空間多次啟動、長期在軌泵壓式動力系統(tǒng)方案研究

劉 暢, 劉 欣，肖立明, 東華鵬，顧偉軍

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

空間多次啟動、長期在軌泵壓式動力系統(tǒng)方案研究

劉 暢, 劉 欣，肖立明, 東華鵬，顧偉軍

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

通過對國內(nèi)外上面級動力系統(tǒng)技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進行分析，提出開展上面級提高啟動次數(shù)、延長在軌時間研制需求。采用液體推進劑啟動箱啟動的泵壓式主發(fā)動機方案，可實現(xiàn)泵壓式發(fā)動機空間多次啟動；采用啟動籃方案，可實現(xiàn)長時間滑行多次啟動推進劑管理。研究結(jié)果表明：多次啟動、長期在軌泵壓式動力系統(tǒng)使上面級的性能和任務適應性得到全面提升。

液體推進劑；動力系統(tǒng)；多次啟動；長期在軌；泵壓

0 引 言

上面級作為航天運輸系統(tǒng)的重要組成部分，由基礎級運載器發(fā)射進入準地球軌道或地球軌道，能夠?qū)⒂行лd荷從準地球軌道或地球軌道送入預定工作軌道或預定空間位置的具有自主獨立性的飛行器，具有多次啟動、長期在軌、自主飛行等特點，能夠完成軌道轉(zhuǎn)移、空間部署等任務，是提高運載火箭任務適應性的有效途徑。

多次啟動、長期在軌是上面級的主要技術特點。美國的半人馬座上面級、歐空局阿里安-5的常溫和低溫上面級、俄羅斯的質(zhì)子號D級、微風上面級、Fregrat上面級等均具備多次啟動能力。主動力啟動次數(shù)小于2次、在軌工作時間不超過數(shù)小時的上面級是無法滿足多星軌道部署、深空探測等拓展任務要求的。上面級具備多次啟動、長時間在軌能力后，其任務適應性將大大提升，特別是上面級的動力系統(tǒng)，突破空間高性能泵壓式多次啟動技術、并聯(lián)貯箱均衡輸送技術、多次啟動推進劑管理等關鍵技術后，將進一步拓展上面級的應用領域。

1 動力系統(tǒng)優(yōu)勢分析

1.1 動力系統(tǒng)的分類

液體動力系統(tǒng)根據(jù)推進劑供應方式的不同可分為泵壓式動力系統(tǒng)和擠壓式動力系統(tǒng)。泵壓式動力系統(tǒng)通過渦輪泵向發(fā)動機推力室輸送推進劑，貯箱壓力低；擠壓式動力系統(tǒng)直接利用貯箱壓力將推進劑擠壓到發(fā)動機推力室，沒有渦輪泵，貯箱壓力高。

1.2 動力系統(tǒng)優(yōu)勢分析

擠壓系統(tǒng)和泵壓系統(tǒng)各有優(yōu)、缺點，在選擇供應系統(tǒng)時，應在滿足航天器對發(fā)動機要求的前提下，盡量發(fā)揮其優(yōu)點。擠壓式動力系統(tǒng)和泵壓式動力系統(tǒng)的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 擠壓式與泵壓式系統(tǒng)比較

由表1可知，對于小推力、工作時間短的任務宜采用擠壓式動力系統(tǒng)，對于推力大、工作時間長的任務，由于擠壓式動力系統(tǒng)的結(jié)構質(zhì)量大，因此采用泵壓式動力系統(tǒng)可顯著減輕系統(tǒng)結(jié)構質(zhì)量，提高運載能力。

2 泵壓式動力系統(tǒng)關鍵技術

2.1 主發(fā)動機多次啟動技術

對于啟動次數(shù)少于 2次的泵壓式動力系統(tǒng)，可采用火藥啟動器啟動方案；啟動次數(shù)若達到 2次以上，多個火藥啟動器布局難度大，其應用受到限制。泵壓式動力系統(tǒng)實現(xiàn)空間多次啟動，可采用液體推進劑啟動箱方案。

圖1為采用液體推進劑啟動箱方案的泵壓式多次啟動發(fā)動機系統(tǒng)工作原理。

由圖1可知，發(fā)動機主要由燃燒室、氧化劑泵、燃料泵、渦輪、燃氣發(fā)生器、氧化劑啟動箱、燃料啟動箱、閥門等組成。啟動箱內(nèi)部設置隔膜，將擠壓氣體和液體推進劑分開。在發(fā)射前，通過地面設備分別向氧化劑和燃料啟動箱內(nèi)加注氧化劑、燃料，同時向啟動箱充擠壓氣體，啟動箱也可待飛行中上面級與基礎級分離后、發(fā)動機點火前靠貯箱壓力在軌充填推進劑。

