基于差動氣動增壓裝置的多次啟動一體化動力系統(tǒng)特性

趙曉慧，張金容，單 磊，孫海雨，王興錄

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，多星發(fā)射、深空探測以及軌道服務(wù)工程已成為當(dāng)前世界航天技術(shù)發(fā)展的主流。美國、俄羅斯、歐洲和日本等航天技術(shù)大國已將發(fā)展多星發(fā)射、深空探測以及軌道服務(wù)技術(shù)作為21世紀(jì)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。無論是多星發(fā)射、深空探測還是軌道服務(wù)技術(shù)，動力系統(tǒng)均是其核心組成部分之一，高性能、輕質(zhì)量、小尺寸的動力系統(tǒng)可以為整個任務(wù)節(jié)省更多的質(zhì)量和空間，從而增加有效載荷質(zhì)量。用于多星發(fā)射、深空探測或軌道服務(wù)的上面級動力系統(tǒng)一般由一臺主發(fā)動機(jī)和多臺姿控發(fā)動機(jī)組成，主發(fā)動機(jī)用于變換母艙的方位、調(diào)整速度、校正軌道，姿控發(fā)動機(jī)用于母艙的俯仰、偏航和滾動的姿態(tài)控制。

上面級動力系統(tǒng)的典型方案主要有軌控/姿控發(fā)動機(jī)均為擠壓式的系統(tǒng)、軌控發(fā)動機(jī)采用泵壓式帶起動箱/姿控擠壓式的系統(tǒng)、軌控發(fā)動機(jī)采用泵壓式帶高壓貯箱起動/姿控擠壓式的系統(tǒng)、軌控發(fā)動機(jī)采用氣動泵壓式起動/姿控擠壓式的系統(tǒng)、姿軌控發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計的系統(tǒng)等。

一般總沖要求較高的上面級軌控動力一般采用泵壓工作方式，姿控動力一般采取擠壓工作方式。泵壓式發(fā)動機(jī)通過渦輪泵做功將推進(jìn)劑輸送至推力室，不需要很高的貯箱強度，可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時，泵壓式發(fā)動機(jī)推力室室壓較高，可實現(xiàn)較高的比沖及推力；擠壓式發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑貯箱強度較高，在發(fā)動機(jī)總沖小的情況下結(jié)構(gòu)簡單、可靠，但在總沖較大時不利于有效載荷的提高。

國外對于空間上面級一體化技術(shù)已經(jīng)開展了較為廣泛的研究和工程應(yīng)用，典型代表為采用雙模式工作系統(tǒng)的11D442 發(fā)動機(jī)、采用聯(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)的RD-866發(fā)動機(jī)。11D442發(fā)動機(jī)用于國際軌道服務(wù)“曙光”艙，共配套兩臺，推力模式下單臺發(fā)動機(jī)真空推力為4.38 kN；轉(zhuǎn)注模式下氧化劑流量為0.87 kg/s，燃料流量為0.55 kg/s。RD-866液體火箭發(fā)動機(jī)也采用擠壓和泵壓推進(jìn)劑聯(lián)合供應(yīng)，由主發(fā)動機(jī)、姿控發(fā)動機(jī)、聯(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)組成，主發(fā)動機(jī)可以20次啟動。

國內(nèi)泵壓式上面級動力系統(tǒng)目前已實現(xiàn)了在遠(yuǎn)征系列上面級發(fā)動機(jī)的工程應(yīng)用。動力系統(tǒng)由主發(fā)動機(jī)和姿控發(fā)動機(jī)組成，兩種發(fā)動機(jī)有獨立的供應(yīng)系統(tǒng)。主發(fā)動機(jī)采用泵壓工作方式，發(fā)動機(jī)推力量級覆蓋5～13 kN，根據(jù)任務(wù)需求，可選擇固定推力或可調(diào)節(jié)推力，多次啟動能力不低于9次，2次啟動發(fā)動機(jī)的啟動加速性(T90)不大于1.1 s，大于2次啟動發(fā)動機(jī)的啟動加速性(T90)時間約為5.1～11 s。因現(xiàn)有動力系統(tǒng)的主發(fā)動機(jī)和姿控發(fā)動機(jī)系統(tǒng)二者獨立，分別設(shè)置推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)，整個動力系統(tǒng)組件較多、質(zhì)量大、占用的空間大。

