液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)“熱泵”起動(dòng)研究

王海山，陳 暉，萬(wàn)金川，王偉光

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)心臟部件渦輪泵，通常采用同軸式結(jié)構(gòu)。多次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)前的滑行段，泵部件與高溫渦輪部件不斷有熱量傳遞，溫度超過(guò)一定值，起動(dòng)過(guò)程將伴隨著液體推進(jìn)劑的持續(xù)氣化；泵工作介質(zhì)含氣量過(guò)多將會(huì)造成泵建壓緩慢甚至延遲，進(jìn)而擾亂發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)序，即形成“熱泵”起動(dòng)故障，嚴(yán)重情況將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸的重大可靠性事故。

國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)研制中也都曾多次出現(xiàn)過(guò)“熱泵”起動(dòng)問(wèn)題，如阿金娜發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，關(guān)機(jī)后泵部件溫度在不斷升高，35 min達(dá)到熱平衡，泵部件溫度大大超過(guò)推進(jìn)劑氣化溫度；國(guó)內(nèi)某型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，在系統(tǒng)上采取預(yù)冷方法對(duì)泵部件進(jìn)行提前冷卻?！盁岜谩逼饎?dòng)故障發(fā)生的原因一般很明確，但解決方案不盡相同，本文結(jié)合某型高空多次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)“熱泵”起動(dòng)故障，提出一種常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中可供借鑒的解決方案，同時(shí)介紹不同試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果及天空環(huán)境數(shù)值模擬方法和計(jì)算結(jié)果。

1 某型高空發(fā)動(dòng)機(jī)“熱泵”起動(dòng)及解決方案

1.1 “熱泵”起動(dòng)

某型高空液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，采用雙組元常規(guī)推進(jìn)劑，具有多次起動(dòng)能力，要求渦輪泵按照時(shí)序能再次工作。渦輪泵采用兩增壓泵與渦輪同軸的渦輪中置方案，兩增壓泵均采用離心式旋轉(zhuǎn)泵，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某型高空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Turbopump structure of a certain high altitude engine

發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)×-03次試車中，第一次工作正常，滑行結(jié)束后，第二次起動(dòng)時(shí)氧化劑泵發(fā)生了“熱泵”起動(dòng)故障。具體表現(xiàn)：起動(dòng)后渦輪轉(zhuǎn)速上升較快，并出現(xiàn)嚴(yán)重超調(diào)，燃料泵建壓迅速，而氧化劑泵建壓延遲（見(jiàn)圖2），并且發(fā)動(dòng)機(jī)推力上升緩慢。當(dāng)?shù)诙纹饎?dòng)工作到118 s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)大量泄漏燃?xì)?，渦輪泵轉(zhuǎn)速等參數(shù)迅速大幅下降，隨后實(shí)施緊急關(guān)機(jī)。試車后，外觀檢查發(fā)現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)生器身部收斂段燒穿。

圖2 第二次起動(dòng)氧化劑泵和燃料泵后壓力及渦輪轉(zhuǎn)速Fig.2 Pressure and turbine rotation speed when oxidizer and fuel pumps are started at the second time

第二次起動(dòng)“0 s”氧化劑泵的進(jìn)口管壁溫達(dá)到了110℃；氧化劑泵殼體上沒(méi)有溫度測(cè)點(diǎn)，從渦輪泵結(jié)構(gòu)可知，氧化劑泵殼體溫度比進(jìn)口管更高，所以氧化劑泵部件溫度均遠(yuǎn)超過(guò)了氧化劑額定飽和溫度，推進(jìn)劑過(guò)流進(jìn)口管及泵殼體存在大量氧化劑氣化。產(chǎn)生的氣體消減了充填水擊壓力峰，不足以打開(kāi)氧化劑路主閥進(jìn)行氣體排放。由于第二次起動(dòng)氧化劑泵工作介質(zhì)含有大量氣態(tài)推進(jìn)劑，造成氧化劑泵建壓延遲，進(jìn)而擾亂了推進(jìn)劑進(jìn)入發(fā)生器的時(shí)序，最終導(dǎo)致發(fā)生器身部收斂段燒穿的可靠性故障。