飛行過程中，接到啟動指令后，按照一定的時序，將氧化劑、燃料副閥和主閥分別打開，啟動箱中的推進劑擠入燃氣發(fā)生器，燃氣發(fā)生器點火后產(chǎn)生高溫、高壓燃氣驅(qū)動渦輪并帶動泵工作，同時推進劑進入推力室中燃燒并產(chǎn)生推力。當兩泵出口壓力上升，泵后壓力大于啟動箱壓力時，副系統(tǒng)路單向閥打開，泵后推進劑一部分進入燃氣發(fā)生器，繼續(xù)驅(qū)動渦輪做功，另一部分克服啟動箱氣體壓力，充填啟動箱，當發(fā)動機到達額定工況，兩啟動箱充填滿。啟動箱內(nèi)推進劑再次充滿后，可以用于發(fā)動機的下一次啟動工作。

泵壓式動力系統(tǒng)多次啟動發(fā)動機需突破的關鍵技術如下：

a）密封技術。長時間工作和多次啟動對發(fā)動機的密封性提出更高的要求?？臻g環(huán)境的高真空將帶來材料的疲勞、摩擦、蠕變性能的變化，降低組件完成其功能的能力；此外，長時間工作和長任務周期，需要考慮推進劑與材料的相容性問題。在組件的設計過程中，要充分考慮這些因素的影響。如在推力室設計中，需要研究噴管延伸段材料在真空環(huán)境下的熱輻射傳熱性能；在泵設計中，需要考慮失重對泵的影響。

b）熱控技術。影響上面級發(fā)動機熱環(huán)境的主要因素有外界輻射（主要是太陽直接輻射）、發(fā)動機本身熱輻射（發(fā)生器、渦輪等高溫組件熱輻射）情況下的高溫問題，以及沒有熱輻射情況下發(fā)動機向空間散熱的低溫問題。根據(jù)發(fā)動機工作特性確定發(fā)動機結(jié)構熱環(huán)境控溫目標時應充分考慮渦輪泵熱反浸的影響，渦輪泵在每次啟動工作結(jié)束后，渦輪的余熱通過軸和殼體向泵進行熱傳導和輻射（簡稱“熱反浸”），使泵入口溫度上升，引起泵流道內(nèi)推進劑（尤其是氧化劑）汽化，影響渦輪泵的再次啟動，嚴重時可導致再次啟動失敗。因此，應根據(jù)啟動間隔采取相應控制措施，控制熱泵啟動風險。此外，還需考慮推力室真空低溫啟動熱控技術，控制長期在軌滑行過程中推力室推進劑流通通道最低溫度，確保推進劑可靠正常充填溫度條件。

c）系統(tǒng)方案優(yōu)化技術。對于上面級發(fā)動機，發(fā)動機的性能、結(jié)構質(zhì)量、結(jié)構尺寸都將直接影響到有效載荷質(zhì)量，因此在設計中應盡量提高性能，減小結(jié)構質(zhì)量和結(jié)構尺寸，進行系統(tǒng)方案優(yōu)化，合理安排總體布局。2.2 推進劑均衡輸送技術

受整流罩空間限制，上面級多采用同種推進劑并聯(lián)貯箱的構型方案。與單個貯箱相比，并聯(lián)貯箱方案需要考慮雙箱不均衡排放問題，否則雙箱排放不均衡，導致貯箱液位不一致，引起上面級質(zhì)心偏移，若一個貯箱提前耗盡，將導致發(fā)動機進氣，影響動力系統(tǒng)正常工作。

為抑制飛行過程中同種推進劑并聯(lián)貯箱輸送系統(tǒng)推進劑的不均衡輸送，可在同種推進劑并聯(lián)貯箱之間增加連通管路，將貯箱連通，通過過載使液面平衡，也可在系統(tǒng)流阻較小的分支輸送管路中布置阻力元件，通過計算和地面精確匹配試驗篩選出合適的限流組件，增加流阻較小的分支系統(tǒng)局部阻力，實現(xiàn)并聯(lián)兩分支系統(tǒng)的流阻接近。采用精確匹配分支流阻的方法可簡化管路系統(tǒng)，減輕系統(tǒng)質(zhì)量。

