25 tf膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)展

褚寶鑫，趙海龍，陳旭揚(yáng)，龔杰峰

(北京航天動(dòng)力研究所， 北京 100076)

0 引言

膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有性能高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，特別適用于高性能的可重復(fù)啟動(dòng)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪的工質(zhì)是冷卻燃燒室和部分噴管的燃料，工質(zhì)溫度低，驅(qū)動(dòng)渦輪后可全部進(jìn)入推力室產(chǎn)生推力。由于液氫是高能燃料和性能優(yōu)良的冷卻劑，所以膨脹循環(huán)系統(tǒng)在低溫氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了較廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

20世紀(jì)和21世紀(jì)初，美國(guó)、俄羅斯、歐洲和日本均開(kāi)展了不同推力量級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制：10 tf級(jí)推力的有美國(guó)RL-10系列、俄羅斯的RD-0146、日本的LE-5B；20 tf級(jí)推力的有歐洲的Vinci和美國(guó)的RL-60；100 tf級(jí)的有日本在研的LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)除了日本發(fā)動(dòng)機(jī)采用了開(kāi)式膨脹循環(huán)方式外，其余均采用了性能更高的閉式膨脹循環(huán)方式。閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中推力最大的是RL-60發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到27 tf，但目前已經(jīng)中止研制。

我國(guó)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制起步較晚，21世紀(jì)初在長(zhǎng)三甲系列火箭上面級(jí)YF-75發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)展了閉式膨脹循環(huán)技術(shù)的相關(guān)研究，研制成功的YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)用于長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭，2016年首飛成功。相較國(guó)外膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，我國(guó)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)仍存在以下不足：

1)比沖偏低。YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)比沖僅442 s，與國(guó)外相比仍存在較大差距。

2)不具備大范圍變推力調(diào)節(jié)能力。YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)為定推力，而國(guó)外的膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)均具備大范圍變推力調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到30%～100%。

3)啟動(dòng)次數(shù)低。YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)采用火藥點(diǎn)火，只具備兩次啟動(dòng)能力。而國(guó)外已普遍采用火炬式電點(diǎn)火技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)均具備3次以上的多次點(diǎn)火啟動(dòng)能力，使火箭及飛行器執(zhí)行任務(wù)的能力大大增強(qiáng)。

國(guó)內(nèi)外閉式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外閉式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)對(duì)比Tab.1 Main parameters of LOX/LH2 close expander cycle rocket engine

為了滿足我國(guó)未來(lái)航天發(fā)展需要，提高進(jìn)入空間的能力，我國(guó)開(kāi)展了重型運(yùn)載火箭的技術(shù)方案論證和關(guān)鍵技術(shù)研究，并開(kāi)展25 tf膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案研究。2016年，火箭總體經(jīng)優(yōu)化論證正式提出重型運(yùn)載火箭三級(jí)采用4臺(tái)25 tf膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，此后在火箭總體的牽引下開(kāi)展了25 tf膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及整機(jī)研制。

25 tf膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)后研制的第二型閉式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，也是目前世界上在研的最大推力閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)將具備高可靠、高比沖、大范圍變推力以及多次點(diǎn)火等能力。本文對(duì)我國(guó)25 tf膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案和研制情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方案