本文提出了一種基于差動氣動增壓裝置(以下簡稱為氣動增壓裝置)的多次啟動泵壓式姿軌控一體化動力系統(tǒng)，動力系統(tǒng)由主發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、姿控發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、一體化供應(yīng)系統(tǒng)等組成。主發(fā)動機(jī)采用泵壓工作方式，姿控發(fā)動機(jī)采用擠壓工作方式，兩種發(fā)動機(jī)共用推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)實現(xiàn)姿軌控一體化，采用差動氣動增壓裝置實現(xiàn)了主發(fā)動機(jī)的多次啟動。姿軌控一體化系統(tǒng)不僅具有泵壓式發(fā)動機(jī)高性能、質(zhì)量小、外廓尺寸小的優(yōu)點，而且兼顧了擠壓式發(fā)動機(jī)的工作特點；其一體化貯箱不僅為主發(fā)動機(jī)提供啟動時燃?xì)獍l(fā)生器的推進(jìn)劑供應(yīng)，還作為姿控發(fā)動機(jī)的貯箱，為姿控發(fā)動機(jī)提供推進(jìn)劑，節(jié)省了姿控發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)，有效降低了動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)省了空間，進(jìn)行泵壓式姿軌控一體化技術(shù)研究具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，提出了一種基于氣動增壓裝置的多次啟動泵壓式姿軌控一體化動力系統(tǒng)，動力系統(tǒng)原理圖如圖1所示，由主發(fā)動機(jī)、姿控發(fā)動機(jī)、一體化系統(tǒng)等組成。

圖1 泵壓式姿軌控一體動力系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the pump-feed dynamical system integrated with the orbit and attitude control

主發(fā)動機(jī)由推力室、燃?xì)獍l(fā)生器、渦輪泵、啟動系統(tǒng)、閥門及管路組成，用于軌道控制；姿控發(fā)動機(jī)由雙組元推力室、高壓貯箱、電磁閥等組成，用于姿態(tài)控制；一體化系統(tǒng)主要由姿控高壓貯箱轉(zhuǎn)注與主機(jī)啟動控制組件組成，包括氣動增壓裝置、轉(zhuǎn)注控制閥、轉(zhuǎn)注控制器等，用于實現(xiàn)姿軌控一體化供應(yīng)。

1.2 工作原理

該動力系統(tǒng)的工作原理、主要工作過程如下：

1)主機(jī)工作過程。需要主機(jī)工作提供軌控動力時，氣動增壓裝置氣路控制閥打開，增壓氣瓶內(nèi)氣體為氣動增壓裝置提供作動氣，主貯箱內(nèi)推進(jìn)劑通過氣動增壓裝置后壓力升高，供應(yīng)燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生燃?xì)獯祫訙u輪泵啟動，當(dāng)泵后壓力高于氣動增壓裝置出口壓力時，氣動增壓裝置停止工作，燃?xì)獍l(fā)生器工作所需的推進(jìn)劑轉(zhuǎn)由渦輪泵提供，此時通向推力室的主閥為打開狀態(tài)，通向高壓貯箱的轉(zhuǎn)注控制閥為關(guān)閉狀態(tài)，主發(fā)動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。