地面精確匹配試驗一般采用試驗工質(zhì)（如去離子水），試驗完成后再換算為推進劑狀態(tài)。輸送管流阻換算根據(jù)雷諾數(shù)相等的準則，在雷諾數(shù)相同情況下，將去離子水狀態(tài)下的流阻換算為推進劑狀態(tài)下的流阻。

2.3 推進劑管理技術

長時間在軌上面級在軌工作期間，需經(jīng)歷較長時間的在軌滑行和主發(fā)動機多次啟動。在空間微重力條件下，為了保證發(fā)動機正常啟動，需要對推進劑進行管理，確保主發(fā)動機啟動時為其提供不夾氣的推進劑。

可充填式啟動籃可用于需要多次啟動的系統(tǒng)。具有如下特點，a）體積小、結(jié)構質(zhì)量輕；b）可實現(xiàn)模塊化設計和裝配；c）具有較強的任務適應性；d）相比較于海綿管理裝置，可充填式啟動籃可以在地面進行充填試驗。

以中國某型上面級為例，貯箱內(nèi)采用啟動籃管理裝置，通過啟動籃可實現(xiàn)主機多次啟動前推進劑的蓄留管理。采用啟動籃后，可以取消推進劑沉底系統(tǒng)，簡化動力系統(tǒng)工作時序，節(jié)約沉底用量。啟動籃為封閉結(jié)構，利用表面張力保持和提供一定量推進劑，并且啟動籃可再充填。與海綿表面張力管理裝置不同，啟動籃在零加速度下不能再充填，且必須使用多孔元件，如篩網(wǎng)或多孔板來保持推進劑?？稍俪涮畹膯踊@如圖2所示。

啟動籃基本工作原理為：發(fā)動機完成一次工作后，啟動籃內(nèi)部為推進劑充填滿狀態(tài)。這時，如果存在側(cè)向或者反向加速度，貯箱內(nèi)的推進劑可能沉積在遠離貯箱出口的位置，而啟動籃內(nèi)部的推進劑由于啟動籃內(nèi)部篩網(wǎng)的表面張力作用，被約束在啟動籃內(nèi)部。啟動籃內(nèi)部蓄留的推進劑可以滿足發(fā)動機再次啟動要求，發(fā)動機啟動后，產(chǎn)生沉底加速度，沉積在貯箱上壁的推進劑沉積下來，對啟動籃再次充填。啟動籃充填滿后，準備下一次啟動。通過上述啟動籃的蓄留作用，提供主機自身啟動期間所需的液體推進劑，而不需要姿控發(fā)動機工作進行推進劑沉底，從而節(jié)省沉底消耗量。

啟動籃需要有足夠的容積才能保證發(fā)動機啟動期間推進劑正常供應，啟動籃容積主要取決于貯箱內(nèi)推進劑沉底時間與發(fā)動機的流量。由于各次啟動中，隨著推進劑消耗，上面級總質(zhì)量逐漸減小，加速度逐漸增大，因此主發(fā)動機工作時，使上面級產(chǎn)生的最小加速度為

式中 F為主發(fā)動機推力；M0為上面級首次點火前總質(zhì)量。

貯箱內(nèi)推進劑沉底時間為

式中 n為無量綱沉底時間特征系數(shù)，一般取 10；H為貯箱理論高度。

沉底時間內(nèi)將消耗啟動籃內(nèi)部的推進劑，以氧化劑為例，消耗的氧化劑質(zhì)量為

式中om˙為主發(fā)動機氧化劑流量。氧化劑啟動籃設計容積為

式中oρ為氧化劑密度；f為安全系數(shù)；n1為氧化劑貯箱數(shù)量。

3 系統(tǒng)應用實例

多次啟動、長期在軌泵壓式動力系統(tǒng)方案已應用于某型上面級，該上面級動力系統(tǒng)采用泵壓式方案，具備空間20次以上啟動能力，在軌時間不低于2天。推進劑采用常規(guī)推進劑偏二甲肼/四氧化二氮，主發(fā)動機為泵壓式雙組元發(fā)動機，循環(huán)方式為燃氣發(fā)生器循環(huán)，采用液體啟動箱啟動方案實現(xiàn)空間多次啟動。貯箱增壓采用氣瓶貯氣常溫氦氣增壓方案，輸送系統(tǒng)為同種推進劑并聯(lián)貯箱輸送模式，通過地面試驗使分支流阻差在設計要求范圍內(nèi)。推進劑管理采用可再充填式啟動籃方案。

