490 N發(fā)動(dòng)機(jī)高精度推力矢量保證方法

潘高偉 陳曉杰 陶炯明 江君 胡建梅 靳浩

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

490 N發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)20世紀(jì)90年代初研發(fā)的用于地球同步軌道衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌的發(fā)動(dòng)機(jī)，平均比沖305 s，也是現(xiàn)有各種高軌道衛(wèi)星平臺(tái)通用的主推發(fā)動(dòng)機(jī)[1-4]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)其自身結(jié)構(gòu)在制造裝配及地面調(diào)校不完全精準(zhǔn)，490 N發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量會(huì)發(fā)生偏斜[4]。通過(guò)地面試驗(yàn)可以標(biāo)定出發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量與發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系的偏差。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量并在空間環(huán)境通過(guò)輻射散熱的形式傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架上，導(dǎo)致其發(fā)生變形，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量。另外，在衛(wèi)星研制過(guò)程中，無(wú)法保證衛(wèi)星的橫向質(zhì)心與發(fā)動(dòng)機(jī)初始安裝的推力矢量在同一軸向上，也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量在軌工作的偏差。

地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星通過(guò)運(yùn)載火箭發(fā)射到地球轉(zhuǎn)移軌道(GTO)，并通過(guò)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提供推力轉(zhuǎn)移到GEO。如果490 N發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量通過(guò)衛(wèi)星質(zhì)心，則推力不會(huì)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)形成干擾。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量并不都始終通過(guò)衛(wèi)星質(zhì)心，從而對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)產(chǎn)生干擾[5]，不僅降低發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量效用，還需要其他推力器進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)補(bǔ)償，引起額外的推進(jìn)劑消耗，從而降低衛(wèi)星在軌工作壽命；當(dāng)干擾力矩過(guò)大時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)失控，造成嚴(yán)重的后果。

為了490 N發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量能在衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道上發(fā)揮最大效用，減少衛(wèi)星推進(jìn)劑消耗，本文從490 N發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量的各項(xiàng)因素，重點(diǎn)開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)良好的力學(xué)安裝環(huán)境、低變形支架和地面安裝調(diào)整等系統(tǒng)層面的研究，提出了490 N發(fā)動(dòng)機(jī)高精度推力矢量保證的解決方法并且在風(fēng)云四號(hào)(FY-4)衛(wèi)星工程實(shí)現(xiàn)中得到了充分的驗(yàn)證。

1 推力矢量產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

發(fā)動(dòng)機(jī)是一種熱動(dòng)力裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火工作中核心是兩次能量轉(zhuǎn)化過(guò)程：燃?xì)鉄崮艿漠a(chǎn)生和燃?xì)鉄崮艿饺細(xì)鈩?dòng)能的轉(zhuǎn)化[6]，其工作過(guò)程和能量轉(zhuǎn)化如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程示意圖Fig.1 Engine energy conversion process schematic diagram

發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量就是在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中作用在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外表面作用力的合力；發(fā)動(dòng)機(jī)推力做功是推進(jìn)劑的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)樾l(wèi)星動(dòng)能的一個(gè)過(guò)程。其大小主要取決于兩個(gè)方面：①發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾馁|(zhì)量流速和噴氣速度的乘積，是推力的主要組成部分，占總推力的90%以上；②噴管出口截面處燃?xì)忪o壓強(qiáng)與外界靜壓強(qiáng)不一致產(chǎn)生，大小由兩者的壓強(qiáng)差和出口截面尺寸決定[6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量的方向由多種因素影響，根據(jù)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)品特點(diǎn)和在軌工作的空間環(huán)境，影響發(fā)動(dòng)機(jī)高精度推力矢量的主要因素：①本身的制造裝配偏差；②高溫變形導(dǎo)致安裝偏差；③衛(wèi)星研制工藝實(shí)施導(dǎo)致推力矢量與衛(wèi)星橫向質(zhì)心偏差，如圖2所示。

圖2 影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量的因素Fig.2 Factors affecting engine thrust vector

