壓力為7 MPa、推力為1 000 N的推進(jìn)劑所需流量，雙組元活塞泵示意圖見(jiàn)圖1。另外，針對(duì)前期研究中出現(xiàn)的活塞泵燃?xì)庑孤┝枯^大的問(wèn)題，LLNL還開(kāi)展了無(wú)泄漏活塞泵的設(shè)計(jì)和研究，并用液體和冷氣進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，活塞泵能提供壓力為5 MPa、流量為200 g/s的液體，無(wú)泄漏活塞泵示意圖見(jiàn)圖2。

烏克蘭研制的活塞泵動(dòng)力系統(tǒng)已成功應(yīng)用于RD-860發(fā)動(dòng)機(jī)上，見(jiàn)圖3。

從美國(guó)活塞泵增壓動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)研究情況來(lái)看，活塞泵增壓動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)的研究從單組元系統(tǒng)開(kāi)始，已逐步向雙組元系統(tǒng)發(fā)展，完成了活塞泵增壓?jiǎn)谓M元系統(tǒng)地面試驗(yàn)和原理性飛行試驗(yàn)。烏克蘭研制的活塞泵動(dòng)力系統(tǒng)已得到應(yīng)用。

圖1 雙組元活塞泵Fig.1 Bipropellant piston pump

圖2 無(wú)泄漏活塞泵Fig.2 Leak tight piston pump

圖3 RD-860發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.3 RD-860 engine

2 新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案

新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)用輕質(zhì)小型活塞泵代替氣瓶，通過(guò)肼催化分解產(chǎn)生的燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵并保持推進(jìn)劑貯箱壓力恒定，實(shí)現(xiàn)自增壓循環(huán)，可大幅度減小軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)干濕重比和結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)預(yù)包裝和免維護(hù)使用；同時(shí)，采用該系統(tǒng)方案，可在不增加貯箱壓力的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣體壓力提高泵后推進(jìn)劑壓力，從而提高推力室壓力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)高性能、輕質(zhì)化和小型化。

一種典型的新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)見(jiàn)圖4，該系統(tǒng)采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵增壓方案，推進(jìn)劑采用MON-3和N2H4，貯箱預(yù)充氮?dú)?，系統(tǒng)組件主要包括貯箱（2個(gè)）、電爆閥（2個(gè)）、充氣閥（2個(gè)）、加注泄出閥（2個(gè)）、活塞泵（2個(gè)）、控制閥、燃?xì)獍l(fā)生器、軌控發(fā)動(dòng)機(jī)和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)各1臺(tái)。

圖4 活塞泵增壓系統(tǒng)Fig.4 Piston pump pressurized system

系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)工作前，在氧化劑和燃料貯箱通過(guò)充氣閥預(yù)充背壓；當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，控制系統(tǒng)給電爆管通電電爆閥打開(kāi)，肼和綠色四氧化二氮在貯箱背壓作用下，充填整個(gè)系統(tǒng)下游，肼流經(jīng)控制閥進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器經(jīng)催化分解產(chǎn)生燃?xì)?，燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵活塞，由于活塞泵內(nèi)活塞氣缸的面積大于液缸的面積，因此使泵下游液路產(chǎn)生了高于貯箱的壓力，這個(gè)升高的壓力被下游液體傳遞給控制閥、燃?xì)獍l(fā)生器和活塞泵，由控制閥控制系統(tǒng)壓力；當(dāng)控制閥達(dá)到額定壓力時(shí)，系統(tǒng)的壓力不再提高，系統(tǒng)增壓結(jié)束。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，貯箱內(nèi)推進(jìn)劑在初始背壓下落壓工作，燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵活塞交替工作使推進(jìn)劑壓力升高，為發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)供應(yīng)推進(jìn)劑。

當(dāng)推力室工作時(shí)，打開(kāi)相應(yīng)的控制閥門(mén)，氧化劑和燃料進(jìn)入雙組元推力室經(jīng)撞擊、霧化、混合產(chǎn)生高溫燃?xì)?，?jīng)噴管加速后產(chǎn)生推力；或燃料肼推進(jìn)劑進(jìn)入分解室經(jīng)催化分解產(chǎn)生高溫燃?xì)?，?jīng)噴管加速后產(chǎn)生推力。達(dá)到控制目的后，關(guān)閉控制閥，推力室即停止工作。

