HAN基無毒單組元發(fā)動機熱控研究

劉海娃，胡承云，葉 勝

(1.上海空間推進研究所，上海 201112； 2.上?？臻g發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

近年來國內(nèi)外大量研究人員對無毒單組元發(fā)動機進行了研究[1-8]。2012年8月，NASA啟動了“綠色推進劑融合任務(wù)”(GPIM)。采用Ball公司的BCP-100標(biāo)準(zhǔn)航天器平臺，應(yīng)用由空軍實驗室(AFRL)研制的AF-M315E綠色推進劑，它比傳統(tǒng)的肼推進劑效率提高50%，對環(huán)境無污染[9-13]。2019年6月，美國空軍利用SPACEX公司的“獵鷹”重型火箭發(fā)射STP-2任務(wù)，GPIM作為其中的一顆衛(wèi)星成功進入預(yù)定軌道和正常工作，取得了該任務(wù)的成功。而基于綠色推進劑的優(yōu)點以及其應(yīng)用的良好發(fā)展前景，上?？臻g推進研究所研制了一種HAN基無毒單組元發(fā)動機，采用了一種新型熱控措施，可以滿足發(fā)動機點火前身部高溫要求。2019年初，該發(fā)動機搭載某顆衛(wèi)星成功入軌后，實現(xiàn)了國內(nèi)首次在軌成功應(yīng)用。

由于HAN基單組元推進劑[14-15]的催化反應(yīng)速率較肼類單組元推進劑低1～2量級[1]，與傳統(tǒng)單組元發(fā)動機相比，HAN基單組元發(fā)動機在點火前催化床溫度要求更高，因此，需要采用合理高效的熱控措施保證身部在一定的高溫水平上。傳統(tǒng)的單組元發(fā)動機熱控措施是加熱器圓柱形加熱段安裝在身部的安裝槽中，外部安裝1個隔熱套筒，這種方案的缺點為需要在發(fā)動機身部增加一些結(jié)構(gòu)來固定熱控組件，這樣增大了整個身部的外包絡(luò)尺寸，同時增加了加熱器到發(fā)動機身部的導(dǎo)熱路徑。因此，存在著結(jié)構(gòu)尺寸大和熱效率相對較低的問題，而無法滿足點火前身部溫度較高的需求。因此，為解決該問題，本文以一種HAN基無毒單組元發(fā)動機為研究對象，制定一種新型熱控方案，并采用I-DEAS有限元分析軟件以及TMG模塊對其進行熱仿真計算，并開展真空熱試驗，驗證有限元模型的合理性，最后確定熱控方案，用于工程應(yīng)用。

1 熱控設(shè)計關(guān)鍵難點分析

1.1 某HAN基無毒單組元發(fā)動機結(jié)構(gòu)

該HAN基無毒單組元發(fā)動機由身部、噴注器、支架、集合器和電磁閥組成，由各零件間焊接或螺接而成。圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。其中身部分為兩個區(qū)域，靠近支架方向的一段圓柱體稱為身部前床(內(nèi)部裝有催化劑)，身部其余部分稱為身部后床；支架采用鏤空結(jié)構(gòu)；電磁閥和集合器之間采用低導(dǎo)熱率的螺釘連接，其余零件間均為焊接。

圖1 HAN基無毒單組元發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖

1.2 熱控條件和要求

1)根據(jù)發(fā)動機所在航天器安裝面溫度情況，發(fā)動機集合器安裝面溫度在-20～45 ℃范圍內(nèi)；

2)根據(jù)發(fā)動機的材料以及工作特性，需在點火前保證其前床溫度大于200 ℃(其遠高于傳統(tǒng)單組元發(fā)動機大于130 ℃的點火溫度)，電磁閥存在著80 ℃高溫上限和5 ℃低溫下限的工作使用要求。

1.3 發(fā)動機結(jié)構(gòu)特點和熱控設(shè)計難點

根據(jù)該發(fā)動機結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)熱設(shè)計，難點如下。