2)轉(zhuǎn)注工作過程。高壓貯箱液位低于轉(zhuǎn)注控制閾值下限時，轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)注指令，氣動增壓裝置啟動，主貯箱內(nèi)推進(jìn)劑通過氣動增壓裝置后增壓，供應(yīng)燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生燃?xì)獯祫訙u輪泵啟動，當(dāng)泵后壓力高于氣動增壓裝置出口壓力時，氣動增壓裝置停止工作，燃?xì)獍l(fā)生器工作所需的推進(jìn)劑轉(zhuǎn)由渦輪泵提供，此時通向推力室的主閥為關(guān)閉狀態(tài)，通向高壓貯箱的轉(zhuǎn)注控制閥為打開狀態(tài)，轉(zhuǎn)注過程開始，當(dāng)高壓貯箱液位高于轉(zhuǎn)注控制閾值的上限時，關(guān)閉轉(zhuǎn)注控制閥，轉(zhuǎn)注結(jié)束。轉(zhuǎn)注期間貯箱氣腔通過泄壓以保持貯箱內(nèi)壓力。

3)姿控發(fā)動機(jī)工作過程。需要姿控模塊工作以提供姿控動力時，完成高壓貯箱增壓，通過控制電磁閥使姿控推力室工作。

1.3 主要性能參數(shù)

以某上面級6.5 kN多次啟動發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計一體化動力系統(tǒng)驗證樣機(jī)，姿控發(fā)動機(jī)選擇某型成熟應(yīng)用產(chǎn)品25 N、200 N發(fā)動機(jī)，高壓貯箱的容積選取為10 L。姿軌控一體化動力系統(tǒng)驗證樣機(jī)主要性能參數(shù)見表1。

表1 一體化驗證樣機(jī)主要參數(shù)

1.4 功能及特點

1)一體提供軌控動力以及姿控動力；

2)主機(jī)工作及轉(zhuǎn)注啟動氣源與姿控發(fā)動機(jī)高壓貯箱共用氣源，氣源一體化供應(yīng)；

3)設(shè)置轉(zhuǎn)注功能，姿控發(fā)動機(jī)與主發(fā)動機(jī)共用主貯箱內(nèi)推進(jìn)劑，推進(jìn)劑一體化供應(yīng)；

4)主發(fā)動機(jī)采用差動氣動增壓裝置進(jìn)行多次啟動，理論上不限啟動次數(shù)；

5)高壓姿控貯箱設(shè)置位移傳感器，控制對高壓貯箱進(jìn)行推進(jìn)劑的轉(zhuǎn)注時間；

6)將轉(zhuǎn)注時的推進(jìn)劑混合比與姿控模塊消耗時混合比設(shè)置為相同，避免充填不同步；

7)理論上轉(zhuǎn)注不限次數(shù)，姿控發(fā)動機(jī)工作時間越長，相比非一體化動力系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)減質(zhì)越明顯。

2 系統(tǒng)特性驗證試驗

2.1 概況

對基于差動氣動增壓裝置的多次啟動姿軌控一體化動力系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行了研究，本文主要針對氣動增壓裝置的啟動特性、主機(jī)多次啟動性能、一體化供應(yīng)工作特性的研究結(jié)果進(jìn)行了分析。

2.2 氣動增壓裝置的啟動特性

2.2.1 氣動增壓裝置的工作原理

氣動增壓裝置安裝在主發(fā)動機(jī)副系統(tǒng)，用于供應(yīng)主機(jī)啟動過程中的渦輪工質(zhì)。主機(jī)啟動時，氣動增壓裝置從主貯箱吸入低壓推進(jìn)劑，并將增壓后的推進(jìn)劑供給至發(fā)生器，產(chǎn)生燃?xì)怛?qū)動渦輪泵，當(dāng)泵出口壓力高于氣動增壓裝置出口壓力時，氣動增壓裝置自動關(guān)閉不再輸出流量，發(fā)生器介質(zhì)轉(zhuǎn)由泵后供給，主機(jī)啟動完成。