1.2 解決方案

“熱泵”起動(dòng)故障的本質(zhì)是發(fā)動(dòng)機(jī)滑行期間殘余的高溫環(huán)境對(duì)泵部件的熱量傳導(dǎo)造成推進(jìn)劑氣化的問(wèn)題，所以解決措施圍繞著“熱”和“氣”的問(wèn)題進(jìn)行。解決方案是在發(fā)動(dòng)機(jī)上增加排空系統(tǒng)和排放系統(tǒng)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法降低渦輪殼體與泵殼體的熱量傳遞。

通過(guò)半系統(tǒng)試驗(yàn)確定具體的排放時(shí)序及方式，同時(shí)驗(yàn)證排空和渦輪泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果，經(jīng)過(guò)數(shù)臺(tái)次不同方案試驗(yàn)研究，最終形成簡(jiǎn)單有效的改進(jìn)措施：

1）排空措施。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上設(shè)置定壓排空系統(tǒng)，滑行時(shí)，泵部件溫度升高到使殘余推進(jìn)劑氣化，造成泵腔的壓力升高并到達(dá)一定范圍，排空系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)排出氣體，同時(shí)保證腔內(nèi)一定壓力，不至于腔中的推進(jìn)劑凍結(jié)，同時(shí)起到泵部件降溫的目的。

2）排放措施。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上設(shè)置排放系統(tǒng)，再次起動(dòng)前數(shù)秒打開(kāi)排放系統(tǒng)，并進(jìn)行推進(jìn)劑充填。主要目的是擠出產(chǎn)生的氣體，并用液態(tài)推進(jìn)劑對(duì)高溫過(guò)流部件進(jìn)行冷卻。

3）降低熱傳遞措施。降低渦輪殼體與泵殼體之間熱量的傳遞：渦輪殼體與泵殼體采取兩體，并且不同材質(zhì)中間夾隔熱材料螺釘連接結(jié)構(gòu)；泵的進(jìn)口管和殼體內(nèi)表面進(jìn)行隔熱處理。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)多次半系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證后進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)可靠性試車試驗(yàn)驗(yàn)證，增加了泵殼體溫度監(jiān)控，共計(jì)5次，均取得成功，未發(fā)生“熱泵”起動(dòng)故障。對(duì)于常規(guī)推進(jìn)劑，氧化劑的額定飽和溫度更低，相同傳熱氧化劑泵更容易產(chǎn)生“熱泵”起動(dòng)故障，故后文主要描述氧化劑泵的試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算。

×-006試車第一次和第二次起動(dòng)氧化劑泵建壓見(jiàn)圖3；第二次起動(dòng)氧化劑泵的進(jìn)口管及殼體溫度見(jiàn)圖4。試車第二次起動(dòng)“0 s”時(shí)氧化劑泵的進(jìn)口管和殼體溫度見(jiàn)表1。

圖3 第一次和第二次起動(dòng)氧化劑泵壓力Fig.3 Pressure of oxidizer pump at the first and second start

圖4 第二次起動(dòng)氧化劑泵進(jìn)口管和殼體的溫度Fig.4 Temperature of inlet tube and shell of oxidizer pump as it is started at the second time

表1 第二次起動(dòng)“0 s”時(shí)氧化劑泵進(jìn)口管和殼體溫度Tab.1 Temperature of inlet tube and shell of oxidizer pump as it is started at the second time

發(fā)動(dòng)機(jī)第二次起動(dòng)氧化劑泵建壓時(shí)間與第一次起動(dòng)時(shí)間相同，可以及時(shí)建壓；第二次起動(dòng)“0 s”前氧化劑泵進(jìn)口管最高溫度74℃，較×-03次試車溫度下降36℃，排空降溫效果明顯；排放過(guò)程氧化劑泵進(jìn)口管、殼體溫度下降迅速，排放降溫效果明顯。氧化劑泵殼體溫度略高于額定飽和溫度，但所含熱量已經(jīng)大大減少，考慮排放過(guò)程的溫度梯度，泵殼體內(nèi)壁只能將局部少量推進(jìn)劑氣化，同時(shí)排放系統(tǒng)處于打開(kāi)狀態(tài)，不會(huì)形成氣體大量累積，第二次起動(dòng)“0 s”隨流氣態(tài)推進(jìn)劑體積遠(yuǎn)小于造成“熱泵”起動(dòng)故障的量。

3 仿真計(jì)算驗(yàn)證

由于天、地環(huán)境不同，為分析環(huán)境“熱泵”起動(dòng)改進(jìn)效果，用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 計(jì)算模型

