新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)方案研究

李淑艷，肖明杰，李曉瑾，鄭小鵬，董萬峰

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)的作用是為航天器飛行過程中變軌和姿態(tài)控制提供動力。近年來，隨著軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)推進劑量需求不斷增加，且安裝空間小、質(zhì)量輕的要求更加突出，傳統(tǒng)的冷氣恒壓擠壓單組元、雙組元和冷氣發(fā)動機方案已無法滿足新型航天器的發(fā)展要求，有必要探索和研究新型軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)。

1 國外新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)是介于擠壓式系統(tǒng)與渦輪泵壓式系統(tǒng)之間的一種新型動力系統(tǒng)方案，國外對這種系統(tǒng)開展了大量的研究工作。20世紀90年代，該增壓系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展進入了一個新的里程碑。

美國的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL） 和奧林航天公司（OAC） 分別在1993年和1994年進行了單組元催化分解產(chǎn)生熱燃氣驅(qū)動活塞泵的發(fā)動機系統(tǒng)地面試驗，其中奧林航天公司采用的活塞泵增壓動力系統(tǒng)主要組件有1個不銹鋼推進劑貯箱、1臺四缸活塞泵、1臺單組元燃氣發(fā)生器、2臺推力裝置、液體壓力調(diào)節(jié)器和熱燃氣調(diào)節(jié)器。

1994年，LLNL將單組元肼催化分解活塞泵增壓動力系統(tǒng)在長1.9 m、直徑0.16 m的火箭上成功進行了飛行試驗，活塞泵質(zhì)量約365 g，能供應(yīng)產(chǎn)生450 N推力的推進劑流量，動力系統(tǒng)干質(zhì)量約2 kg，可產(chǎn)生2 km/s以上的速度增量。該動力系統(tǒng)主要包括1個15.3 L的鈦合金貯箱、1臺四缸活塞泵、2臺單組元燃氣發(fā)生器、4臺推力裝置、液體壓力調(diào)節(jié)器和熱燃氣調(diào)節(jié)器。

2002年，LLNL又將改進后的活塞泵采用過氧化氫完成了動力系統(tǒng)地面試驗。至此，美國在活塞泵增壓單組元系統(tǒng)的研究已較為成熟。在活塞泵增壓單組元系統(tǒng)研究的同時，早在1993年，LLNL就已經(jīng)提出活塞泵增壓雙組元系統(tǒng)方案的設(shè)想，2005年，在活塞泵增壓單組元系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，LLNL開展了活塞泵增壓雙組元系統(tǒng)的研究。該研究的應(yīng)用背景是為火星探測地質(zhì)標本返回飛行器提供上升及軌/姿控動力，設(shè)計的雙組元活塞泵質(zhì)量約400 g，可提供壓力為7 MPa、推力為1 000 N的推進劑所需流量，雙組元活塞泵示意圖見圖1。另外，針對前期研究中出現(xiàn)的活塞泵燃氣泄漏量較大的問題，LLNL還開展了無泄漏活塞泵的設(shè)計和研究，并用液體和冷氣進行了試驗驗證，活塞泵能提供壓力為5 MPa、流量為200 g/s的液體，無泄漏活塞泵示意圖見圖2。

烏克蘭研制的活塞泵動力系統(tǒng)已成功應(yīng)用于RD-860發(fā)動機上，見圖3。

從美國活塞泵增壓動力系統(tǒng)技術(shù)研究情況來看，活塞泵增壓動力系統(tǒng)技術(shù)的研究從單組元系統(tǒng)開始，已逐步向雙組元系統(tǒng)發(fā)展，完成了活塞泵增壓單組元系統(tǒng)地面試驗和原理性飛行試驗。烏克蘭研制的活塞泵動力系統(tǒng)已得到應(yīng)用。

圖1 雙組元活塞泵Fig.1 Bipropellant piston pump

圖2 無泄漏活塞泵Fig.2 Leak tight piston pump

圖3 RD-860發(fā)動機Fig.3 RD-860 engine

2 新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)方案

新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)用輕質(zhì)小型活塞泵代替氣瓶，通過肼催化分解產(chǎn)生的燃氣驅(qū)動活塞泵并保持推進劑貯箱壓力恒定，實現(xiàn)自增壓循環(huán)，可大幅度減小軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)干濕重比和結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)全系統(tǒng)預(yù)包裝和免維護使用；同時，采用該系統(tǒng)方案，可在不增加貯箱壓力的情況下，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動氣體壓力提高泵后推進劑壓力，從而提高推力室壓力，實現(xiàn)動力系統(tǒng)高性能、輕質(zhì)化和小型化。

