可重復(fù)啟動(dòng)低溫上面級(jí)的推進(jìn)劑管理裝置研究

朱文杰，杜大程，黃立鈉，李 欣，張瑞平

(1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

采用低溫推進(jìn)劑進(jìn)入空間及軌道轉(zhuǎn)移具有高效、經(jīng)濟(jì)、無毒等優(yōu)勢(shì)，是化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。研制通用、高性能和高可靠的可重復(fù)啟動(dòng)低溫推進(jìn)系統(tǒng)是各國航天技術(shù)研究和設(shè)計(jì)的前沿。然而,低溫推進(jìn)劑沸點(diǎn)和表面張力系數(shù)低，導(dǎo)致其難于長(zhǎng)期貯存和流體管理。我國在低溫推進(jìn)劑及氣體工質(zhì)高效存貯、管理和利用領(lǐng)域存在迫切需求。可重復(fù)啟動(dòng)低溫上面級(jí)無論是在點(diǎn)火階段或在軌滑行階段，推進(jìn)劑會(huì)在液體自身物理特性和姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力等因素的共同作用下而偏離貯箱出液口。但在發(fā)動(dòng)機(jī)下一次重啟動(dòng)之前，需要有一定量的推進(jìn)劑覆蓋貯箱出液口，所以需進(jìn)行推進(jìn)劑的蓄留與管理。微重力環(huán)境下液體推進(jìn)劑的管理通常采用以下3種方式：1)隔膜擠壓方式；2)持續(xù)推力或間斷推力保持或重新沉底推進(jìn)劑；3)依靠利用液體表面張力的推進(jìn)劑管理裝置(Propellant Management Device，PMD)蓄留、輸送和排放推進(jìn)劑。采用依靠液體表面張力的PMD進(jìn)行推進(jìn)劑管理具有質(zhì)量小、推進(jìn)劑相容性好、長(zhǎng)壽命和可靠性高等一系列優(yōu)勢(shì)，在上面級(jí)多次重復(fù)啟動(dòng)任務(wù)中更具有飛行任務(wù)剖面適應(yīng)性好和質(zhì)量小的特點(diǎn)。通過PMD保證貯箱在復(fù)雜任務(wù)邊界條件下不夾氣排放，已成熟應(yīng)用于常溫可貯存推進(jìn)系統(tǒng)，但在低溫推進(jìn)系統(tǒng)中只開展過有限的實(shí)驗(yàn)，研制低溫上面級(jí)推進(jìn)劑管理裝置仍具有挑戰(zhàn)性。各國的現(xiàn)役低溫上級(jí)仍依靠連續(xù)或間斷推力進(jìn)行推進(jìn)劑沉底，以保證貯箱不夾氣排放。本文總結(jié)了可重復(fù)啟動(dòng)低溫上面級(jí)的推進(jìn)劑管理方式，指出了管理難點(diǎn)，分析其關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)上面級(jí)液氧貯箱開展了可重復(fù)填充式PMD方案設(shè)計(jì)。

1 低溫上面級(jí)推進(jìn)劑管理裝置發(fā)展歷程

成熟的長(zhǎng)征三號(hào)三子級(jí)、通用上面級(jí)半人馬座、阿里安5低溫上面級(jí)ESC-B和日本H-2A第二級(jí)等低溫上面級(jí)在重復(fù)點(diǎn)火之前均采用連續(xù)推力或間斷推力進(jìn)行推進(jìn)劑沉底，使其保持在貯箱底部并覆蓋出液口，保證貯箱不夾氣排放。這些上面級(jí)在低溫推進(jìn)劑管理領(lǐng)域主要關(guān)注加速度變化時(shí)貯箱內(nèi)液體晃動(dòng)，液體重定位和液體從貯箱流出特性。這些低溫流體運(yùn)動(dòng)特性的研究工作為后續(xù)基于PMD的低溫推進(jìn)劑管理積累了技術(shù)。