由于缺乏數(shù)據(jù)，微重力環(huán)境下的換熱數(shù)據(jù)用常規(guī)重力環(huán)境的換熱理論；真空環(huán)境下推進(jìn)劑的物性參數(shù)以地面常壓的物性進(jìn)行計(jì)算。此處理方法不影響天空環(huán)境模擬計(jì)算結(jié)果的定性分析。

3.1.1 渦輪殼體方程

渦輪殼體能量增加＋渦輪殼體對(duì)泵殼體的導(dǎo)熱＋渦輪殼體對(duì)外輻射熱＝太陽(yáng)對(duì)渦輪殼體的輻射熱＋噴管對(duì)渦輪殼體的輻射熱＋渦輪殼體與試車環(huán)境之間的對(duì)流換熱。

式中：Mwl為渦輪殼體質(zhì)量；Cwl為渦輪殼體比熱；Twl為渦輪殼體溫度；Tbk為泵殼體溫度；Tpg為噴管溫度；Thj為環(huán)境溫度；τ為時(shí)間；λwb為渦輪與泵殼體之間導(dǎo)熱系數(shù)；δwb為渦輪與泵殼體之間導(dǎo)熱間距；Αwb為渦輪與泵殼體之間結(jié)合面積；Αwst為渦輪接受太陽(yáng)的輻射面積；Αwsp為渦輪接受噴管的輻射面積；Awl為渦輪面積；εwl為渦輪殼體黑度；εpg為噴管黑度；σ為黑體輻射常數(shù)；q為太陽(yáng)熱流密度；Fwp為渦輪與噴管之間的角系數(shù)；h2為渦輪殼體與環(huán)境之間換熱系數(shù)。

3.1.2 泵殼體方程

泵殼體能量增加＋泵殼體對(duì)外輻射熱＋泵殼體對(duì)泵進(jìn)口管的導(dǎo)熱＝太陽(yáng)對(duì)泵殼體的輻射熱＋噴管對(duì)泵殼體的輻射熱＋乏氣管對(duì)泵殼體的輻射熱＋渦輪對(duì)泵殼體的輻射熱＋渦輪殼體對(duì)泵殼體的導(dǎo)熱＋泵殼體與泵腔內(nèi)推進(jìn)劑的對(duì)流換熱＋泵殼體與環(huán)境之間的對(duì)流換熱。

式中：Mbk為泵殼體質(zhì)量；Cbk為泵殼體比熱；Tjk為泵進(jìn)口管溫度；Tn為推進(jìn)劑溫度；Tfq為乏氣管溫度；εbk為泵殼體黑度；εfq為乏氣管黑度；Αbk為泵殼體面積；Αbst為泵殼體接受太陽(yáng)的輻射面積；Αbsp為泵殼體接受噴管的輻射面積；Αbsf為泵殼體接受乏氣管的輻射面積；Αbsw為泵殼體接受渦輪的輻射面積；Αbn為泵殼體內(nèi)面積；Rjb為泵進(jìn)口管與泵殼體之間接觸熱阻；Fbp為泵殼體與噴管之間系數(shù)；Fbf為泵殼體與乏氣管之間角系數(shù)；Fbw為泵殼體與渦輪之間角系數(shù)；hbn為泵殼體與推進(jìn)劑之間換熱系數(shù)；h1為泵殼體與環(huán)境之間換熱系數(shù)。

3.1.3 泵進(jìn)口管方程

泵進(jìn)口管的能量增加＋泵進(jìn)口管對(duì)外輻射＝太陽(yáng)對(duì)泵進(jìn)口管的輻射熱＋噴管對(duì)泵進(jìn)口管的輻射熱＋渦輪對(duì)泵進(jìn)口管的輻射熱＋泵殼體對(duì)泵進(jìn)口管的接觸導(dǎo)熱＋泵進(jìn)口管與泵腔內(nèi)推進(jìn)劑的對(duì)流換熱＋泵進(jìn)口管與環(huán)境之間的對(duì)流換熱。

