氫強迫循環(huán)預冷的系統(tǒng)仿真研究

黃 兵，李 東，張樹杰，于子文

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2. 中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

引 言

液體火箭發(fā)動機作為一種噴氣推進裝置，比沖是衡量其推進性能的重要指標[1]。而推進劑的能量特性是決定比沖的重要因素?；诖?，高能量的液氫、液氧低溫推進劑被國內(nèi)外主流的液體火箭發(fā)動機所采用[2]，其推進劑組合或采用液氫/液氧，如美國的RS68、日本的LE-7A、LE-5B、中國的YF-75D、YF-77，或采用液氧/煤油，如美國的“阿特拉斯”（Atlas）RD-180、俄羅斯“安加拉”（Angara）RD-191、RD-170、中國的YF-100、YF-115。

低溫發(fā)動機由于低溫特性也帶來了許多獨特的維護和使用問題[3]。低溫液體火箭發(fā)動機起動前必須對發(fā)動機及其增壓輸送系統(tǒng)進行充分預冷。如不預冷，或預冷不充分，管路及泵組件的溫度就要比液體推進劑的溫度高很多，這樣，在發(fā)動機起動時，推進劑就會以氣相或氣、液兩相混合流體的狀態(tài)進入管路和泵等組件。發(fā)動機和泵在這種條件下不能正常工作，會引起泵的氣蝕、飛轉(zhuǎn)，或延長起動時間和推力爬升時間，導致壓力和流量的波動、失速運行、富氧燃燒等現(xiàn)象，嚴重的甚至可以使起動完全失敗。國內(nèi)外目前對于低溫火箭發(fā)動機起動前的預冷方式主要采用浸泡預冷、排放預冷和循環(huán)預冷3種[4]。其中，循環(huán)預冷又分為自然循環(huán)預冷和強迫循環(huán)預冷。

低溫液體火箭發(fā)動機的預冷方式很大程度上決定了一枚火箭射前操作程序的復雜性和推遲發(fā)射的適應性，具體選擇哪一種預冷方式需要綜合考慮。本文首先介紹了3種預冷方式的優(yōu)缺點，然后基于AMESim的兩相流庫[5]建立了一個氫循環(huán)預冷系統(tǒng)，對影響預冷的3個因素進行研究，揭示其對預冷的影響規(guī)律，為工程應用提供指導。

1 3種預冷方式比較

3種預冷系統(tǒng)原理圖如圖1所示。浸泡預冷的系統(tǒng)原理圖如圖1（a）所示，低溫推進劑沿輸送管進入低溫渦輪泵，泵后低溫閥處于關閉狀態(tài)，低溫推進劑在輸送管和低溫泵構成的半封閉空間中產(chǎn)生局部自然對流，從而實現(xiàn)對渦輪泵的冷卻。由于受外界因素影響較大，浸泡預冷是一種被動預冷方式，也因此而很少應用。如圖1（b）所示，排放預冷[6]是通過排放低溫推進劑對渦輪泵系統(tǒng)進行冷卻的一種方式，與浸泡預冷的最大不同是低溫推進劑流過低溫泵后排出，根據(jù)使用的驅(qū)動力可分為依靠自身液位高度的自流預冷和依靠外加壓力的增壓排放預冷。前者是一種被動預冷，貯箱與外界大氣相通為常壓，受系統(tǒng)特性、外界條件等因素影響較大；后者為主動預冷方式，貯箱排氣閥關閉，通過地面供氣系統(tǒng)主動給貯箱增壓，具有較強的適應性，但對射前流程和推進劑消耗量影響比較大。循環(huán)預冷[7-8]可分為自然循環(huán)預冷和強迫循環(huán)預冷，是根據(jù)需要在泵后設置預冷管路，使之形成預冷循環(huán)回路，從而達到預冷要求的一種方式。與排放預冷最大的不同在于循環(huán)預冷中冷卻低溫泵后的推進劑最終經(jīng)過回流閥回到貯箱，而排放預冷中推進劑冷卻低溫泵后直接排到外界。自然循環(huán)預冷是通過外界漏熱導致的低溫推進劑密度差形成循環(huán)回流，其流動特性由外界條件和系統(tǒng)管路特性所決定，屬于被動預冷方式。強迫循環(huán)預冷在回流路或者入口管路上設置動力裝置，如氣體注入裝置或者循環(huán)泵，通過外能源輸入強迫系統(tǒng)內(nèi)形成循環(huán)流動，是一種主動預冷方式。氣體注入主要是通過注入的高速氣體與推進劑發(fā)生動量交換，產(chǎn)生引射作用從而加速預冷回路的流動，因此這種預冷方式叫做引射循環(huán)預冷。循環(huán)泵主要是通過提高預冷推進劑的壓力從而加速預冷回路的流動。需要說明的是，一方面循環(huán)泵方案中系統(tǒng)的流量主要由循環(huán)泵特性來實現(xiàn)和保證，其受外界變化的影響較小，相對實現(xiàn)較為容易，而另一方面由于循環(huán)泵需要設置外能源，且裝置、系統(tǒng)結(jié)構較為復雜，除了液氫系統(tǒng)外，其余低溫推進劑較少應用。