氣動增壓裝置液路入口為低壓推進(jìn)劑，采用自吸式增壓方案，主氣缸和輔氣缸分別在活塞兩側(cè)，液缸在中間，原理圖如圖2所示。通過控制對主氣缸充氣、放氣，然后對輔氣缸充氣、放氣，交替工作，兩側(cè)氣缸的壓差推動中間活塞的往復(fù)運動，提高進(jìn)入液腔的低壓推進(jìn)劑的壓力。

圖2 氣動增壓裝置原理示意圖Fig.2 Schematic diagram for the pneumatic apparatus

2.2.2 氣動增壓裝置工作仿真特性

地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平密切影響著居民的收入水平相互影響，而居民的收入水平與價格水平息息相關(guān)。便也間接決定了居民的可支配收入水平。經(jīng)濟(jì)水平上升，整體商品房價格也會有上升趨勢。相反則會呈現(xiàn)出低水平的整體商品房價格。從這一點看，和改革初期相比，40年后的今天價格指數(shù)明顯存在巨額增長，也就是說，國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的結(jié)果與收入水平等經(jīng)濟(jì)因素緊密關(guān)聯(lián)。當(dāng)下而言，沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)一、二線城市與普通城市之間商品住宅價格水平有很大的差異。這種差異便是源于這些城市在這些經(jīng)濟(jì)因素上的顯著差異。

根據(jù)氣動增壓裝置工作原理，使用AMESim軟件建立仿真模型，計算結(jié)果表明在活塞換向過程中輸出壓力存在瞬間降低。以氣動增壓裝置為核心，建立由控制氣源、推進(jìn)劑源、氣動增壓裝置、管路等組成的系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 氣動增壓裝置推進(jìn)劑出口壓力曲線Fig.3 Outlet pressure curve of the pneumatic apparatus

圖4 氣動增壓裝置推進(jìn)劑出口流量曲線Fig.4 Outlet flow curve of the pneumatic apparatus

圖3和圖4結(jié)果表明：①氣動增壓裝置隨著活塞的周期性往復(fù)運動，輸出壓力和流量呈現(xiàn)周期性變化，輸出壓力、流量的變化頻率為活塞運動頻率的2倍；②當(dāng)活塞運動至最大行程時，活塞運動方向改變，瞬時速度為0，氣動增壓裝置輸出壓力和流量均達(dá)到向下的尖峰；③在推進(jìn)劑入口壓力0.5 MPa，控制氣壓力3 MPa下，氣動增壓裝置出口壓力約為3.8 MPa。后面通過氣動增壓裝置啟動試驗，驗證其周期性波動與發(fā)生器工作的匹配性。

2.2.3 氣動增壓裝置啟動試驗特性

氣動增壓裝置啟動試驗系統(tǒng)如圖5所示。采用氣動增壓裝置對渦輪泵前推進(jìn)劑進(jìn)行增壓，供應(yīng)燃?xì)獍l(fā)生器點火工作，產(chǎn)生燃?xì)怛?qū)動渦輪泵，對氣動增壓裝置啟動的系統(tǒng)特性進(jìn)行了試驗研究。試驗中共進(jìn)行了4次氣動增壓裝置啟動。4次啟動試驗中，改變了兩氣動增壓裝置液路入口壓力(先后為0.5 MPa、0.65 MPa、0.26 MPa、0.5 MPa)和兩氣動增壓裝置增壓控制氣的壓力(先后為3 MPa、3 MPa、3 MPa、2.5 MPa)，考察不同工況對啟動特性的影響。

圖5 氣動增壓裝置啟動試驗原理圖Fig.5 Experiment system for start-up characteristics of the pneumatic apparatus

氣動增壓裝置啟動試驗時，-2 s時刻氣源加載氣動增壓裝置，0 s燃料氣動增壓裝置出口控制閥打開，1.2 s時刻，氧化劑氣動增壓裝置出口控制閥打開。4次啟動試驗中氣動增壓裝置、渦輪泵、燃?xì)獍l(fā)生器的性能參數(shù)變化情況見圖6，燃?xì)獍l(fā)生器流量特性曲線即氣動增壓裝置出口流量特性曲線見圖7。其中：、分別為燃料、氧化劑氣動增壓裝置出口壓力；為渦輪入口壓力；、分別為渦輪泵燃料、氧化劑出口壓力；、分別為進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器的燃料路流量、氧化路流量。