式中：Mjk為泵進(jìn)口質(zhì)量；Cjk為泵進(jìn)口比熱；εjk為泵殼體黑度；Αjk為泵進(jìn)口面積；Αjst為泵進(jìn)口管接受太陽(yáng)的輻射面積；Αjsp為泵進(jìn)口管接受噴管的輻射；Ajsw為泵進(jìn)口管接受渦輪的輻射；Ajb為泵進(jìn)口管與泵殼體之間面積；Αjn為泵進(jìn)口管內(nèi)面積；Fjp為泵進(jìn)口管與噴管之間角系數(shù)；Fjw為泵進(jìn)口管與渦輪之間角系數(shù)；hjn為泵進(jìn)口管與推進(jìn)劑之間換熱系數(shù)。

3.1.4 噴管方程

噴管能量增加＋噴管對(duì)外散熱量＝太陽(yáng)對(duì)噴管的輻射熱。

式中：Cpg為噴管比熱；Mpg為噴管質(zhì)量；Αpgf為泵殼體接受乏氣管的輻射面積。

3.1.5 乏氣管方程

乏氣管能量增加＋乏氣管對(duì)外散熱量＝太陽(yáng)對(duì)乏氣管的輻射熱＋乏氣管與環(huán)境之間的對(duì)流換熱。

式中：Cfq為乏氣管比熱；Mfg為乏氣管質(zhì)量；Αfqf為乏氣管輻射面積。

3.1.6 泵腔內(nèi)推進(jìn)劑方程

推進(jìn)劑吸收來(lái)自泵殼體和泵進(jìn)口管的傳熱而溫度升高，達(dá)到氣化點(diǎn)時(shí)開(kāi)始?xì)饣?。在氣化過(guò)程中推進(jìn)劑的溫度不發(fā)生變化。

式中：Cn為推進(jìn)劑比熱；Mn為推進(jìn)劑質(zhì)量；為推進(jìn)劑質(zhì)量流量；r為推進(jìn)劑汽化潛熱。

3.1.7 耦合計(jì)算

渦輪殼體、泵殼體、泵進(jìn)口管及泵腔內(nèi)推進(jìn)劑相互之間存在導(dǎo)熱及輻射作用，所以必須進(jìn)行耦合計(jì)算。根據(jù)泵腔內(nèi)推進(jìn)劑的狀態(tài)，可將計(jì)算過(guò)程分解為以下4個(gè)過(guò)程：

1） 關(guān)機(jī)后，泵腔有一定的初始?jí)毫Γ们粌?nèi)的初始溫度低于液體推進(jìn)劑飽和溫度，推進(jìn)劑首先由泵殼體和進(jìn)口管吸熱逐漸升溫至氣化點(diǎn)，則令推進(jìn)劑氣化質(zhì)量流量＝0。

2） 泵腔內(nèi)推進(jìn)劑氣化，腔內(nèi)壓力升高，過(guò)程結(jié)束條件為腔內(nèi)壓力達(dá)到一定值。氣化過(guò)程認(rèn)為泵腔內(nèi)推進(jìn)劑溫度不變穩(wěn)定在飽和溫度，故令dTndτ＝0 。

3）定壓?jiǎn)蜗蜷y打開(kāi)，腔內(nèi)推進(jìn)劑氣、液混相排空，過(guò)程結(jié)束條件為腔內(nèi)壓力降低，腔內(nèi)推進(jìn)劑依然存在氣化，故認(rèn)為腔內(nèi)推進(jìn)劑溫度不變穩(wěn)定在飽和溫度，故令dTndτ=0。

4） 排空結(jié)束，腔內(nèi)幾乎沒(méi)有推進(jìn)劑殘留，渦輪殼體、泵殼體、泵進(jìn)口管相互傳熱至排空過(guò)程結(jié)束。則令腔內(nèi)推進(jìn)劑的質(zhì)量Mn＝0，推進(jìn)劑的氣化質(zhì)量流量＝0，泵殼體與腔內(nèi)推進(jìn)劑的換熱系數(shù)hbn＝0，泵進(jìn)口管與腔內(nèi)推進(jìn)劑的換熱系數(shù)hjn=0。

3.2 仿真結(jié)果

以箭體迎著太陽(yáng)為初始條件，第二次起動(dòng)前，氧化劑泵的進(jìn)口管、殼體壁溫度及泵腔的主流體含氣率見(jiàn)圖5。

圖5 進(jìn)口管、殼體溫度及泵腔含氣率Fig.5 Temperature of inlet tube and shell,and air containing ratio in pump cavity