一種典型的新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)見圖4，該系統(tǒng)采用燃氣驅(qū)動活塞泵增壓方案，推進劑采用MON-3和N2H4，貯箱預(yù)充氮氣，系統(tǒng)組件主要包括貯箱（2個）、電爆閥（2個）、充氣閥（2個）、加注泄出閥（2個）、活塞泵（2個）、控制閥、燃氣發(fā)生器、軌控發(fā)動機和姿控發(fā)動機各1臺。

圖4 活塞泵增壓系統(tǒng)Fig.4 Piston pump pressurized system

系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)工作前，在氧化劑和燃料貯箱通過充氣閥預(yù)充背壓；當(dāng)系統(tǒng)工作時，控制系統(tǒng)給電爆管通電電爆閥打開，肼和綠色四氧化二氮在貯箱背壓作用下，充填整個系統(tǒng)下游，肼流經(jīng)控制閥進入燃氣發(fā)生器經(jīng)催化分解產(chǎn)生燃氣，燃氣驅(qū)動活塞泵活塞，由于活塞泵內(nèi)活塞氣缸的面積大于液缸的面積，因此使泵下游液路產(chǎn)生了高于貯箱的壓力，這個升高的壓力被下游液體傳遞給控制閥、燃氣發(fā)生器和活塞泵，由控制閥控制系統(tǒng)壓力；當(dāng)控制閥達到額定壓力時，系統(tǒng)的壓力不再提高，系統(tǒng)增壓結(jié)束。當(dāng)發(fā)動機工作時，貯箱內(nèi)推進劑在初始背壓下落壓工作，燃氣驅(qū)動活塞泵活塞交替工作使推進劑壓力升高，為發(fā)動機持續(xù)供應(yīng)推進劑。

當(dāng)推力室工作時，打開相應(yīng)的控制閥門，氧化劑和燃料進入雙組元推力室經(jīng)撞擊、霧化、混合產(chǎn)生高溫燃氣，經(jīng)噴管加速后產(chǎn)生推力；或燃料肼推進劑進入分解室經(jīng)催化分解產(chǎn)生高溫燃氣，經(jīng)噴管加速后產(chǎn)生推力。達到控制目的后，關(guān)閉控制閥，推力室即停止工作。

3 新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)特點

新型活塞泵增壓軌/姿控動力系統(tǒng)結(jié)合了渦輪泵壓火箭發(fā)動機的高性能、輕質(zhì)量和擠壓式發(fā)動機多次快速起動的能力。該系統(tǒng)具有如下特點。

3.1 安全性高、使用維護性能好

系統(tǒng)中取消了氣瓶，只在貯箱中充低壓氣體，避免了高壓氣的預(yù)包裝問題。同時，貯箱采用預(yù)包裝設(shè)計后，使系統(tǒng)的使用、維護性能大幅提高。

3.2 質(zhì)量輕、體積小

目前軌/姿控發(fā)動機的很大一部分重量來自高壓氣瓶和貯箱，活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)沒有氣瓶，由輕質(zhì)小型活塞泵代替重而大的氣瓶；貯箱可用低壓貯箱，可采用薄壁輕質(zhì)的鈦合金貯箱，進一步降低貯箱的重量；活塞泵是通過活塞的交替工作提供推進劑供應(yīng)，確定合理的活塞運動頻率，可使活塞泵的結(jié)構(gòu)尺寸做得很小。

3.3 性能高、響應(yīng)快

擠壓式系統(tǒng)由于貯箱壓力升高會導(dǎo)致重量大幅增加，這使得推力室室壓提高也受到了限制，而采用該系統(tǒng)方案，可在不增加貯箱壓力的情況下，通過提高活塞泵后壓力，從而提高推力室室壓，進一步提高發(fā)動機性能；該系統(tǒng)可以像擠壓式系統(tǒng)一樣實現(xiàn)多次、快速啟動，通過閥門和推力室的快響應(yīng)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機快響應(yīng)。