圖6 氣動增壓裝置啟動試驗中系統(tǒng)性能特性曲線Fig.6 Experimental characters for the start-up performance of the pneumatic apparatus

圖7 氣動增壓裝置啟動試驗中發(fā)生器流量特性曲線Fig.7 Experimental flow characters of the generators

氣源加載氣動增壓裝置后，氣動增壓裝置出口很快建壓至穩(wěn)定值；燃料氣動增壓裝置、氧化劑氣動增壓裝置出口的控制閥門先后開啟，氧化劑氣動增壓裝置出口無明顯掉壓，原因是氧化劑啟動控制閥出口設(shè)置了小尺寸限流圈；氣動增壓裝置開始動作向下游容積充填推進(jìn)劑，2種推進(jìn)劑都到達(dá)燃?xì)獍l(fā)生器后渦輪入口壓力開始建立，氧化劑啟動控制閥開啟0.3 s后燃?xì)獍l(fā)生器、氣動增壓裝置均達(dá)到穩(wěn)態(tài)工況，氣動增壓裝置出口流量、燃?xì)獍l(fā)生器流量均達(dá)到穩(wěn)態(tài)；2 s時刻，主泵出口壓力已經(jīng)超過氣動增壓裝置出口壓力。

1)4次啟動試驗中，氣動增壓裝置穩(wěn)態(tài)工作時其輸出呈現(xiàn)周期性波動，其中氧化劑氣動增壓裝置的工作頻率約為0.6 Hz，輸出壓力約為3.5～4 MPa，燃料氣動增壓裝置的工作頻率約為4 Hz，輸出壓力約為3.5～4 MPa，氣動增壓裝置的工作頻率、輸出壓力情況與仿真計算結(jié)果是基本吻合的。

2)4次試驗利用氣動增壓裝置啟動能夠使兩泵出口壓力達(dá)到4～5.5 MPa，高于氣動增壓裝置出口壓力，能夠使渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到25 000～28 000 r/min，可以實現(xiàn)啟動工況向渦輪泵泵壓工況的穩(wěn)定接力。

4)從試驗曲線看，4次啟動中各參數(shù)變化規(guī)律基本一致，說明氣動增壓裝置啟動在試驗工況下啟動特性穩(wěn)定，第3、4次啟動中入口壓力或控制氣壓力的減小導(dǎo)致氣動增壓裝置輸出壓力發(fā)生小幅度降低，其輸出特性的小幅度化不影響啟動工況向渦輪泵泵壓工況的接力。

2.3 主機(jī)多次啟動工作特性

2.3.1 多次啟動能力

進(jìn)行了不含推力室的姿軌控一體化動力系統(tǒng)半系統(tǒng)熱試車試驗，與全系統(tǒng)(見圖1)相比，泵后推進(jìn)劑通過節(jié)流降壓后流至回收罐，在泵出口設(shè)置了穩(wěn)壓器。試車中共進(jìn)行了20次主發(fā)動機(jī)在額定工況下的啟動，啟動過程中主機(jī)渦輪泵均采用氣動增壓裝置進(jìn)行啟動。

2.3.2 主機(jī)工作啟動特性

在發(fā)動機(jī)啟動段，各次啟動的參數(shù)曲線是幾乎重合的，因此，任選1次啟動對主發(fā)動機(jī)的啟動工作特性進(jìn)行分析，主發(fā)動機(jī)啟動過程參數(shù)變化見圖8。

圖8 主發(fā)動機(jī)啟動過程參數(shù)變化Fig.8 Performance parameters of the main engine during the start-up process

