雙組元落壓推進系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

楊　俊，何永英，連仁志，楊福樹

（上?？臻g推進研究所，上海201112）

雙組元落壓推進系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

楊俊，何永英，連仁志，楊福樹

（上?？臻g推進研究所，上海201112）

綜述了國內(nèi)外雙組元落壓推進系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)特點，結(jié)合國內(nèi)衛(wèi)星推進系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，分析了雙組元落壓推進系統(tǒng)混合比控制和大落壓比高性能雙組元發(fā)動機兩個關(guān)鍵技術(shù)，提出了需開展氦氣溶解特性、混合比變化、發(fā)動機偏工況試車等地面試驗研究，為其工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

雙組元；應(yīng)用現(xiàn)狀;落壓推進系統(tǒng)

0　引言

目前國內(nèi)外同步地球衛(wèi)星普遍采用雙組元統(tǒng)一推進系統(tǒng)（UPS）。UPS軌控發(fā)動機和姿控發(fā)動機共用一套擠壓供應(yīng)系統(tǒng)，在軌控發(fā)動機工作期間采用恒壓工作模式，入軌后轉(zhuǎn)入落壓模式工作。這樣既可提供足夠的入軌沖量，又可保證在軌控制精度和工作可靠性。由于變軌過程消耗大量推進劑，在軌落壓比很小。

國外不少衛(wèi)星也采用了獨立的大落壓比雙組元推進系統(tǒng)用于在軌運行，雖然平均比沖（累積沖量與消耗量的比值）低于雙組元恒壓系統(tǒng)，但由于省去了高壓氣路供應(yīng)系統(tǒng)，推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高；此外，衛(wèi)星從總體布局、熱控、GNC等方面也可獲得較高的綜合效益。因此，對于有較高比沖需求的長壽命高軌衛(wèi)星，雙組元落壓推進系統(tǒng)具有較為顯著的優(yōu)勢。

本文綜合分析了國外雙組元落壓推進系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)特點，結(jié)合國內(nèi)衛(wèi)星技術(shù)現(xiàn)狀，對其工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述。

1　國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1交響樂衛(wèi)星推進系統(tǒng)

交響樂衛(wèi)星姿軌控推進系統(tǒng)采用2個互為冗余的雙組元落壓推進系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

姿軌控推進系統(tǒng)以MON-0.3和MMH為推進劑，主要包括4只13.5 L金屬膜盒貯箱、7臺10 N發(fā)動機和若干控制閥。

圖1　交響樂衛(wèi)星姿軌控推進系統(tǒng)Fig.1　Attitude and orbit control propulsion system for Symphonie satellite

1.2BUS 1衛(wèi)星推進系統(tǒng)

美國90年代研制的BUS 1重載荷地球同步衛(wèi)星采用了2套獨立的推進系統(tǒng)：地球同步軌道轉(zhuǎn)移與初入調(diào)節(jié)時采用系統(tǒng)A恒壓推進系統(tǒng)，入軌后采用系統(tǒng)B落壓推進系統(tǒng)。2套系統(tǒng)采用4個電爆閥隔離。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2　Bus 1衛(wèi)星推進系統(tǒng)原理圖Fig.2　Propulsion system of Bus 1 satellite

系統(tǒng)B以NTO和MMH為推進劑，主要包括2只934 L的表面張力貯箱、1臺890 N（200 lbf）軌控發(fā)動機、6臺67 N（15l bf） 姿控發(fā)動機和若干控制閥。

1.3日本ETS-VI衛(wèi)星推進系統(tǒng)

日本90年代研制的ETS-VI工程試驗衛(wèi)星遠地點發(fā)動機系統(tǒng)（AKE）為雙模式落壓推進系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3　遠地點發(fā)動機系統(tǒng)原理圖Fig.3　Propulsion system of apogee engine