2 490 N發(fā)動(dòng)機(jī)高精度推力矢量保證方法

針對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量的各項(xiàng)因素，綜合考慮490 N發(fā)動(dòng)機(jī)在軌使用環(huán)境和衛(wèi)星研制各種工藝實(shí)施導(dǎo)致的衛(wèi)星橫向質(zhì)心偏差，提出了基于490 N發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定安裝條件、良好機(jī)熱環(huán)境及地面調(diào)整推力矢量指向衛(wèi)星質(zhì)心的發(fā)動(dòng)機(jī)高精度推力矢量解決方法，保證發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量與衛(wèi)星質(zhì)心偏差滿足要求。

2.1 良好的力學(xué)安裝環(huán)境

490 N發(fā)動(dòng)機(jī)需要隨衛(wèi)星一起由運(yùn)載火箭發(fā)射到轉(zhuǎn)移軌道。在此過(guò)程中，490 N發(fā)動(dòng)機(jī)需要經(jīng)歷嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境。力學(xué)環(huán)境效應(yīng)主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)[7]。因此，490 N發(fā)動(dòng)機(jī)沿衛(wèi)星機(jī)械中心軸線上通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)支架安裝在衛(wèi)星承力筒下錐段中心處，與承力筒下錐段的法蘭內(nèi)壁相連。490 N發(fā)動(dòng)機(jī)在承力筒位置如圖3所示。

2.2 低變形支架

490 N發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，并主要以輻射散熱的形式傳遞到490 N發(fā)動(dòng)機(jī)支架上，使得支架結(jié)構(gòu)變形。如果支架變形量過(guò)大，490 N發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量與衛(wèi)星質(zhì)心偏差較大，進(jìn)而引起490 N發(fā)動(dòng)機(jī)推力效率下降，衛(wèi)星推進(jìn)劑使用增多。因此支架材料采用高溫性能較好且低熱膨脹系數(shù)的鈦合金材料(TC4)，其結(jié)構(gòu)主要有接頭、連接桿、法蘭盤組件組成(見(jiàn)圖4)。

圖4 490 N發(fā)動(dòng)機(jī)支架結(jié)構(gòu)組成Fig.4 490N engine support structure composition

針對(duì)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)支架在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作典型時(shí)長(zhǎng)(6000 s)的溫度場(chǎng)分布，對(duì)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)支架進(jìn)行熱變形分析，得到490 N發(fā)動(dòng)機(jī)安裝面在轉(zhuǎn)移軌道的熱變形情況。熱變形分析結(jié)果如圖5～圖7所示，發(fā)動(dòng)機(jī)支架安裝面中心各方向偏移量見(jiàn)表1。

圖5 0時(shí)刻熱變形云圖 Fig.5 Thermal deformation contour plot at time 0

圖6 3000 s時(shí)刻熱變形云圖 Fig.6 Thermal deformation contour plot at 3000s

圖7 6000 s時(shí)刻熱變形云圖Fig.7 Thermal deformation contour plot at 6000s

時(shí)刻安裝面中心偏移量/mmX向Y向Z向08.4×10-51.5×10-51.7×10-53000s-0.0190.0640.7256000s-0.0190.0730.943

2.3 地面安裝調(diào)整

發(fā)動(dòng)機(jī)在組建的生產(chǎn)制造加工和裝配過(guò)程的機(jī)械誤差會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量與其幾何基準(zhǔn)軸線[8]存在一定角度的偏差；衛(wèi)星研制過(guò)程中，其橫向質(zhì)心因?yàn)楦鞣N不確定的因素不可避免的使得490 N發(fā)動(dòng)機(jī)初始安裝的軸線與衛(wèi)星橫向質(zhì)心存在一定偏差。這些都會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)推力效率降低，因此地面安裝調(diào)整的目的就是把由發(fā)動(dòng)機(jī)自身推力矢量的偏差和衛(wèi)星質(zhì)心橫行引起的安裝偏差進(jìn)行補(bǔ)償，確保發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量通過(guò)衛(wèi)星質(zhì)心。具體過(guò)程如下。