從20世紀(jì)70年代開始，歐美主要航天機(jī)構(gòu)就開始了采用表面張力進(jìn)行低溫推進(jìn)劑在軌管理的探索。美國的劉易斯研究中心等機(jī)構(gòu)就液氫和液氧的過網(wǎng)流動(dòng)損失、泡破點(diǎn)(Bubble Break Point，BBP)、瞬態(tài)液體流動(dòng)、射流沖擊和振動(dòng)等金屬篩網(wǎng)與液體的相互作用特性進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。并在此基礎(chǔ)上，與康維爾/通用動(dòng)力合作，以半人馬座D-1T上面級(jí)的任務(wù)剖面為輸入，設(shè)計(jì)論證了D-1S上面級(jí)采用表面張力進(jìn)行推進(jìn)劑蓄留和不夾氣排放的啟動(dòng)籃和啟動(dòng)箱的方案。研究表明，基于表面張力的啟動(dòng)籃方案更能適應(yīng)復(fù)雜的飛行任務(wù)，對(duì)于5次以上重復(fù)啟動(dòng)任務(wù)采用啟動(dòng)籃方案比推力沉底方案更具質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。格倫研究中心的Kudlac和Chato等、ASRC航空航天公司的Jurns等和凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的Hartwig開展了更多金屬篩網(wǎng)在液氫、液氧、液氮和液甲烷等低溫液體中的泡破點(diǎn)和篩網(wǎng)通道組件的排放性能研究。2010年，格倫研究中心就月球著陸器姿控系統(tǒng)(reaction control system，RCS)和上升器推進(jìn)系統(tǒng)(main and RCS propulsion)的LO/LCH貯箱PMD作了詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)。兩型貯箱均采用半管理的方式管理液體推進(jìn)劑，PMD構(gòu)型如圖1所示。通過柔性金屬網(wǎng)分隔貯箱的上下艙；在下艙內(nèi)設(shè)計(jì)了4根液體收集通道用于收集液體；在出液口處設(shè)置了小型集液器用于蓄留一定量的低溫推進(jìn)劑，以供液給沉底發(fā)動(dòng)機(jī)。該LO/LCH貯箱方案明確了PMD的熱量傳導(dǎo)抑制方式以及任務(wù)過程中貯箱的熱控和壓力控制要求。

圖1 月球著陸和上升器LO2/LCH4貯箱PMD方案Fig.1 Lunar descent stage RCS and ascent stage RCS/ME tank partial PMD

美國SpaceX公司的獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了可控陸地和海上垂直回收。該火箭在一級(jí)分離之后，通過姿控推進(jìn)器對(duì)火箭的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在繼續(xù)向上滑行的過程中對(duì)一子級(jí)箭體進(jìn)旋轉(zhuǎn)(幾乎是180°)，使其底部朝向地面，并開始降落。為了保證安全著陸，系統(tǒng)會(huì)重啟一子級(jí)火箭9個(gè)引擎中的3個(gè)，減慢下降的速度。一級(jí)火箭在下落重啟過程中處于亞重力環(huán)境，貯箱內(nèi)液體位置的改變導(dǎo)致其存在明顯的晃動(dòng)。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)能可靠進(jìn)液，貯箱底部也布置了6根通道式表面張力液體管理裝置，確保在晃動(dòng)和亞重力條件下，液氧貯箱能可靠供應(yīng)不夾氣推進(jìn)劑，如圖2所示。

圖2 獵鷹9 V1.2火箭一級(jí)氧箱推進(jìn)劑管理裝置Fig.2 Liquid oxygen PMD of Falcon 9 V1.2 rocket first stage

歐洲運(yùn)載火箭Ariane 5 ME低溫上面級(jí)利用PMD進(jìn)行液體的蓄留與管理，以省去推進(jìn)劑沉底的繁瑣，如圖3所示。該上面級(jí)的液氧PMD采用可重復(fù)填充啟動(dòng)籃結(jié)構(gòu)，在滑行階段依靠上面級(jí)的自旋進(jìn)行可填充蓄液器(Propellant Refillable Reservoir，PRR)內(nèi)氣液定位和排氣。由啟動(dòng)籃提供發(fā)動(dòng)機(jī)在軌重復(fù)點(diǎn)火所需要的推進(jìn)劑并在發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)完成啟動(dòng)籃的再填充。通過探空火箭對(duì)該P(yáng)MD進(jìn)行微重力下的實(shí)驗(yàn)表明：液體蓄積和導(dǎo)流能力、再填充器的填充和排放、貯箱增壓和減壓時(shí)液體管理性能以及液體管路的熱反浸等需求或問題都能得到有效解決。