1.3.1 發(fā)動機尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊

該HAN基單組元發(fā)動機總長為120 mm(見圖1)，為微型發(fā)動機。如采用傳統(tǒng)的隔熱套筒安裝在加熱器外部的熱控方式(見圖2)，其套筒表面積較大，輻射散熱量較高，并且需在發(fā)動機上增加溫控環(huán)結(jié)構(gòu)來安裝固定隔熱套筒，損耗了加熱器熱量。因此不適應(yīng)該加溫溫度要求高的發(fā)動機。熱控難點在于必須采用加熱性能更高的加熱器以及更高效的隔熱方式(采用輻射率低、表面積小的隔熱材料和可安裝的方式)。

圖2 傳統(tǒng)的單組元發(fā)動機熱控方案圖

鎧裝加熱絲直接安裝在發(fā)動機身部表面，這個設(shè)計的優(yōu)點在于發(fā)動機身部無需加工溫控環(huán)以及加熱器安裝槽，簡化了發(fā)動機身部結(jié)構(gòu)。之后在加熱絲表面直接覆蓋不銹鋼箔，減小了熱控組件的外包絡(luò)尺寸，如圖3所示。另外，經(jīng)過分析，選取鎧裝加熱絲作加熱器，在給定的電阻值下，考慮發(fā)動機身部結(jié)構(gòu)尺寸較小，其內(nèi)部加熱絲長度較短，導(dǎo)致加熱絲電阻密度非常高，為加熱器研制帶來一定的困難。

圖3 HAN基無毒單組元發(fā)動機熱控方案圖

1.3.2 噴注器溫度不宜過高

根據(jù)以往發(fā)動機試車情況，發(fā)動機點火后，噴注器溫度過高，導(dǎo)致該位置內(nèi)部的推進劑在高溫下爆燃，之后毛細管破裂，使得發(fā)動機無法工作。而為保證發(fā)動機點火前的溫度，在加熱器表面應(yīng)盡量多覆蓋隔熱材料。為避免噴注器溫度過高，該位置不可采用任何隔熱措施。因此，熱控設(shè)計的難點在于要兼顧高溫和低溫工況不同的需求，最終得到一個可行的熱控方案。

1.3.3 電磁閥耐受溫度有限，身部加熱功率不宜過高

由于電磁閥在軌工作無法耐受80 ℃以上的溫度，因此，應(yīng)考慮發(fā)動機身部加溫后熱傳導(dǎo)對電磁閥的加熱效果，不可超出電磁閥的上限溫度，通過理論、熱分析和試驗來得到合適的身部加熱功率。

2 熱控方案

2.1 導(dǎo)熱路徑以及對策

有研究表明：用內(nèi)加熱棒從催化床內(nèi)部直接對催化劑進行加熱，以減小熱損失并縮短加熱時間[16]。但該HAN基發(fā)動機結(jié)構(gòu)尺寸較小，催化床內(nèi)腔無足夠空間安裝內(nèi)置式加熱器。借鑒傳統(tǒng)的單組元發(fā)動機熱控方式[17-19]，并進行改進，催化床外表面不增加安裝槽而直接安裝加熱器，這種主動熱控方式對該發(fā)動機更為合適。

根據(jù)該發(fā)動機結(jié)構(gòu)，其傳熱過程分為熱傳導(dǎo)和熱輻射量兩部分。從熱傳導(dǎo)方面考慮：噴注器架為鏤空結(jié)構(gòu)，起增加傳導(dǎo)熱阻的作用；另一方面，加熱器所在發(fā)動機身部表面溫度是最高的，而催化劑位于身部前床的某個部位，因此針對該部位集中加熱，提高加熱效率。從熱輻射方面考慮：需在加熱器表面覆蓋耐高溫輻射率小的金屬箔，并且在發(fā)動機身部徑向和長度兩個方向上控制金屬箔表面積，使其外包絡(luò)尺寸盡量小，減少輻射散熱量，因此，將不銹鋼箔直接覆蓋在加熱器表面[20]并且只覆蓋前床部位。