對3種預冷方式的優(yōu)缺點進行比較，如表1所示。由于浸泡預冷一般發(fā)動機很難適應，因此其應用可行性最小，但一旦滿足，其在各方面都具有較為明顯的優(yōu)勢。相對于排放預冷，除增加了箭上系統(tǒng)復雜程度外，循環(huán)預冷都具有較為明顯的優(yōu)勢。從世界主要運載火箭的預冷方式（表2）也可以看出循環(huán)預冷的應用較為廣泛。

表1 3種預冷方式的比較Table 1 Comparison of three precooling methods

表2 世界主要運載火箭預冷方式Table 2 Precooling methods of rockets worldwide

2 氫循環(huán)預冷仿真分析

低溫液體火箭發(fā)動機由于技術特點和難點，射前流程和操作一般都較為復雜，尤其對于大推力液體運載火箭來說，預冷方式對射前流程的影響和對推遲發(fā)射的適應性至關重要，因此，一般都選擇循環(huán)預冷方式。本文對氫系統(tǒng)在循環(huán)泵驅(qū)動下的強迫循環(huán)預冷進行仿真研究。

2.1 管路流動均相流模型

循環(huán)預冷的本質(zhì)是通過充分利用低溫推進劑的氣化潛熱來最大程度地減少對推進劑的消耗量，因此，循環(huán)預冷過程中將始終伴隨著兩相流動狀態(tài)。

在20世紀50—60年代，人們提出一些計算和分析兩相流動的模型，主要有均相模型、分相模型和滑移流模型。均相模型是兩相流分析模型中最簡單的一種，把兩相看作均勻混合體，只關注平均參數(shù)，不考慮兩相分界面上的不連續(xù)性。該方法在前期開展的低溫液體火箭循環(huán)預冷研究中得到了成功應用和驗證[4,9]，在本文的研究中也采用均相模型。

2.2 系統(tǒng)模型

通過圖1中的循環(huán)泵強迫循環(huán)原理圖可以看出，預冷用液氫取自貯箱，自箱底流出經(jīng)過一臺循環(huán)泵后進入發(fā)動機內(nèi)腔，分為兩支：一支經(jīng)過氫泵、副系統(tǒng)的預冷泄出閥，稱為主預冷路；另一支經(jīng)過渦輪泵內(nèi)腔流道對軸承進行冷卻，最后經(jīng)由軸承冷泄閥與主預冷路匯集，經(jīng)由回流閥而回到貯箱。在氫泵中通過使氦隔離密封腔維持一定的壓力阻斷液氫經(jīng)渦輪腔流出發(fā)動機外，從而確保發(fā)動機安全。結(jié)合強迫循環(huán)預冷的基本特性，采用AMESim兩相流庫[5]，以循環(huán)泵提供流動驅(qū)動力建立了如圖2所示的循環(huán)泵強迫循環(huán)預冷仿真系統(tǒng)模型，推進劑選擇為液氫。

圖2 基于AMESim的氫循環(huán)預冷系統(tǒng)模型Fig. 2 Hydrogen circulation pre-cooling system based on AMESim

需要特別指出的是，AMESim自帶的兩相流庫只能夠?qū)崿F(xiàn)同種物質(zhì)不同相態(tài)之間的仿真分析，為了解決地面吹除氦氣吹除進入軸承冷泄路后的流動等效問題，根據(jù)文獻[10]提出的利用不同氣體之間的質(zhì)量流量近似等效關系方法，將實際中的地面常溫氦氣吹除改為常溫氫氣吹除，即在同樣的溫度和壓力下，氫氣的密度為氦氣密度的二分之一，在兩相流等效處理中等效氫氣的質(zhì)量流量應設置為氦氣的二分之一。