圖3 Ariane 5 ME型運(yùn)載火箭上面級(jí)的液氧推進(jìn)劑管理裝置Fig.3 Liquid oxygen PMD of the upper stage of the Ariane 5 ME

2 低溫上面級(jí)推進(jìn)劑管理裝置關(guān)鍵技術(shù)

低溫上面級(jí)PMD是貯箱內(nèi)液體管理系統(tǒng)，它在各種任務(wù)邊界條件下均能連續(xù)輸送推進(jìn)劑并維持貯箱液路出口處的液體推進(jìn)劑量，從而使不夾氣的液體從低溫貯箱輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)入口。低溫上面級(jí)PMD除了滿足常溫推進(jìn)劑貯箱PMD的液體蓄留、沉底和再填充、排放流量及排放效率等要求外，還需防止低溫推進(jìn)劑局部受熱及熱分層導(dǎo)致的局部汽化等引起的PMD性能下降甚至失效。低溫上面級(jí)推進(jìn)劑管理裝置的研制面臨以下問題：

(1)低溫推進(jìn)劑表面張力低、黏度小，可靠地進(jìn)行液體輸送和氣液分離困難

低溫推進(jìn)劑的表面張力不到常溫可貯存推進(jìn)劑的50%，數(shù)值如表1所示。表面張力的降低導(dǎo)致PMD中金屬篩網(wǎng)泡破點(diǎn)等指標(biāo)大幅下降，氣液分離的液體獲取裝置部分的研制難度增加。

表1 可貯存推進(jìn)劑與低溫推進(jìn)劑的性能比較

(2)低溫推進(jìn)劑沸點(diǎn)低，管理裝置內(nèi)部和貯箱下游管路內(nèi)存在液體汽化的風(fēng)險(xiǎn)，PMD需具備排出推進(jìn)劑蒸氣的能力

液態(tài)甲烷、液氧和液氫的沸點(diǎn)分別為115,90和20 K，與環(huán)境都有較大的溫差，受熱易蒸發(fā)。PMD通常與貯箱殼體和液路管道采用焊接方式連接，殼體漏熱和姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后的余熱都會(huì)直接影響其溫度，導(dǎo)致其內(nèi)部液體汽化。PMD內(nèi)部容積有限，低溫推進(jìn)劑汽化后體積膨脹量很大，需設(shè)計(jì)氣體溢放結(jié)構(gòu)，這是常溫可貯存推進(jìn)劑PMD設(shè)計(jì)中未遇到的問題。

(3)可重復(fù)啟動(dòng)的任務(wù)特點(diǎn)要求管理裝置具備再填充能力

低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間不確定，點(diǎn)火時(shí)間從幾十秒到數(shù)百秒不等，能提供的沉底加速度一般不超過1

g

。在這樣的亞重力條件下，低溫管理裝置的快速填充也是一個(gè)難點(diǎn)。低溫管理裝置在設(shè)計(jì)上既要保證快速填充，又要限制側(cè)向加速度環(huán)境中液體的泄漏。

(4)飛行中加速度環(huán)境復(fù)雜，低溫液體黏度小，側(cè)向加速度下的液體蓄留難度加大

在常溫雙組元推進(jìn)系統(tǒng)中，蓄液器體積小于4 L，橫向或不利加速度小于0.007

g

，可以依靠葉片式海綿體蓄液。上面級(jí)滑行階段可能存在不小于±0.02

g

側(cè)向加速度，對(duì)于上面級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要百余升低溫液體進(jìn)行管路、泵和發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷。該工況超出了海綿體的蓄留能力，需要設(shè)置可填充的啟動(dòng)籃式PMD，保證低溫液體不會(huì)被甩離貯箱底部出液口區(qū)域。

(5)微重力環(huán)境下，貯箱內(nèi)液體對(duì)流顯著減弱，PMD局部區(qū)域存在汽化和管理失效的風(fēng)險(xiǎn)