2.2 熱控方案

根據(jù)分析，發(fā)動機采取如下熱控措施：①在發(fā)動機身部前床靠近后床位置安裝具有可高效加熱的鎧裝加熱絲組件作為加熱源；②在鎧裝加熱絲外，前床外表面固定三層不銹鋼箔；電磁閥表面覆蓋五單元多層隔熱材料；③發(fā)動機支架表面安裝溫度傳感器，間接反映鎧裝加熱絲組件工作前后的發(fā)動機身部特別是前床表面的溫度，當(dāng)其溫度為195 ℃以上時，可認為發(fā)動機前床溫度高于200 ℃，具備點火條件，工作后監(jiān)測實時溫度。另外，在電磁閥表面安裝溫度傳感器監(jiān)測電磁閥溫度。

3 電加熱器分析和研制

用于發(fā)動機身部的加熱器是熱控措施中最為關(guān)鍵的器件，而該發(fā)動機身部尺寸較小，外徑僅為15 mm，身部加熱部位長度約為20 mm，如前文所述是熱控設(shè)計中的難點。

加熱器的方案有兩種：①借鑒傳統(tǒng)加熱方法，即在發(fā)動機身部需加熱的位置加工加熱器安裝槽，而后將鎧殼式電加熱器的加熱段安裝在槽中，引出段固定在發(fā)動機法蘭盤安裝槽內(nèi)；②在發(fā)動機身部安裝鎧裝加熱絲，其引出段同樣固定在發(fā)動機法蘭盤安裝槽內(nèi)。

第一種加熱器方案的優(yōu)點在于應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)比較成熟，而且該類產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用于很多在軌航天器上；其缺點為需在發(fā)動機身部增加加熱器安裝槽，鎧裝加熱器安裝后，身部外包絡(luò)尺寸最少增加15 mm，導(dǎo)致加熱器工作后熱量傳導(dǎo)到身部增加了導(dǎo)熱路徑(安裝槽)，身部的散熱面積增大，輻射散熱量也隨之增大，結(jié)合導(dǎo)熱和輻射兩個方面熱量損耗考慮，加熱效率明顯下降，考慮到該發(fā)動機的啟動前催化床溫度要求較高，該種方案并不適用。

第二種加熱器方案，采用鎧裝加熱絲安裝在10 mm長的身部加熱限定部位，其內(nèi)部加熱芯絲的電阻密度相比常規(guī)加熱器需要提高5倍，研制難度大；另外，由于鎧裝加熱絲與發(fā)動機身部部位貼合程度對熱效率影響很大，采用傳統(tǒng)的安裝方法將其纏繞在身部，而后用金屬箔將其點焊固定，但點焊在身部的金屬箔數(shù)量有限，會出現(xiàn)相當(dāng)一部分加熱絲與身部無法貼合好，導(dǎo)致接觸熱阻增大。針對以上問題，在材料和工藝方面進行了大量的研究和試驗，研制了高阻值密度的加熱絲，另外為增加加熱絲與身部接觸面積，減少人為操作安裝因素對接觸面積的影響，根據(jù)發(fā)動機身部外徑尺寸將鎧裝加熱絲加熱段預(yù)制成螺旋形狀，可直接安裝至發(fā)動機身部，這樣大大提高了加熱器和加熱表面之間的配合度，進而提高加熱效率。