(1)通過(guò)熱定標(biāo)后測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量與其噴管軸線的角度偏差α。

(2)衛(wèi)星質(zhì)量特性測(cè)試后，獲取衛(wèi)星的質(zhì)心橫向偏差XC。

(3)通過(guò)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)支架法蘭盤橫行偏移距離d完成調(diào)整，其中d=|XC-ZC·tanα|，具體原理如圖8所示。

圖8 地面安裝調(diào)整原理圖Fig.8 Ground installation and adjustment principle diagram

3 工程實(shí)現(xiàn)

上述各項(xiàng)技術(shù)在FY-4衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和研制過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)施驗(yàn)證，F(xiàn)Y-4衛(wèi)星采用中心承力筒+碳纖維隔框封閉艙體構(gòu)型。在衛(wèi)星490 N發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭面上設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)其安裝面在力學(xué)試驗(yàn)的頻率響應(yīng)特性，具體頻響特性情況如圖9所示。

注：0.6gn和0.8gn為振動(dòng)試驗(yàn)的輸入量級(jí)。圖9 振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝面頻率響應(yīng)情況Fig.9 Frequency response of vibration test engine mounting surface

經(jīng)過(guò)FY-4衛(wèi)星驗(yàn)收級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)表明：490 N發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭面測(cè)點(diǎn)響應(yīng)范圍約1.00gn～1.48gn，符合發(fā)動(dòng)機(jī)安裝法蘭面的最大響應(yīng)不超過(guò)3gn的要求[8]；490 N發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置能為490 N發(fā)動(dòng)機(jī)提供良好的力學(xué)環(huán)境。

FY-4衛(wèi)星繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量達(dá)到7000 kg·m2，因此由發(fā)動(dòng)機(jī)支架在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間最大變形引發(fā)的干擾力矩對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生最大角速度在5.2 μrad/s,對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)影響可忽略不計(jì)，表明：支架可保證490 N發(fā)動(dòng)機(jī)高精度推力矢量。通過(guò)質(zhì)量特性測(cè)試和分析得出：FY-4衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星質(zhì)心橫向偏移為X向10 mm，Y向20 mm，對(duì)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)支架法蘭面按質(zhì)心對(duì)應(yīng)的橫向偏移量進(jìn)行調(diào)整并與衛(wèi)星完成總裝和精測(cè)。

FY-4衛(wèi)星于2016年12月11日零時(shí)11分在我國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射，并且通過(guò)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)5次點(diǎn)火變軌實(shí)現(xiàn)精確定點(diǎn)。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量5400 kg，燃料實(shí)際裝填量3 089.2 kg，定點(diǎn)成功后，通過(guò)氣體注入壓力激勵(lì)法[9]，測(cè)算得出衛(wèi)星燃料剩余543.7 kg，衛(wèi)星變軌推進(jìn)劑消耗為2 545.5 kg，比設(shè)計(jì)值減少了13.29 kg。FY-4衛(wèi)星在軌飛行示意如圖10所示。

圖10 FY-4衛(wèi)星在軌飛行示意圖Fig.10 Schematic diagram of FY-4 satellite flying on orbit

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量產(chǎn)生的機(jī)理，本文歸納梳理了影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量的各項(xiàng)因素，著重從490 N發(fā)動(dòng)機(jī)良好的力學(xué)安裝環(huán)境、低變形支架和地面安裝調(diào)整等系統(tǒng)層面開(kāi)展分析，研究高精度推力矢量保證方法。FY-4衛(wèi)星的成功發(fā)射和精確定點(diǎn)表明：490 N發(fā)動(dòng)機(jī)高精度推力矢量保證技術(shù)可行有效。但是，由于衛(wèi)星的橫向質(zhì)心隨著衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道貯箱內(nèi)推進(jìn)劑的不斷消耗而不斷變化，因此還需要進(jìn)一步研究衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道橫向質(zhì)心的變化，以便分析出地面安裝調(diào)整中保證推力矢量的最佳偏移量。