如圖8(a)所示，6.3 s氧化劑和燃料啟動閥打開，氣動增壓裝置開始為推進(jìn)劑增壓并供應(yīng)燃?xì)獍l(fā)生器，氣動增壓裝置由于其工作特性，出口壓力呈周期性波動，8.1 s氣動增壓裝置出口壓力停止周期性變化，表明此時渦輪泵出口穩(wěn)壓器開始工作，啟動過程中氣動增壓裝置工作時間約為1.8 s(6.3～8.1 s)，穩(wěn)壓器的設(shè)置有效抑制了泵后壓力波動。

如圖8(b)所示，6.3～8.1 s燃?xì)獍l(fā)生器相關(guān)壓力呈現(xiàn)與氣動增壓裝置波動一致的周期性波動，此后轉(zhuǎn)由泵后推進(jìn)劑對燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行供應(yīng)。

如圖8(c)、圖8(d)所示，泵后壓力、穩(wěn)壓器出口壓力及渦輪轉(zhuǎn)速在爬升過程中有一個不明顯的斜率變化，與圖7(a)對比分析后認(rèn)為，該斜率變化點為啟動接力點，之前為氣動增壓裝置供應(yīng)發(fā)生器啟動工況，之后為泵后推進(jìn)劑供應(yīng)發(fā)生器啟動工況，接力穩(wěn)定。啟動接力后，氣動增壓裝置出口壓力、發(fā)生器相關(guān)壓均呈現(xiàn)線性爬升，直至穩(wěn)態(tài)工況。如圖8(d)所示，從氧化劑和燃料啟動控制閥打開至達(dá)到渦輪轉(zhuǎn)速為90%額定工況的時間約為3.0 s(6.3～9.3 s)。

2.3.3 主機(jī)啟動加速性、穩(wěn)態(tài)工作特性

各次啟動渦輪轉(zhuǎn)速變化曲線如圖9所示，可統(tǒng)計主發(fā)動機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)工況90%的時間在2.8～4.3 s，其中第1次啟動4.3 s和第2次啟動3.9s，后續(xù)3～20次起動均在2.8～3.2 s之間，反映了啟動加速性較好的一致性。主機(jī)穩(wěn)態(tài)工作過程中渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，幾乎呈現(xiàn)一條直線，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速滿足額定工況。

圖9 主發(fā)動機(jī)啟動過程渦輪轉(zhuǎn)速參數(shù)變化Fig.9 Rotational speed change of the main engine

2.4 一體化供應(yīng)工作特性

該動力系統(tǒng)實現(xiàn)姿控發(fā)動機(jī)與主發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑一體化供應(yīng)的主要原理是設(shè)置轉(zhuǎn)注功能，高壓貯箱推進(jìn)劑消耗至液位低于轉(zhuǎn)注控制閾值下限時，打開轉(zhuǎn)注控制閥，主發(fā)動機(jī)啟動將主貯箱內(nèi)推進(jìn)劑通過渦輪泵增壓后供應(yīng)給高壓貯箱，高壓貯箱通過擠壓方式供應(yīng)推進(jìn)劑給姿控發(fā)動機(jī)提供姿控動力。轉(zhuǎn)注過程詳見1.2節(jié)。

在上述姿軌控一體化動力半系統(tǒng)熱試車試驗中，進(jìn)行了2次高壓貯箱轉(zhuǎn)注試驗，對該系統(tǒng)的一體化供應(yīng)工作特性進(jìn)行研究與分析。

首先通過姿控發(fā)動機(jī)點火消耗高壓貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑，當(dāng)貯箱液位達(dá)到控制下限時，轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)注工作啟動指令，主機(jī)渦輪泵啟動，并為高壓貯箱轉(zhuǎn)注推進(jìn)劑，當(dāng)高壓貯箱液位達(dá)到控制上限時，轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)機(jī)指令，停止轉(zhuǎn)注，轉(zhuǎn)注持續(xù)時間為5.2 s。轉(zhuǎn)注過程高壓貯箱液位傳感器參數(shù)變化見圖10，實際液位與傳感器參數(shù)變化呈反比。