4 發(fā)動機熱分析

4.1 幾何模型

由于發(fā)動機安裝在特定的環(huán)境和空間中，不同環(huán)境和安裝特點均會影響其溫度分布情況，該發(fā)動機在某航天器上的安裝方式為集合器直接與航天器蒙皮通過螺釘機械連接。因此，將所有影響發(fā)動機溫度場的部件均建立在幾何模型中，按照實際尺寸在I-DEAS的Master Modeler里為其建立三維幾何模型，包括電磁閥、集合器、支架、噴注器、身部、不銹鋼箔和航天器蒙皮。各結(jié)構(gòu)件和部件結(jié)構(gòu)并不規(guī)則，而軟件只能解決有限數(shù)量的規(guī)則幾何形面的角系數(shù)，因此必須簡化結(jié)構(gòu)件和部件外形，以便完成有限元模型中節(jié)點間幾何角系數(shù)計算[21]。簡化如下：忽略螺紋孔、倒角和螺釘；電磁閥近似為一個圓柱體，衛(wèi)星蒙皮取一個矩形薄壁長方塊，在熱模型中當(dāng)作一個恒溫?zé)岢量创?。將以上?nèi)容反映到模型中，如圖4所示。

圖4 HAN基無毒發(fā)動機幾何模型圖

4.2 網(wǎng)格化、熱耦合及邊界條件

網(wǎng)格化：將各組件劃分網(wǎng)格，分別賦予組件各自材料的熱物理性質(zhì)。為保證熱分析仿真計算的準(zhǔn)確性，對于發(fā)動機身部的導(dǎo)熱系數(shù)λ，采用隨溫度而變化的值[22]。各組件劃分為直線型四面體單元，由于發(fā)動機各組件的結(jié)構(gòu)形狀相差較大，為保證仿真計算的準(zhǔn)確性和模擬精度，每個組件均有不同大小的體單元，表面覆蓋零厚度的直線型三角殼單元。

熱耦合：集合器與電磁閥、推力器與衛(wèi)星安裝面之間的螺釘連接采用熱阻形式的熱耦合，其余組件與組件之間焊接連接，而各組件表面的殼單元之間以及與空間熱沉互相進行熱輻射耦合。

熱邊界條件：①由于該發(fā)動機隨某航天器在軌運行，受到宇宙空間深冷環(huán)境低溫巨大影響，因此，將宇宙熱沉條件設(shè)定在模型中，溫度為-269 ℃；②由于熱設(shè)計首先要滿足催化床溫度大于200 ℃的要求，如在安裝面的溫度最低時可滿足，其他更高的安裝面溫度下一定也能滿足，因此，安裝面邊界設(shè)定為-20 ℃，即低溫工況(當(dāng)安裝面溫度45 ℃時稱為高溫工況，待后文通過試驗來考核)；③鎧裝加熱絲組件安裝在催化床表面靠近后床位置，其加熱功率按照實際功率8 W來設(shè)定；④初始溫度：電磁閥為-17 ℃，其余部位均為-24 ℃。

根據(jù)以上情況，計算了從開始加熱到溫度平衡即5 400 s過程中的瞬態(tài)溫度場。

4.3 熱分析結(jié)果

依此進行瞬態(tài)溫度計算。溫度云圖以及前床溫度點升溫曲線如圖5和圖6所示。

圖5 發(fā)動機加熱器工作后溫度平衡后云圖(加熱功率為8 W)

圖6 發(fā)動機前床表面距離噴注器板11 mm位置溫度升溫曲線

從圖5和圖6可知，發(fā)動機各組件溫度在加熱器工作后溫度逐漸上升，到5 400 s時達到平衡，身部前床為216～238 ℃，整個身部為212～238 ℃，噴注器為207～213 ℃，支架為29.6～207 ℃，集合器為19.1～29.6 ℃，電磁閥溫度為22.2～24.6 ℃。發(fā)動機加熱器所在的身部前床位置溫度最高，其他位置的溫度根據(jù)距離身部前床從近到遠呈逐漸降低的趨勢。距離噴注器板11 mm位置正處于前床加熱器安裝的中間位置，其平衡溫度最高，為238 ℃。