25 t膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)真空比沖455.2 s，具備雙向搖擺、大范圍推力調(diào)節(jié)能力和多次點(diǎn)火能力。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案和模裝見(jiàn)圖1。發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙渦輪串聯(lián)閉式膨脹循環(huán)方案，氫渦輪泵和氧渦輪泵分置于推力室兩側(cè)，液氫經(jīng)氫泵后進(jìn)入推力室身部出口的再生冷卻通道內(nèi)，在再生冷卻通道內(nèi)吸熱膨脹成為氣氫后依次驅(qū)動(dòng)氫、氧渦輪泵，做功后的氣氫進(jìn)入推力室頭部，并在燃燒室內(nèi)與液氧混合燃燒產(chǎn)生推力。發(fā)動(dòng)機(jī)采用低壓火炬電點(diǎn)火、箱壓自身啟動(dòng)方案。啟動(dòng)過(guò)程為：氧主閥前和氫主閥前的氫點(diǎn)火閥和氧點(diǎn)火閥打開(kāi)，氫、氧介質(zhì)在貯箱箱壓作用下進(jìn)入火炬點(diǎn)火室被點(diǎn)火電嘴點(diǎn)燃，燃?xì)庥牲c(diǎn)火室噴入推力室形成火炬。氫主閥和氧主閥打開(kāi)，氫氧介質(zhì)進(jìn)入推力室被火炬點(diǎn)燃。推力室點(diǎn)火后，燃?xì)饨o流經(jīng)冷卻夾套的氫介質(zhì)提供持續(xù)不斷的熱量，形成正反饋使渦輪泵轉(zhuǎn)速和燃燒室壓力爬升直至達(dá)到設(shè)定工況。發(fā)動(dòng)機(jī)在氫渦輪和氧渦輪的旁路上分別設(shè)置了電動(dòng)推力調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)混合比調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)節(jié)兩閥門(mén)的開(kāi)度控制氫、氧渦輪的分流流量和輸出功率，進(jìn)而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的氫、氧流量達(dá)到調(diào)節(jié)推力和混合比的目的。大噴管采用固定面積比、輻射冷卻的碳陶復(fù)合材料噴管。發(fā)動(dòng)機(jī)采用泵前搖擺，單機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及單機(jī)模裝圖Fig.1 Engine schematic and mechanical lay-out

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Tab.2 Engine main parameters

2 發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)展

2.1 推力室及噴管

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真分析，推力室身部夾套溫升是影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力實(shí)現(xiàn)的最主要影響因素。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)要求推力室設(shè)計(jì)室壓為7 MPa，設(shè)計(jì)工況下身部夾套溫升不小于230 K 。針對(duì)較高的溫升要求，推力室身部在繼承了我國(guó)YF-75D的槽式冷卻方案基礎(chǔ)上，為提高換熱量在內(nèi)壁圓柱段設(shè)置了增強(qiáng)換熱縱向肋，同時(shí)采用了全流量氫逆流冷卻方案以降低流阻。頭部設(shè)計(jì)采用了兩腔三底方案，為適應(yīng)大范圍變工況要求，噴嘴采用了各圈不等長(zhǎng)度的氣氫液氧同軸方案，噴嘴與二底采用3D打印一體化設(shè)計(jì)制造，大幅減少頭部焊縫數(shù)量。噴管為出口面積比達(dá)160的兩段組合固定式輕質(zhì)碳陶復(fù)合材料輻射冷卻噴管。

身部的詳細(xì)設(shè)計(jì)中采用了冷卻通道變肋高變肋寬變槽數(shù)多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、單通道傳熱流阻仿真和全通道燃燒-傳熱-流動(dòng)耦合仿真，對(duì)不同加肋結(jié)構(gòu)方案的增強(qiáng)換熱效果進(jìn)行對(duì)比分析，確定了身部冷卻通道及增強(qiáng)換熱肋的具體結(jié)構(gòu)方案。制造了1∶2.6的帶有量熱式身部的縮比推力室，開(kāi)展了60%～100%設(shè)計(jì)室壓下的累計(jì)10次熱試驗(yàn)，獲取了頭部流量特性以及身部在內(nèi)壁加肋、不加肋狀態(tài)的換熱特性，試驗(yàn)分析結(jié)果表明加肋比不加肋狀態(tài)的推力室總換熱量增加約9.2%，氣壁溫雖相對(duì)有所增加但仍在銅合金材料的使用范圍內(nèi)。根據(jù)縮比試驗(yàn)驗(yàn)證的方案設(shè)計(jì)生產(chǎn)了全尺寸推力室，并通過(guò)2次全尺寸推力室擠壓熱試驗(yàn)獲取了全尺寸推力室的流量特性、燃燒特性、冷卻通道的流阻和溫升。兩次試驗(yàn)工況分別為60%和100%，結(jié)果表明在兩工況下燃燒均穩(wěn)定可靠，內(nèi)壁無(wú)燒蝕，100%工況下身部夾套的溫升為260 K，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。試驗(yàn)照片見(jiàn)圖2。