發(fā)動(dòng)機(jī)第一次關(guān)機(jī)后氧化劑泵的進(jìn)口管、殼體溫度不斷上升到排放前，溫度分別達(dá)到97.0℃和121.1℃；第二次起動(dòng)“0 s”，氧化劑泵的進(jìn)口管、殼體溫度分別為62.5℃和94.0℃，經(jīng)氧化劑排放冷卻溫度分別下降了34.5℃和27.1℃，與地面狀態(tài)相近溫度略高。發(fā)動(dòng)機(jī)在軌滑行經(jīng)排空過(guò)程排出了所有氣態(tài)氧化劑；在氧化劑再次充填排放過(guò)程，泵腔含氣率先快速增加，而后隨著推進(jìn)劑的排放泵部件內(nèi)壁溫度下降而緩慢下降，第二次起動(dòng)“0 s”泵腔隨流含氣率百分之十幾，遠(yuǎn)小于造成“熱泵”起動(dòng)故障的含氣率。

推進(jìn)劑開(kāi)始充填時(shí)含氣率快速增加是因?yàn)槌涮钜后w前端壓力低，造成前端液體氧化劑氣化；而后含氣率緩慢下降是因?yàn)檠趸瘎┍脙?nèi)壁溫度低，只能使局部氧化劑氣化，產(chǎn)生的氣體少，同時(shí)排放系統(tǒng)處于打開(kāi)狀態(tài)，不會(huì)造成氣體累積。第二次起動(dòng)“0 s”開(kāi)始，有大量推進(jìn)劑過(guò)流，體積流量是排放流量的十幾倍之多，降溫效果更明顯，推進(jìn)劑含氣率應(yīng)更低。

仿真存在的不足：發(fā)動(dòng)機(jī)在高空軌道滑行時(shí)，外界環(huán)境接近真空，所以排空和排放管出口壓力相對(duì)地面更低，推進(jìn)劑排空和排放的速度更快，排出推進(jìn)劑總量更多，所以相對(duì)地面帶走熱量更多，發(fā)動(dòng)機(jī)第二次起動(dòng)氧化劑泵部件內(nèi)壁面溫度應(yīng)更低。而仿真計(jì)算所得平均溫度，不能反應(yīng)溫度的梯度，實(shí)際氧化劑泵腔含氣率應(yīng)更低。

4 飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)可靠性試車試驗(yàn)和高空環(huán)境仿真計(jì)算的驗(yàn)證后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)任務(wù)。到目前為止，二十余臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)參與了飛行試驗(yàn)，均圓滿完成任務(wù)，推進(jìn)劑兩增壓泵工作均正常，0.6～0.7 s氧化劑泵揚(yáng)程達(dá)到額定值，均未發(fā)生“熱泵”起動(dòng)故障。發(fā)動(dòng)機(jī)第二次起動(dòng)前氧化劑泵的進(jìn)口管最高溫度59～92℃，第二次起動(dòng)“0 s”溫度 34～80 ℃。

仿真計(jì)算結(jié)果與飛行測(cè)量數(shù)據(jù)基本吻合，存在差別的主要原因：飛行時(shí)溫度傳感器貼在外壁上，受發(fā)動(dòng)機(jī)高溫環(huán)境影響，測(cè)得溫度比實(shí)際溫度高；飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)迎著太陽(yáng)的溫度測(cè)點(diǎn)受太陽(yáng)熱輻射的影響，測(cè)得溫度比實(shí)際溫度高；飛行時(shí)溫度測(cè)量點(diǎn)為局部點(diǎn)，仿真計(jì)算結(jié)果是平均值。

5 結(jié)論

某型高空多次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)為解決“熱泵”起動(dòng)故障，在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上增設(shè)排空系統(tǒng)和排放系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)上改善了渦輪與泵的連接方式。通過(guò)充分試驗(yàn)和計(jì)算驗(yàn)證，可以確認(rèn)“熱泵”起動(dòng)故障已經(jīng)徹底解決，進(jìn)而參與了飛行任務(wù)。截止目前，已成功完成數(shù)十臺(tái)試車和二十余臺(tái)飛行試驗(yàn)，推進(jìn)劑兩增壓泵工作均正常，建壓及時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)二次起動(dòng)正常，未發(fā)生“熱泵”起動(dòng)故障。

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