2.3 循環(huán)泵模型

循環(huán)泵是一種離心泵，泵特性采用Suter模型，揚程函數(shù)WH和扭矩函數(shù)WT如下

其中：h為無量綱的揚程；v為無量綱的體積流量；α為無量綱轉(zhuǎn)速；β為無量綱扭矩。計算式如下

3 結(jié)果與討論

發(fā)動機完全預冷的條件一般為氫渦輪泵軸承壁溫降到設計值以下，這就需要軸承冷泄路通過足夠的冷卻介質(zhì)，能夠帶走氫渦輪泵的漏熱，因此，氫軸承冷泄路的流量對于預冷至關重要。通過分析循環(huán)預冷系統(tǒng)的特性可知，影響氫軸承冷泄路流量的因素有3個，分別是貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離密封腔壓力。下面將對這3個因素對循環(huán)預冷的影響進行分析。分析方法為設置兩個因素為額定工況，分別對第3個因素在低工況、高工況下相對額定工況的結(jié)果進行對比分析。各工況條件具體如表3所示。在各工況的數(shù)值模擬中，貯箱液氫溫度都設為21 K，各管路中填充21 K液氫，貯箱液柱高度都設為15 m，環(huán)境溫度設為298 K，地面吹除氣體溫度設為298 K。

表3 各工況具體條件Table 3 Detailed conditions in simulation

3.1 額定工況

選取貯箱氣枕壓力0.15 MPa、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速10 000 rpm和氦隔離密封腔壓力0.5 MPa的額定工況進行數(shù)值仿真，結(jié)果如圖3～6所示。從仿真結(jié)果可以看出，隨著循環(huán)泵在0 s起動，經(jīng)過約0.5 s后，整個氫預冷系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，之后循環(huán)泵的揚程和流量保持穩(wěn)定，循環(huán)泵工作狀態(tài)良好。從圖5和圖6可以看出，在循環(huán)泵穩(wěn)定之前，循環(huán)泵出口壓力較低時，地面吹除氣體會進入上游，造成初始階段軸承冷泄路含氣率明顯突增，由于地面吹除氣體為常溫，所以也伴隨溫度升高，此后循環(huán)泵出口壓力增大到抑制地面吹除氣體向上游擴散，含氣率降為0，軸承冷泄路入口全部變?yōu)橐簹洌坏禽S承冷泄路的出口一直含氣，溫度約為21.6 K。這正確反映了循環(huán)泵和地面吹除供氣的調(diào)節(jié)匹配過程。

圖3 循環(huán)泵出口壓力和入口壓力曲線Fig. 3 Outlet pressure and inlet pressure of circulating pump curve

圖4 各流道流量曲線Fig. 4 Mass flow rate of flowing routes curve

圖5 軸承冷泄路入口溫度和含氣率Fig. 5 Inlet temperature and gas mass fraction of bearing route

圖6 軸承冷泄路出口溫度和含氣率Fig. 6 Outlet temperature and gas mass fraction of bearing route

3.2 貯箱氣枕壓力

循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離密封腔壓力設為額定工況，分別對貯箱氣枕壓力在低工況、額定工況和高工況進行仿真，結(jié)果如圖7～11所示。隨著貯箱氣枕壓力的升高，循環(huán)泵的入口壓力升高，流量增大，盡管出口壓力升高，但是揚程降低，變化規(guī)律符合泵的揚程–流量曲線，具體結(jié)果如表4所示。由于主預冷路上游為循環(huán)泵，下游為貯箱，所有主預冷路的流量取決于循環(huán)泵的揚程，循環(huán)泵的揚程越大，主預冷路的流量越大，具體如圖9所示。軸承冷泄路上游為循環(huán)泵，中間受氦隔離密封腔壓力的抑制影響，因此軸承冷泄路的流量與循環(huán)泵的出口壓力和氦隔離密封腔的壓差有關系，在氦隔離密封腔壓力保持不變時，軸承冷泄路的流量與循環(huán)泵的出口壓力正相關，如圖10所示。因此，提高循環(huán)泵的出口壓力有利于達到發(fā)動機預冷好條件。與此同時，貯箱氣枕壓力升高，循環(huán)泵的出口壓力升高，氦隔離密封腔與泵出口壓差減小，導致吹除氣體的流量減小。