圖2 縮尺寸推力室擠壓熱試驗(yàn)及全尺寸推力室擠壓熱試驗(yàn)Fig.2 Hot tests of subscale chamber and full-scale chamber

2.2 渦輪泵

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真分析，氫渦輪泵效率是影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力實(shí)現(xiàn)的次要影響因素，氫渦輪泵設(shè)計(jì)效率要求值為不低于0.48，泵出口壓力達(dá)到24 MPa。經(jīng)多方案選擇確定氫泵為帶誘導(dǎo)輪的兩級(jí)離心泵，氫渦輪為雙級(jí)反力式軸流渦輪，轉(zhuǎn)子為工作在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間的柔性轉(zhuǎn)子，額定轉(zhuǎn)速為80 000 r/min。在氫泵和氫渦輪的詳細(xì)設(shè)計(jì)中均采用了CFD多方案仿真與流固耦合有限元強(qiáng)度分析結(jié)合進(jìn)行三維扭曲葉片的優(yōu)化，減少流動(dòng)損失并控制轉(zhuǎn)動(dòng)件應(yīng)力，同時(shí)采用了比強(qiáng)度較高的鈦合金材料。通過(guò)氫泵水力試驗(yàn)、渦輪葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)獲取了流場(chǎng)及壓力實(shí)際分布。通過(guò)對(duì)兩級(jí)粉末冶金鈦合金離心輪和鈦合金鍛件電火花渦輪盤(pán)開(kāi)展的最高轉(zhuǎn)速達(dá)92 000 r/min的常溫超轉(zhuǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)動(dòng)件的強(qiáng)度。氫渦輪泵研制過(guò)程中還完成了3×10DN值氫渦輪泵軸承的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，搭建了渦輪驅(qū)動(dòng)低溫軸承試驗(yàn)臺(tái)，并開(kāi)展了80 000 r/min軸承液氮臺(tái)架試驗(yàn)。氫渦輪泵已完成整機(jī)生產(chǎn)，并通過(guò)兩次低溫介質(zhì)試驗(yàn)獲取了覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)60%～100%變工況范圍的氫渦輪泵效率和泵壓升特性，試驗(yàn)分析結(jié)果表明氫渦輪泵工作平穩(wěn)，額定點(diǎn)效率為49%，泵出口壓力為24.3 MPa，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。研制中的照片見(jiàn)圖3。

圖3 氫泵水力試驗(yàn)和氫渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)Fig.3 Hydrogen pump in hydraulic tests and TPH tests

氧渦輪泵設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為20 000 r/min。氧泵為帶誘導(dǎo)輪的單級(jí)離心泵。氧渦輪為單級(jí)反力式軸流渦輪。轉(zhuǎn)子為工作在一階臨界轉(zhuǎn)速以內(nèi)的剛性轉(zhuǎn)子。兩軸承均采用液氧冷卻，液氧與渦輪端高壓氣氫采用氦氣及多道新型動(dòng)密封隔離。氧渦輪泵研制過(guò)程中已通過(guò)軸承液氮臺(tái)架試驗(yàn)、各道動(dòng)密封的低溫介質(zhì)或氦氣試驗(yàn)、氧泵水力試驗(yàn)和氧轉(zhuǎn)子動(dòng)特性試驗(yàn)等完成了全部零組件級(jí)的設(shè)計(jì)考核，如圖4所示。首臺(tái)氧渦輪泵已完成裝配，近期將開(kāi)展介質(zhì)試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 氧泵水力試驗(yàn)和氧渦輪泵裝配照片F(xiàn)ig.4 Oxygen pump in hydraulic tests and TPO after completion of its assembly