3 新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)

新型活塞泵增壓軌/姿控動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合了渦輪泵壓火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能、輕質(zhì)量和擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)多次快速起動(dòng)的能力。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

3.1 安全性高、使用維護(hù)性能好

系統(tǒng)中取消了氣瓶，只在貯箱中充低壓氣體，避免了高壓氣的預(yù)包裝問(wèn)題。同時(shí)，貯箱采用預(yù)包裝設(shè)計(jì)后，使系統(tǒng)的使用、維護(hù)性能大幅提高。

3.2 質(zhì)量輕、體積小

目前軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的很大一部分重量來(lái)自高壓氣瓶和貯箱，活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有氣瓶，由輕質(zhì)小型活塞泵代替重而大的氣瓶；貯箱可用低壓貯箱，可采用薄壁輕質(zhì)的鈦合金貯箱，進(jìn)一步降低貯箱的重量；活塞泵是通過(guò)活塞的交替工作提供推進(jìn)劑供應(yīng)，確定合理的活塞運(yùn)動(dòng)頻率，可使活塞泵的結(jié)構(gòu)尺寸做得很小。

3.3 性能高、響應(yīng)快

擠壓式系統(tǒng)由于貯箱壓力升高會(huì)導(dǎo)致重量大幅增加，這使得推力室室壓提高也受到了限制，而采用該系統(tǒng)方案，可在不增加貯箱壓力的情況下，通過(guò)提高活塞泵后壓力，從而提高推力室室壓，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能；該系統(tǒng)可以像擠壓式系統(tǒng)一樣實(shí)現(xiàn)多次、快速啟動(dòng)，通過(guò)閥門(mén)和推力室的快響應(yīng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快響應(yīng)。

3.4 適應(yīng)性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)

傳統(tǒng)擠壓式軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)一旦系統(tǒng)總沖發(fā)生變化，氣瓶等關(guān)鍵組件均需重新設(shè)計(jì)，而采用活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，活塞泵的設(shè)計(jì)與供應(yīng)的流量有關(guān)，與推進(jìn)劑總量無(wú)關(guān)。因此，當(dāng)總沖發(fā)生變化時(shí)，活塞泵不需重新設(shè)計(jì)即可直接借用，系統(tǒng)中其他組件僅作較小的改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。因此，該系統(tǒng)對(duì)不同的任務(wù)需求具有較好的適應(yīng)性；活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以為發(fā)動(dòng)機(jī)提供多種供應(yīng)方式，發(fā)動(dòng)機(jī)型式可采用液體雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)、氣液混合雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)、單組元催化分解發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)。

4 新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

新型軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵增壓方案。不同于傳統(tǒng)的冷氣擠壓式系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單組元燃?xì)獍l(fā)生器催化分解產(chǎn)生的燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵。該系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在增壓系統(tǒng)上。

4.1 增壓系統(tǒng)參數(shù)匹配技術(shù)

活塞泵增壓系統(tǒng)通過(guò)貯箱背壓擠壓推進(jìn)劑流經(jīng)下游，肼經(jīng)催化產(chǎn)生燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵的閉環(huán)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)穩(wěn)定增壓，需確保系統(tǒng)參數(shù)匹配，確定合適的活塞泵增壓比，合理分配增壓系統(tǒng)各組件壓降，使活塞泵升高的壓力大于增壓系統(tǒng)壓力損失，實(shí)現(xiàn)增壓系統(tǒng)循環(huán)增壓。

4.2 增壓系統(tǒng)熱控制技術(shù)

增壓系統(tǒng)采用肼催化分解燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵，由于肼催化分解燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1 200 K以上，如此高的燃?xì)鉁囟认轮苯訉?duì)活塞泵增壓，將使活塞泵高溫動(dòng)密封較難實(shí)現(xiàn)，工作壽命和可靠性受到影響，同時(shí)帶來(lái)推進(jìn)劑安全等問(wèn)題。因此，需合理控制燃?xì)鉁囟?，保證高溫組件和推進(jìn)劑工作在安全溫度范圍內(nèi)并盡可能提高燃?xì)庠鰤盒省?/p>