圖7 循環(huán)泵流量曲線Fig. 7 Flow rate of circulating pump curve

圖8 循環(huán)泵出口壓力曲線Fig. 8 Outlet pressure of circulating pump curve

圖9 主預冷路流量曲線Fig. 9 Flow rate of main precooling circuit curve

圖10 軸承冷泄路流量曲線Fig. 10 Flow rate used to cool the bearing curve

圖11 吹除氣體流量曲線Fig. 11 Flow rate of gas for blowing curve

表4 循環(huán)泵揚程特性Table 4 Head characteristics of circulating pump

3.3 循環(huán)泵轉(zhuǎn)速

貯箱氣枕壓力和氦隔離腔壓力設為額定工況，分別對循環(huán)泵在低轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下進行仿真，仿真結(jié)果如圖12～16所示。隨著循環(huán)泵轉(zhuǎn)速提高，循環(huán)泵的出口壓力、揚程以及流量都會提高。如前所述，主預冷路的流量取決于循環(huán)泵的揚程。轉(zhuǎn)速高、揚程大導致主預冷路的流量增大。軸承冷泄路的流量取決于循環(huán)泵的出口壓力和氦隔離密封腔的壓差。在氦隔離密封腔壓力保持不變的條件下，轉(zhuǎn)速高、出口壓力大導致軸承冷泄路的流量大，有利于達到發(fā)動機預冷好的條件。相應地，由于轉(zhuǎn)速高、循環(huán)泵出口壓力大，因此吹除氣體流量與循環(huán)泵轉(zhuǎn)速負相關。

圖12 循環(huán)泵流量曲線Fig. 12 Flow rate of circulating pump curve

圖13 循環(huán)泵出口壓力曲線Fig. 13 Outlet pressure of circulating pump curve

圖14 主預冷路流量曲線Fig. 14 Flow rate of main precooling circuit curve

圖15 軸承冷泄路流量曲線Fig. 15 Flow rate used to cool the bearing curve

圖16 吹除氣體流量曲線Fig. 16 Flow rate of gas for blowing curve

3.4 氦隔離密封腔壓力

貯箱氣枕壓力和循環(huán)泵轉(zhuǎn)速按照額定工況設置，對氦隔離密封腔低壓、額定壓力和高壓工況進行仿真，仿真結(jié)果如圖17～21所示。通過圖2系統(tǒng)模型可知，氦隔離密封腔布置在氫泵軸承冷泄路上，氦隔離密封腔的壓力通過影響軸承冷泄路對這個循環(huán)預冷系統(tǒng)造成影響。氦隔離密封腔的壓力對軸承冷泄路的流動起抑制作用。隨著氦隔離密封腔壓力的增大，進入軸承冷泄路的吹除流量增大，通過軸承冷泄路的冷卻液氫減少，不利于達到發(fā)動機預冷好條件。并且，軸承冷泄路阻力增大導致循環(huán)泵出口壓力升高，根據(jù)循環(huán)泵特性，循環(huán)泵的流量相應減小。但是，由于氦隔離密封腔壓力升高，導致循環(huán)泵出口壓力升高，在貯箱氣枕壓力保持不變的條件下，循環(huán)泵的揚程增大，導致主預冷路的流量增大。

圖17 循環(huán)泵流量曲線Fig. 17 Flow rate of circulating pump curve

圖18 循環(huán)泵出口壓力曲線Fig. 18 Outlet pressure of circulating pump curve

圖19 主預冷路流量曲線Fig. 19 Flow rate of main precooling circuit

圖20 軸承冷泄路流量曲線Fig. 20 Flow rate used to cool the bearing

圖21 吹除氣體流量曲線Fig. 21 Flow rate of gas for blowing

通過對貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離密封腔壓力對循環(huán)預冷的影響分析發(fā)現(xiàn)，貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離腔密封壓力主要是通過影響循環(huán)泵出口壓力與氦隔離腔密封壓力之差來影響軸承冷泄路的預冷流量，提高貯箱氣枕壓力、提高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速或者降低氦隔離密封腔壓力都會提高軸承冷泄路流量，有利于軸承冷泄路預冷。

4 結(jié) 論

本文介紹了低溫液體火箭發(fā)動機常見的3種預冷方式，并基于AMESim兩相流庫對氫系統(tǒng)在循環(huán)泵驅(qū)動下的強迫循環(huán)預冷進行仿真研究，揭示了貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離密封腔壓力等3個因素對預冷效果的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離腔密封壓力對軸承冷泄路的預冷流量有影響，三者相互耦合作用通過改變循環(huán)泵出口壓力與氦隔離腔密封壓力之差來實現(xiàn)；

2）高貯箱氣枕壓力、高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和低氦隔離腔密封壓力有利于提高軸承冷泄路的預冷流量，使發(fā)動機更容易達到預冷好條件；

3）這3個因素相互耦合，在工程應用中需綜合考慮：高貯箱壓力下有利于起動循環(huán)泵，但考慮安全因素，氦隔離腔密封壓力也要提高，又阻礙了軸承冷泄路的液氫流動，同時貯箱長時間高壓影響推進劑品質(zhì)；循環(huán)泵在高轉(zhuǎn)速下起動更易氣蝕，并且提高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速后，循環(huán)泵出口壓力也同步增大，為避免氫泄漏，需要提高氦隔離密封腔壓力，也阻礙了軸承冷泄路的液氫流動。