在空間微重力下，重力沉降現(xiàn)象減弱甚至消失，低溫推進(jìn)劑內(nèi)對(duì)流顯著減弱，貯箱不均受熱時(shí)更容易產(chǎn)生低溫推進(jìn)劑局部過熱。貯箱出液口處是整個(gè)貯箱漏熱集中的位置之一，在貯箱內(nèi)低溫推進(jìn)劑宏觀上仍處于過冷狀態(tài)下，非均勻漏熱能使PMD區(qū)域升溫，造成PMD區(qū)域局部推進(jìn)劑汽化。因此，可在PMD上復(fù)合J-T閥和換熱管等裝置進(jìn)行局部熱管理，使局部區(qū)域內(nèi)的推進(jìn)劑處于過冷態(tài)，保證金屬篩網(wǎng)等毛細(xì)裝置上液膜的可靠覆蓋。

3 低溫上面級(jí)推進(jìn)劑管理裝置方案設(shè)計(jì)

為了解決以上問題，本文針對(duì)可重復(fù)啟動(dòng)低溫上面級(jí)液氧貯箱的需求進(jìn)行了PMD設(shè)計(jì)，能夠快速再填充和排放的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)±0.02

g

的側(cè)向加速度條件下液氧蓄留不小于100 L；并且考慮了PMD局部熱控和汽化產(chǎn)生的氣體泄放問題。

如圖4所示，PMD由頂蓋、外柱筒、下封頭和外葉片等零件組成，包絡(luò)出了約320 L的核心液體管理區(qū)與外柱筒外側(cè)的葉片防晃區(qū)兩大區(qū)域。核心液體管理區(qū)被可填充蓄液器底板、中層板網(wǎng)和下層板網(wǎng)分隔成4個(gè)腔，自上而下依次是PRR、排氣通道區(qū)、中層板網(wǎng)蓄液腔和下層板網(wǎng)蓄液腔。

圖4 液氧貯箱PMD方案Fig.4 PMD for liquid oxygen storage tank

PRR約240 L，其中液氧在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷時(shí)開始消耗，在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的沉底加速度作用下再次填充。PRR與貯箱的內(nèi)腔通過頂蓋上的放氣孔和PRR底板的網(wǎng)孔連通，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)幾十秒工作時(shí)間內(nèi)再次填充的要求。但頂部開口的結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致液氧易流失，在PRR充填滿了之后，在側(cè)向過載加速度下會(huì)有一部份液氧泄漏出PRR。采用FLOW3D進(jìn)行仿真計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，側(cè)向加速度±0.02

g

切換5個(gè)循環(huán)后PRR內(nèi)蓄液量不低于43%。根據(jù)以上方案，生產(chǎn)了PRR樣機(jī)并進(jìn)行了地面1

g

條件下酒精的再充填試驗(yàn)，如圖5所示。試驗(yàn)中PRR樣機(jī)充滿時(shí)間不超過28 s。以地面試驗(yàn)的壓差(取決于加速度和液體密度)和流量的關(guān)系計(jì)算出樣機(jī)PRR填充時(shí)的流阻值；然后該值乘以修正系數(shù)后作為液氧流動(dòng)的阻力系數(shù)，計(jì)算出液氧在2.5～6 m/s加速度下填充滿PRR所需時(shí)間為不超過40 s。該填充速度表明：所設(shè)計(jì)的PRR能夠滿足軌控發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間工作時(shí)液氧再填充的需求。

圖5 PRR樣機(jī)填充試驗(yàn)Fig.5 Rapid filling test of PRR

本方案中設(shè)置了下層板網(wǎng)蓄液腔作為熱緩沖區(qū)攔截局部漏熱，下游漏熱向貯箱的傳導(dǎo)首先進(jìn)入這個(gè)區(qū)域。設(shè)計(jì)允許該區(qū)域內(nèi)液體升溫乃至汽化，并采用不同泡破點(diǎn)的金屬篩網(wǎng)配合使用，解決局部汽化產(chǎn)生的氣體泄放問題。在氧蒸氣排放結(jié)束后，能實(shí)現(xiàn)金屬篩網(wǎng)重新浸潤，進(jìn)而保證管理裝置在下游存在漏熱時(shí)仍然能夠排放單相液氧。