AKE系統(tǒng)以N2H4和NTO為推進劑，主要包括2只492 L氧化劑貯箱、2只731 L無水肼貯箱、1臺2 000 N發(fā)動機、4臺50 N肼分解發(fā)動機和若干控制閥。

1.4國外雙組元落壓推進系統(tǒng)技術(shù)特點

國外3種雙組元落壓推進系統(tǒng)主要參數(shù)對比見表1。

表1　國外雙組元落壓推進系統(tǒng)主要參數(shù)對比Tab.1　Main parameters of bipropellant blowdown propulsion system

綜合國外應(yīng)用情況來看，雙組元落壓推進系統(tǒng)技術(shù)特點如下：

1)合理的落壓比。一般不大于3∶1，特殊情況下，可采取補氣增壓以避免系統(tǒng)落壓比過大。如BUS 1衛(wèi)星采用了一次增壓策略。

2)表面張力貯箱的廣泛應(yīng)用。相比隔膜式貯箱，表面張力貯箱無活動部件，質(zhì)量輕，可靠性高，在衛(wèi)星推進系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

3)較小的混合比變化?？刂苹旌媳扔欣谙到y(tǒng)發(fā)動機可靠工作，減少推進劑不可用量。

4)適應(yīng)大落壓范圍的高性能雙組元發(fā)動機。1.5國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國高軌衛(wèi)星普遍采用雙組元統(tǒng)一推進系統(tǒng)，在軌落壓比很小，一般不超過1.3∶1。國內(nèi)尚未開展大落壓比雙組元推進系統(tǒng)技術(shù)研究和工程應(yīng)用，與國外差距很大。

2　關(guān)鍵技術(shù)

綜合國外雙組元落壓推進系統(tǒng)的技術(shù)特點和國內(nèi)高軌衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀，針對使用表面張力貯箱的雙組元落壓推進系統(tǒng)對系統(tǒng)混合比控制和大落壓比高性能雙組元發(fā)動機兩大關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。

2.1系統(tǒng)混合比控制技術(shù)

系統(tǒng)混合比直接影響發(fā)動機的工作可靠性，平均混合比（累計氧化劑消耗量與燃料的比值）影響推進劑的可用量，從而對衛(wèi)星壽命產(chǎn)生較大影響。

2.1.1混合比影響因素

假設(shè)雙組元落壓推進系統(tǒng)工作過程為等溫過程，不考慮流動氣蝕和溫度變化，根據(jù)貯箱氣墊增壓氣體等溫膨脹和流量公式可知，系統(tǒng)混合比與貯箱初始氣墊狀態(tài)（壓力、容積）、流阻特性、發(fā)動機點火特性、飽和蒸汽壓等因素相關(guān)。

2.1.2混合比變化規(guī)律

落壓過程中貯箱壓力、發(fā)動機推力、流量逐漸降低，而混合比變化則受到上述多種因素的影響。主要影響因素分析如下：

1)初始氣墊狀態(tài)

初始氣墊狀態(tài)包括初始壓力和容積。初始氣墊狀態(tài)直接影響初始混合比及后續(xù)混合比的變化。如不考慮其他因素的影響，初始氣墊狀態(tài)對混合比的影響見表2?？梢钥闯觯敋鈮|容積相同時，初始混合比由氣墊壓力確定。當氣墊壓力相同時，初始混合比始終為1.65。混合比變化趨勢由初始氣墊壓力或容積決定。

表2　初始氣墊狀態(tài)對混合比的影響Tab.2　Influence of initial gas cushion status on mixture ratio