5 熱控設(shè)計試驗驗證

5.1 溫度測點布置

為驗證熱控設(shè)計方案是否合理可行，對一臺HAN基發(fā)動機按照熱控方案進行熱控包覆，之后進行真空熱試驗。試驗中在發(fā)動機上共布置了4個K型熱電偶用于溫度采集，以便全面了解發(fā)動機各位置溫度。溫度測點布置情況如圖7所示。

圖7 真空試驗溫度測點位置圖

5.2 試驗件和試驗臺狀態(tài)

將加熱器等熱控組件以及溫度測點安裝在一臺HAN基發(fā)動機上，實際應(yīng)用中將發(fā)動機集合器通過螺栓固定在機架上，為模擬該種情況，試驗中將發(fā)動機的集合器通過螺栓將其固定在真空罐內(nèi)的一塊鋁合金大平板上。之后將加熱回路以及熱電偶的引出導(dǎo)線連在真空罐內(nèi)的轉(zhuǎn)接電纜上，該電纜通過真空罐轉(zhuǎn)接板以及外部的電纜連接至采集和電源設(shè)備上，從而實現(xiàn)對加熱器的供電以及溫度采集工作。發(fā)動機在試驗臺上的狀態(tài)如圖8所示。

圖8 發(fā)動機試驗狀態(tài)圖

5.3 試驗結(jié)果分析

按照安裝面溫度-20 ℃和45 ℃ 2種狀態(tài)進行真空熱試驗，對應(yīng)的工況分別稱為低溫工況和高溫工況。根據(jù)上文對低溫工況的熱分析，將試驗結(jié)果和仿真結(jié)果對比，驗證有限元模型的合理性，得出該工況下熱控措施的有效性；利用高溫工況的真空熱試驗來驗證各組件溫度特別是電磁閥溫度滿足指標(biāo)情況。

5.3.1 低溫工況試驗以及驗證

5.3.1.1 試驗結(jié)果

按照工況條件進行試驗環(huán)境等設(shè)置，得到了相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。升溫情況如圖9所示。

圖9 HAN基發(fā)動機真空試驗升溫曲線圖(低溫工況)

從圖9可得，加熱器工作開始后，催化床前床以及與之鄰近的支架部位溫度迅速升高，60 min后，前床后、前床前以及支架溫度從-24 ℃分別升高到209、203、200 ℃，而此時由于電磁閥距離高溫催化床位置相對較遠，熱量還未完全傳導(dǎo)過來，溫度為11.6 ℃。之后到試驗結(jié)束前的30 min中，所有溫度曲線上升比較平緩，到試驗結(jié)束已達到了平衡，前床后、前床前、支架和電磁閥溫度分別為221、215、212、28 ℃?？梢姛崃客ㄟ^催化床前床沿發(fā)動機軸線熱傳導(dǎo)至電磁閥處，其溫度依次降低。由于電磁閥在導(dǎo)熱路徑的末端，大傳導(dǎo)熱阻的鏤空支架起到了很好的阻隔熱量作用，滿足電磁閥不高于80 ℃的溫度要求。

5.3.1.2 試驗和熱分析對比

根據(jù)真空試驗中采集的溫度數(shù)據(jù)，提取熱分析中相同位置的平衡溫度數(shù)據(jù)，兩者進行對比，對比情況見圖10～圖13。

圖10 前床后TC1測點試驗驗證圖

圖11 前床前TC2測點試驗驗證圖

圖12 支架TC3測點試驗驗證圖

圖13 電磁閥TC4測點試驗驗證圖

從圖10～圖13可得：

1)每個溫度測點試驗和熱分析溫度變化趨勢是一致的，隨著加熱器的工作，身部以及支架溫度均快速上升，電磁閥由于距離加熱器位置較遠，在試驗最初時間段其溫度受到低溫?zé)岢恋挠绊戄^大，溫度呈下降趨勢，而后當(dāng)加熱器的熱量傳導(dǎo)到此處，溫度才穩(wěn)步上升。發(fā)動機身部附近的溫度測點TC1～TC3在鎧裝加熱絲組件工作后，試驗和熱分析溫度基本一致。