下層板網(wǎng)蓄液腔內(nèi)產(chǎn)生氧蒸氣的排放主要依靠下層板網(wǎng)上不同泡破點(diǎn)的金屬篩網(wǎng)搭配使用來控制排放路徑。該P(yáng)MD中，下層板網(wǎng)外環(huán)采用規(guī)格為325×2 300的斜紋密織金屬網(wǎng)，中心部分(中排氣口)采用規(guī)格為200×1 400的斜紋密織金屬網(wǎng)。在常溫測(cè)試環(huán)境中，采用酒精做測(cè)試介質(zhì)，325×2 300網(wǎng)的泡破點(diǎn)一般要求≥6 100 Pa；中排氣口用200×1 400網(wǎng)的泡破點(diǎn)一般要求≥3 700 Pa，兩者差值2 400 Pa。在液氧環(huán)境中兩種規(guī)格篩網(wǎng)的泡破點(diǎn)如表2所示。由表2可知，各溫度點(diǎn)下325×2 300網(wǎng)的泡破點(diǎn)均比200×1 400網(wǎng)的泡破點(diǎn)高出1 200 Pa以上。

表2 液氧環(huán)境中兩種規(guī)格篩網(wǎng)的泡破點(diǎn)

當(dāng)漏熱導(dǎo)致液氧汽化時(shí)，下層板網(wǎng)蓄液腔內(nèi)蒸氣量逐漸增多，壓力不斷攀升，當(dāng)達(dá)到中排氣口網(wǎng)片泡破點(diǎn)時(shí)，中排氣口網(wǎng)孔被蒸氣打開，釋放汽化氣體帶來的壓力。由于下層板網(wǎng)外環(huán)的泡破點(diǎn)高出中排氣口網(wǎng)的泡破點(diǎn)1 200 Pa，下層板網(wǎng)外環(huán)的液膜在排氣過程中不會(huì)破裂。根據(jù)液氧排氣測(cè)試的要求，研制了如圖6所示的試驗(yàn)裝置，模擬了200×1 400網(wǎng)和325×2 300網(wǎng)在下層板網(wǎng)上的結(jié)構(gòu)。

圖6 液氧排氣測(cè)試組件Fig.6 LO2 test unit

通過搭建的試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試了試驗(yàn)裝置在液氧中的排氣特性，證明了在模擬的“下層板網(wǎng)蓄液腔”內(nèi)有氣體時(shí)，氣體均會(huì)從中間的200×1 400網(wǎng)處排出，如圖7所示。排氣結(jié)束后，200×1 400網(wǎng)能夠可靠地再浸潤，泡破點(diǎn)可以恢復(fù)到表2所列值。

圖7 液氧中排氣測(cè)試Fig.7 Exhaust test in LO2

由于中排氣口處于可充填式啟動(dòng)籃結(jié)構(gòu)的中心位置，排氣通道區(qū)內(nèi)葉片式海綿體會(huì)將液體輸送并覆蓋中排氣口，中排氣口得以再次浸潤，形成液膜，泡破點(diǎn)也得以恢復(fù)。此后在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷過程中，隨著液體流動(dòng)，下層板網(wǎng)和貯箱殼體之間局部過熱區(qū)會(huì)降溫，過熱的液體或蒸氣會(huì)逐步冷凝，氣腔會(huì)縮小至潰滅。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)國內(nèi)外可重復(fù)啟動(dòng)低溫上面級(jí)推進(jìn)劑管理裝置的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，梳理了低溫上面級(jí)PMD涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)。以某型上面級(jí)液氧貯箱為例，開展了PMD方案研究，解決±0.02

g

的側(cè)向加速度環(huán)境下大體積液氧蓄留、再填充以及PMD局部漏熱和汽化產(chǎn)生的氣體泄放問題。計(jì)算和試驗(yàn)表明，該P(yáng)MD結(jié)構(gòu)能夠滿足低溫上面級(jí)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)多次啟動(dòng)對(duì)不夾氣液氧的需求。