對于表面張力貯箱，增壓氦氣在推進劑中的溶解會導(dǎo)致壓力損失，從而改變貯箱初始壓力。

對于常規(guī)的NTO/MMH推進劑，氦氣溶解有如下規(guī)律：

a)氦氣溶解度與溫度和壓力相關(guān)，且隨其增加而增大；

b)在相同的條件下，氦氣在NTO中溶解度明顯大于MMH，一般為其4～5倍；

c)氦氣壓力隨時間呈指數(shù)函數(shù)分布，即溶解初期壓力迅速下降，隨后速率逐漸降低并趨于平衡壓力。

一般來說，從地面加注、增壓到發(fā)動機工作前，貯箱內(nèi)氦氣已得到充分的溶解。因此應(yīng)重點評估氦氣溶解對初始氣墊壓力的影響，從而采取壓力控制策略，控制系統(tǒng)混合比。

2)流阻特性

系統(tǒng)流阻特性系數(shù)直接影響推進劑流量和混合比。不考慮其他影響因素，并假設(shè)貯箱氣墊壓力始終相同，則相關(guān)計算表明隨著流量的降低，混合比（正比于流阻特性系數(shù)之比）逐漸變大或變小。

3)飽和蒸汽壓

相同溫度下，氧化劑的飽和蒸汽壓遠大于燃料的。這里忽略燃料的飽和蒸汽壓，且不考慮系統(tǒng)流阻特性變化。假定貯箱初始氣墊狀態(tài)相同，則相關(guān)計算表明隨著推進劑的累積消耗，混合比（混合比與氣墊壓力比正相關(guān)）逐漸增大，但增加速率逐漸降低。

4)氣墊壓力調(diào)節(jié)

由于表面張力貯箱氣路隔離進行獨立落壓，在落壓過程中氣墊壓力對非等體積消耗有抑制作用，即混合比總會向減弱其變化趨勢的方向變化，調(diào)節(jié)強弱與氣墊壓力變化相關(guān)（即推進劑流量與氣墊容積），氣墊壓力變化越大，抑制作用越明顯。顯然，在落壓初期，氣墊壓力調(diào)節(jié)能力最強；在落壓末期，由于流量變小和氣墊容積增大，這種調(diào)節(jié)影響幾乎可以忽略。

表3給出了不同因素對混合比的影響?？梢钥闯?，不同影響因素效果各不相同，且相互影響。因此，混合比變化由各影響因素綜合決定。

表3　混合比影響因素Tab.3　Influence factors of mixture ratio

2.1.3混合比控制技術(shù)

從混合比影響因素可看出，僅有氣墊狀態(tài)可以實現(xiàn)主動控制。采用MMN/NTO推進劑的雙組元落壓推進系統(tǒng)一般采取等體積加注，氣墊初始容積相同?；旌媳瓤刂浦攸c在于氣墊壓力。氣墊壓力的改變可以通過以下3個途徑實現(xiàn)：

1)改變貯箱初始氣墊壓力。該方法通過地面加注時增壓實現(xiàn)，但初始壓力設(shè)置必須基于準確的氦氣溶解特性、混合比變化規(guī)律等試驗結(jié)果，以確?；旌媳茸兓诤侠矸秶鷥?nèi)。

2)根據(jù)在軌壓力監(jiān)測和推進劑剩余量估算，通過貯箱主動溫控改變貯箱溫度，從而改變氣墊壓力。溫度升高，氣墊壓力增大。表4給出了不同初始氣墊狀態(tài)下的100 L貯箱的溫控效果對比?？梢钥闯?，相同的增溫幅度，NTO貯箱壓力變化較MMH貯箱大，且調(diào)節(jié)效果隨著氣墊容積增大和壓力降低而減弱。由于貯箱加熱能力和精度的限制，且推進劑剩余量估算誤差較大，該方法很難實現(xiàn)精確控制。

3)基于準確的剩余量測量（如PGS測量），通過補氣支路對貯箱進行增壓，從而改變氣墊壓力，精確控制混合比。但該方法需增加額外的氣瓶、閥門、高精度傳感器等組件，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。

綜上所述，采取地面壓力控制策略改變貯箱初始壓力最為簡便，在軌溫控策略可作為輔助手段，不建議使用在軌補氣策略。

表4　貯箱溫控效果Tab.4　Effect of tank temperature control

2.2大落壓比高性能雙組元發(fā)動機技術(shù)