上面級飛行試驗結(jié)果證明，主發(fā)動機按預定設計完成了9次點火，表2為主發(fā)動機各次點火和滑行時間，各次點火過程中主發(fā)動機啟動箱排放、充填正常，發(fā)動機參數(shù)協(xié)調(diào)、匹配。貯箱壓力及發(fā)動機入口壓力滿足設計要求，并聯(lián)貯箱由于在地面通過了分支輸送管路流阻匹配，飛行過程中貯箱均衡輸送過程正常，未出現(xiàn)一個貯箱提前耗盡的現(xiàn)象。啟動籃在各次啟動過程中實現(xiàn)了正常排液和充填，保證了不夾氣的推進劑供應，滿足多次啟動推進劑管理要求。

表2 主發(fā)動機各次點火、滑行時間

根據(jù)飛行試驗結(jié)果，多次啟動、長期在軌泵壓式動力系統(tǒng)中，發(fā)動機、推進劑輸送、推進劑管理等各分系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)、匹配，為上面級提供所需的沖量，方案合理可行。

4 結(jié) 論

本文通過對國內(nèi)外上面級動力系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行總結(jié)分析，國外較先進的上面級的特征是具備主發(fā)動機多次啟動、長期在軌工作的能力。以中國某型上面級動力系統(tǒng)為例，開展了多次啟動泵壓式動力系統(tǒng)方案研究。系統(tǒng)采用液體推進劑啟動箱實現(xiàn)泵壓式發(fā)動機空間多次啟動，采用啟動籃實現(xiàn)多次啟動推進劑管理，通過地面分支輸送管路流阻匹配，實現(xiàn)并聯(lián)貯箱均衡輸送。采用上述動力系統(tǒng)方案，獲得高性能的同時，實現(xiàn)泵壓式動力系統(tǒng)多次啟動、長期在軌工作。

空間多次啟動、長期在軌泵壓式動力系統(tǒng)的成功研制，使中國上面級動力系統(tǒng)達到國際主流液體上面級的先進水平，使上面級的性能和任務適應性得到全面提升。

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平流層空射系統(tǒng)研制取得階段性進展

9月 19日平流層空射系統(tǒng)公司宣布，在莫哈維航空航天港成功地在一架巨型飛機上進行 6臺渦扇噴氣式發(fā)動機的第 1輪試驗。該巨型飛機是該公司空射運載火箭系統(tǒng)的載機，此次試驗標志著該公司在平流層空射系統(tǒng)研制中取得了里程碑式的進展。

本輪試驗分為3步：a）不加注燃料，采用輔助動力裝置給發(fā)動機供電；b）加注燃料，驗證相關操作性能和貯箱密封性能；c）測試發(fā)動機，每次啟動一臺發(fā)動機，驗證其空轉(zhuǎn)性能。試驗中，每臺發(fā)動機工作正常，性能均達到預期要求。參與試驗的發(fā)動機來自于兩架波音 747飛機，由普?惠公司研制，型號為PW4056，單臺發(fā)動機可產(chǎn)生257 kN的推力。

除發(fā)動機試車，該公司還對控制、電氣、氣動和火警系統(tǒng)進行了性能測試。該公司還表示，在接下來的幾個月內(nèi)，將繼續(xù)對載機的發(fā)動機進行更高功率等級的試車，并對結(jié)構進行一些適應性改變，最后進行滑行試驗。

平流層空射系統(tǒng)使用的載機為雙機身巨型飛機，其翼展超過117 m，結(jié)構質(zhì)量為226.8 t。作為發(fā)射平臺，該載機可搭載質(zhì)量為250 t的運載火箭系統(tǒng)。按計劃，在載機投入使用后，首先將用于搭載軌道ATK公司的飛馬座XL運載火箭（一次可搭載3枚火箭）。

Research on the Propulsion System of Multiple Ignitions and Long Duration in Orbit

Liu Chang, Liu Xin, Xiao Li-ming, Dong Hua-peng, Gu Wei-jun
(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)

The technique situation and development tendency of upper stage propulsion system developed at home and aboard is analyzed. The multiple ignitions and long duration in orbit is required. A liquid propellant start box for turbo-pump engine is adopted to achieve multiple ignitions. A start basket propellant management device is adopted to realize propellant management in long duration of orbit. Due to these measures, the performance and flexibility of the upper stage are improved.

Liquid propellant; Propulsion system; Multiple ignition; Long duration; Turbo-pump

V43

A

1004-7182(2017)05-0041-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170510

2016-10-13；

2017-08-30

劉 暢（1980-），男，高級工程師，主要研究方向為上面級動力系統(tǒng)

（張綠云 陳允宗 摘譯自http://spacenews.com/engine-test-latest-step-for-stratolaunchs-giant-aircraft[2017-09-19]）