圖10 轉(zhuǎn)注過程高壓貯箱液位變化Fig.10 Level change in the high-pressure tank of the transfusing process

1)0～67.2 s，姿控發(fā)動機(jī)點火工作逐漸消耗高壓貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑；67.2 s關(guān)機(jī)，推進(jìn)劑停止消耗，轉(zhuǎn)注程序啟動。

2)67.2～69.9 s，轉(zhuǎn)注程序已啟動，但是管路的充填、泵后壓力的升高需要一定時間，只有當(dāng)泵后壓力高于貯箱背壓，且壓差足以打開轉(zhuǎn)注單向閥的時候，才能向高壓貯箱內(nèi)轉(zhuǎn)注推進(jìn)劑，因此在一個較短的時間(2.7 s)內(nèi)，高壓貯箱的液位未發(fā)生變化。

3)69.9～75.1 s，氧化劑和燃料貯箱的液位大致呈現(xiàn)線性下降，表明轉(zhuǎn)注過程中的流量較為穩(wěn)定；75.1 s后，轉(zhuǎn)注停止，貯箱液位不再變化。在關(guān)機(jī)指令發(fā)出后，由于泵后壓力不會立刻降低至箱壓以下，在轉(zhuǎn)注控制閥關(guān)閉前還會繼續(xù)充填。

試驗過程表明：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)注供應(yīng)特性穩(wěn)定，采用轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)輔助實現(xiàn)了主機(jī)工作與轉(zhuǎn)注工作的過程轉(zhuǎn)換。高壓貯箱轉(zhuǎn)注過程中主機(jī)渦輪泵也采用氣動增壓裝置進(jìn)行啟動，轉(zhuǎn)注模式下的發(fā)動機(jī)啟動、關(guān)機(jī)及穩(wěn)態(tài)工作特性與主機(jī)啟動相同；姿控發(fā)動機(jī)點火工作過程中，高壓貯箱壓力變化范圍在3.0～3.05 MPa之間，箱壓穩(wěn)定，工作正常，姿控工作特性穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文針對多次啟動、高性能、輕質(zhì)量、小尺寸的動力需求，提出了一種基于差動氣動增壓裝置的姿軌控一體化動力系統(tǒng)。并以某上面級6.5 kN多次啟動發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，對該動力系統(tǒng)的氣動增壓裝置啟動特性、主機(jī)多次啟動工作特性、一體化供應(yīng)工作特性等進(jìn)行了研究。實際應(yīng)用時可以根據(jù)火箭總體需求采用其他推力量級的軌控發(fā)動機(jī)與姿控發(fā)動機(jī)。

研究結(jié)果表明，該姿軌控一體化動力系統(tǒng)采用差動氣動增壓裝置可以實現(xiàn)主發(fā)動機(jī)啟動次數(shù)不小于20次，多次啟動加速性(T90)縮短到3 s以下；為了實現(xiàn)姿控發(fā)動機(jī)與主發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑的一體化供應(yīng)，設(shè)置了轉(zhuǎn)注功能，并通過轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)實現(xiàn)主機(jī)工作與轉(zhuǎn)注過程的智能控制。由于姿控發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑供應(yīng)貯箱可以通過主機(jī)渦輪泵進(jìn)行轉(zhuǎn)注，減小了姿控貯箱的規(guī)模，同時節(jié)省了專門的姿控發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)，與非一體化設(shè)計動力系統(tǒng)相比在減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量、節(jié)省空間、簡化系統(tǒng)復(fù)雜度方面有一定優(yōu)勢。理論上轉(zhuǎn)注工作不限次數(shù)，姿控發(fā)動機(jī)消耗的推進(jìn)劑量較多時，姿控貯箱減小量越大，減質(zhì)效果越好。