2.3 推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

推力調(diào)節(jié)閥和混合比調(diào)節(jié)閥采用相同結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)閥為斜交套筒式結(jié)構(gòu)，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具備大角度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)能力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力、混合比高度耦合，因此在推力大范圍調(diào)節(jié)時(shí)要同步對(duì)混合比進(jìn)行調(diào)控。針對(duì)調(diào)節(jié)需求分別研制了調(diào)節(jié)閥、作動(dòng)器和控制器，并通過(guò)模型在環(huán)數(shù)學(xué)仿真和硬件在環(huán)驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)在推力和混合比雙PI閉環(huán)控制方案下能夠?qū)崿F(xiàn)60%～100%推力的平穩(wěn)、快速調(diào)節(jié)。在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣流試驗(yàn)和氫渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)中，分別針對(duì)調(diào)節(jié)閥后氣體壓力、氫渦輪泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行了閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)不同參數(shù)均能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)協(xié)調(diào)性和閉環(huán)控制邏輯的正確性，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣流試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)調(diào)節(jié)仿真與硬件在環(huán)曲線見(jiàn)圖5。

圖5 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣流試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)仿真與硬件在環(huán)曲線Fig.5 Air tests of electric thrust control valve and curves of throttling simulation and hardware-in-the-loop tests

2.4 點(diǎn)火系統(tǒng)

25 tf膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣氫液氧的低壓火炬電點(diǎn)火方案。點(diǎn)火電路裝置由電激勵(lì)器、點(diǎn)火電纜、點(diǎn)火電嘴組成，電激勵(lì)器采用雙路輸出，同時(shí)供兩路電嘴使用實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火冗余。點(diǎn)火室設(shè)計(jì)室壓0.22 MPa，總混合比2.0，氫氧噴嘴為同軸式噴嘴，液氧通過(guò)中心噴嘴進(jìn)入點(diǎn)火室與一路氣氫混合由兩個(gè)點(diǎn)火電嘴點(diǎn)燃并燃燒，另一路氣氫經(jīng)冷卻氫入口孔分流對(duì)點(diǎn)火室和引火管進(jìn)行冷卻。針對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了共計(jì)43次地面環(huán)境低壓點(diǎn)火試驗(yàn)，其中包括連續(xù)12次點(diǎn)火、額定混合比持續(xù)工作1 175 s，以及混合比分別偏差到最小0.13和最大4.5的試驗(yàn)工況，額定工況點(diǎn)火試驗(yàn)照片見(jiàn)圖6，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)方案在各種極限工況下均能可靠點(diǎn)火。

圖6 電點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火試驗(yàn)Fig.6 Hot tests of electric ignition system

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近5年的研制，25 tf膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)主要組件及子系統(tǒng)方案均已經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，影響發(fā)動(dòng)機(jī)能否實(shí)現(xiàn)最大推力的兩個(gè)最主要因素(推力室冷卻通道的溫升和氫渦輪泵效率)已通過(guò)試驗(yàn)證明達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)方案實(shí)現(xiàn)已不存在技術(shù)障礙。2022年將完成首臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)短噴管狀態(tài)整機(jī)生產(chǎn)并開(kāi)展熱試車驗(yàn)證，進(jìn)一步對(duì)相關(guān)技術(shù)方案進(jìn)行集成驗(yàn)證。通過(guò)相關(guān)技術(shù)的研究不僅將使我國(guó)的上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)具備高可靠、高比沖、大范圍變推力以及多次點(diǎn)火等能力，也可推廣用于現(xiàn)役氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)提升能力、拓展應(yīng)用方向，推動(dòng)我國(guó)航天運(yùn)載能力提升。