由于雙組元落壓推進系統(tǒng)在較寬的壓力范圍內(nèi)工作，因此發(fā)動機的工況適應(yīng)性和工作性能顯得尤為重要。

2.2.1落壓工況適應(yīng)性

落壓工況適應(yīng)性指發(fā)動機在系統(tǒng)落壓范圍內(nèi)、不同混合比下工作的能力。從發(fā)動機設(shè)計裕度來看，發(fā)動機具有一定的偏工況工作能力，但由于發(fā)動機入口壓力和混合比變化范圍大，可能在高工況時因溫度過高，材料耐熱裕度不足導(dǎo)致可靠性下降。在低工況時頭部流阻偏低，可能會與供給系統(tǒng)產(chǎn)生低頻共振，此外低流阻引起的霧化程度不足也可能導(dǎo)致推力輸出不穩(wěn)定。這些均需要通過地面試車來研究解決。

研究落壓工況適應(yīng)性還需考慮氦氣溶解對發(fā)動機工作的影響。溶解氦氣的推進劑在進入低壓區(qū)（如節(jié)流）或低溫區(qū)域時會析出氦氣并匯集成氣泡，有可能出現(xiàn)氣蝕或發(fā)動機振蕩燃燒。從國外應(yīng)用情況來看，發(fā)動機未出現(xiàn)異常點火情況。此外，1964年美國R-4D發(fā)動機采用氦氣飽和的NTO/MMH推進劑試車的結(jié)果也表明，溶解氦氣對發(fā)動機工作沒有影響。

2.2.2落壓工況性能

發(fā)動機落壓工況性能主要包括推力、比沖和溫度。在額定混合比下，發(fā)動機推力、比沖、溫度均隨系統(tǒng)工作壓力降低而降低。

平均比沖反映了雙組元落壓推進系統(tǒng)的綜合比沖效能，其定義為累積沖量與推進劑消耗量的比值。

一般來說，由于發(fā)動機工作壓力的限制，系統(tǒng)落壓比不會很大，因此，發(fā)動機的平均比沖不會出現(xiàn)大幅降低。

提高平均比沖的途徑主要有兩方面，一是改進發(fā)動機的設(shè)計，提高發(fā)動機的額定比沖。二是提高系統(tǒng)初始工作壓力，這對系統(tǒng)組件的承壓能力和發(fā)動機的高工況適應(yīng)性提出了更高的要求。

3　結(jié)束語

雙組元落壓推進系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、較高比沖等特點，在高軌衛(wèi)星具有較好的應(yīng)用前景。雙組元落壓推進系統(tǒng)需解決混合比控制和大落壓比高性能雙組元發(fā)動機兩大關(guān)鍵技術(shù)。為此，需開展氦氣溶解特性、混合比控制、發(fā)動機偏工況試車等地面試驗研究，為其工程應(yīng)用提供堅實的技術(shù)支撐。

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（編輯：陳紅霞）

Application status and key technology of bipropellant blowdown propulsion systems

YANG Jun,HE Yongying,LIAN Renzhi,YANG Fushu
（Shanghai Institute of Space Propulsion,Shanghai 201112,China）

Application status and technology characteristics of the bipropellant blowdown propulsion systems at home and abroad are summarized in this paper.Two key technologies of mixture ratio control of the bipropellant blowdown propulsion systems and high performance bipropellant engine with large blowdown ratio are analyzed in combination with the development status of the satellite propulsion systems in China.The demand for the ground test and investigation of helium absorption characteristics,mixture ratio change and thrust firing under extreme condition is proposed to support the application ofbipropellant blowdown propulsion system.

bipropellant;application status;blowdown propulsion system

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0021-05

2015-10-10；

2016-04-13

楊?。?983—），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域為衛(wèi)星推進系統(tǒng)