2)前床前TC2、支架TC3、電磁閥TC4和前床后TC1測點位置溫度，整個過程中其熱分析和試驗溫度平均誤差分別為2、3、6、13 ℃，平衡溫度誤差分別為1、4、1、13 ℃，除前床后溫度外其余位置的熱分析和試驗溫度吻合較好。

5.3.1.3 數(shù)值仿真和試驗誤差原因

1)邊界條件誤差。在熱分析中安裝面溫度設(shè)定為-20 ℃，而真空試驗中在鋁板上安裝2個溫度傳感器反饋溫度，通過控制鋁板上加熱器通斷，保證安裝面溫度。由于溫度傳感器有限，有布置測點的位置溫度可以保證設(shè)定值，而其他位置的溫度存在著一定偏差。因此，熱分析和試驗中安裝面溫度不一致是誤差產(chǎn)生的原因之一。

2)試驗狀態(tài)與有限元模型存在差別。從圖8可以看到，試驗件表面被熱電偶導(dǎo)線所遮擋，而有限元模型中沒有將此情況考慮在內(nèi)，發(fā)動機在熱傳導(dǎo)和熱輻射過程中，熱分析和試驗狀態(tài)有所不同，因此會對所得溫度產(chǎn)生一定的影響。

3)簡化模型中套筒結(jié)構(gòu)。熱分析中采用簡化后的模型，在加熱器上方只建立了一個單層套筒。但實際狀態(tài)為三層不銹鋼箔形成一定空隙點焊在催化床上，兩層不銹鋼箔之間存在一定的間隙和直接接觸。在軟件中建立不規(guī)則的不銹鋼箔曲面狀態(tài)有一定難度，并且考慮到無法統(tǒng)計到兩層不銹鋼箔實際的接觸面積，因此將三層不銹鋼箔簡化為一層，導(dǎo)致熱分析和試驗溫度有所不同。

5.3.2 高溫工況試驗

考慮到安裝面溫度達到最高45 ℃時，會對電磁閥產(chǎn)生高溫效應(yīng)，需通過真空熱試驗考核其是否滿足不大于80 ℃的要求。試驗所獲取的各溫度測點溫升情況如圖14所示。

從圖14可得，各溫度點經(jīng)過60 min左右可以達到平衡：

圖14 HAN基發(fā)動機真空試驗升溫曲線圖(高溫工況)

1)最高平衡溫度出現(xiàn)在發(fā)動機身部，前床后、前床前平衡溫度分別為235、228 ℃，滿足將發(fā)動機催化床前床溫度加熱到200 ℃以上的要求。

2)電磁閥溫度平衡溫度為65 ℃，其中電磁閥較身部的平衡溫度低約160 ℃，說明發(fā)動機通過支架鏤空結(jié)構(gòu)配合熱控措施，保證了電磁閥溫度小于80 ℃的使用要求。

6 結(jié)論

1)該HAN基無毒發(fā)動機，通過采用在身部安裝一種新型鎧裝加熱絲組件，外包覆不銹鋼箔的熱控方式，結(jié)合鏤空支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足發(fā)動機點火前其前床大于200 ℃、電磁閥80 ℃和5 ℃的上下限溫度要求。

2)前床前TC2、支架TC3、電磁閥TC4和前床后TC1測點的熱分析和真空熱試驗平衡溫度相比，誤差分別為1、4、1、13 ℃，除前床后溫度外其余位置的熱分析和試驗溫度吻合較好。有限元模型得到了試驗驗證，可以用于其他工況的溫度計算以及預(yù)示等工作。

3)相對于傳統(tǒng)單組元發(fā)動機在發(fā)動機溫控環(huán)上安裝隔熱套筒的隔熱方式，用金屬箔如不銹鋼箔直接點焊在發(fā)動機表面的方式，簡化了隔熱結(jié)構(gòu)，是一種經(jīng)濟可行的被動熱控方法。