4.3 推進(jìn)劑壓力和流量穩(wěn)定技術(shù)

由于活塞泵自身工作特點(diǎn)不可避免地轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生壓力和流量脈動(dòng)，這種脈動(dòng)可能會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)偏離額定混合比、發(fā)生低頻振蕩等，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能及可靠性。需要通過(guò)活塞泵自身設(shè)計(jì)及系統(tǒng)上采取控制措施的技術(shù)途徑，穩(wěn)定推進(jìn)劑壓力和流量供應(yīng)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)要求。

4.4 燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵設(shè)計(jì)技術(shù)

活塞泵是該系統(tǒng)的核心組件，為保證連續(xù)供液，活塞泵氣、液缸分別采用多缸（兩缸以上）方案。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)及使用要求，活塞泵設(shè)計(jì)需要關(guān)注活塞泵總體結(jié)構(gòu)、高溫動(dòng)密封及多缸聯(lián)動(dòng)匹配等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、小型、穩(wěn)定和可靠工作。

5 新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證及仿真研究

開(kāi)展了新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)研究工作，進(jìn)行了主要組件試驗(yàn)驗(yàn)證和活塞泵增壓系統(tǒng)仿真研究。

5.1 活塞泵冷熱試驗(yàn)證

進(jìn)行了活塞泵冷熱試，典型工況熱試曲線見(jiàn)圖5，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。活塞泵在最高入口燃?xì)鉁囟?70 K下工作正常，增壓比與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，輸出流量穩(wěn)定，考核了活塞泵設(shè)計(jì)方案的正確性，驗(yàn)證了活塞泵在高溫下的工作能力。

圖5 活塞泵熱試曲線Fig.5 Experiment curves of piston pump

表1 活塞泵熱試數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment data of piston pump

5.2 單組元催化分解燃?xì)獍l(fā)生器熱試

進(jìn)行了燃?xì)獍l(fā)生器方案試車(chē)，推進(jìn)劑為無(wú)水肼。試驗(yàn)進(jìn)行了額定工況和高低工況下的穩(wěn)態(tài)、長(zhǎng)程、脈沖及熱返浸等各種工況的考核，典型工況曲線見(jiàn)圖6。試車(chē)結(jié)果表明，燃?xì)獍l(fā)生器在各種工況下均工作正常，壓力、流量及燃?xì)鉁囟鹊葏?shù)滿足要求。

圖6 燃?xì)獍l(fā)生器熱試曲線Fig.6 Experiment curves of gas generator

5.3 活塞泵增壓系統(tǒng)仿真計(jì)算

在AMESim仿真平臺(tái)下，建立圖4中活塞泵增壓系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行活塞泵增壓系統(tǒng)啟動(dòng)及工作過(guò)程仿真，獲得的仿真曲線見(jiàn)圖7～9。仿真結(jié)果表明，活塞泵增壓系統(tǒng)可在1 s內(nèi)完成增壓，活塞泵增壓系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作且參數(shù)匹配，通過(guò)在活塞泵后設(shè)置蓄壓器有效降低了活塞泵出口壓力和流量脈動(dòng)范圍，燃?xì)獍l(fā)生器出口燃?xì)饨?jīng)過(guò)管路散熱后進(jìn)入活塞泵燃?xì)鉁囟却蠓档汀?/p>

圖7 啟動(dòng)過(guò)程各處壓力Fig.7 Pressure at 4 testing points during start-up

圖8 工作過(guò)程各處壓力Fig.8 Pressure at 4 testing points during operation

圖9 工作過(guò)程各處溫度Fig.9 Temperature at 4 testing points during operation

6 結(jié)束語(yǔ)

新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)取消了擠壓式系統(tǒng)中的高壓氣瓶，通過(guò)采用低壓輕質(zhì)貯箱、高室壓小型化發(fā)動(dòng)機(jī)及推進(jìn)劑預(yù)包裝技術(shù)等，減小了系統(tǒng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸，提高了動(dòng)力系統(tǒng)綜合性能。

通過(guò)開(kāi)展新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案研究，掌握了燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞泵和單組元催化分解燃?xì)獍l(fā)生器等主要組件設(shè)計(jì)技術(shù)，獲得了活塞泵增壓系統(tǒng)仿真特性，為新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)研究奠定了堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

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