3.4 適應(yīng)性好、可擴展性強

傳統(tǒng)擠壓式軌/姿控發(fā)動機一旦系統(tǒng)總沖發(fā)生變化，氣瓶等關(guān)鍵組件均需重新設(shè)計，而采用活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)，活塞泵的設(shè)計與供應(yīng)的流量有關(guān)，與推進劑總量無關(guān)。因此，當(dāng)總沖發(fā)生變化時，活塞泵不需重新設(shè)計即可直接借用，系統(tǒng)中其他組件僅作較小的改動即可實現(xiàn)。因此，該系統(tǒng)對不同的任務(wù)需求具有較好的適應(yīng)性；活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)可以為發(fā)動機提供多種供應(yīng)方式，發(fā)動機型式可采用液體雙組元發(fā)動機、氣液混合雙組元發(fā)動機、單組元催化分解發(fā)動機及燃氣發(fā)動機，該系統(tǒng)可擴展性強。

4 新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)點

新型軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)采用燃氣驅(qū)動活塞泵增壓方案。不同于傳統(tǒng)的冷氣擠壓式系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單組元燃氣發(fā)生器催化分解產(chǎn)生的燃氣驅(qū)動活塞泵。該系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在增壓系統(tǒng)上。

4.1 增壓系統(tǒng)參數(shù)匹配技術(shù)

活塞泵增壓系統(tǒng)通過貯箱背壓擠壓推進劑流經(jīng)下游，肼經(jīng)催化產(chǎn)生燃氣驅(qū)動活塞泵的閉環(huán)燃氣發(fā)生器循環(huán)系統(tǒng)。為實現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)穩(wěn)定增壓，需確保系統(tǒng)參數(shù)匹配，確定合適的活塞泵增壓比，合理分配增壓系統(tǒng)各組件壓降，使活塞泵升高的壓力大于增壓系統(tǒng)壓力損失，實現(xiàn)增壓系統(tǒng)循環(huán)增壓。

4.2 增壓系統(tǒng)熱控制技術(shù)

增壓系統(tǒng)采用肼催化分解燃氣驅(qū)動活塞泵，由于肼催化分解燃氣溫度高達1 200 K以上，如此高的燃氣溫度下直接對活塞泵增壓，將使活塞泵高溫動密封較難實現(xiàn)，工作壽命和可靠性受到影響，同時帶來推進劑安全等問題。因此，需合理控制燃氣溫度，保證高溫組件和推進劑工作在安全溫度范圍內(nèi)并盡可能提高燃氣增壓效率。

4.3 推進劑壓力和流量穩(wěn)定技術(shù)

由于活塞泵自身工作特點不可避免地轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生壓力和流量脈動，這種脈動可能會使發(fā)動機偏離額定混合比、發(fā)生低頻振蕩等，嚴重影響發(fā)動機性能及可靠性。需要通過活塞泵自身設(shè)計及系統(tǒng)上采取控制措施的技術(shù)途徑，穩(wěn)定推進劑壓力和流量供應(yīng)，滿足發(fā)動機供應(yīng)要求。

4.4 燃氣驅(qū)動活塞泵設(shè)計技術(shù)

活塞泵是該系統(tǒng)的核心組件，為保證連續(xù)供液，活塞泵氣、液缸分別采用多缸（兩缸以上）方案。根據(jù)系統(tǒng)特點及使用要求，活塞泵設(shè)計需要關(guān)注活塞泵總體結(jié)構(gòu)、高溫動密封及多缸聯(lián)動匹配等技術(shù)，實現(xiàn)輕質(zhì)、小型、穩(wěn)定和可靠工作。

5 新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)試驗驗證及仿真研究

開展了新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)研究工作，進行了主要組件試驗驗證和活塞泵增壓系統(tǒng)仿真研究。

5.1 活塞泵冷熱試驗證

進行了活塞泵冷熱試，典型工況熱試曲線見圖5，試驗數(shù)據(jù)見表1。活塞泵在最高入口燃氣溫度470 K下工作正常，增壓比與設(shè)計值相當(dāng)，輸出流量穩(wěn)定，考核了活塞泵設(shè)計方案的正確性，驗證了活塞泵在高溫下的工作能力。

圖5 活塞泵熱試曲線Fig.5 Experiment curves of piston pump

表1 活塞泵熱試數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment data of piston pump

5.2 單組元催化分解燃氣發(fā)生器熱試

進行了燃氣發(fā)生器方案試車，推進劑為無水肼。試驗進行了額定工況和高低工況下的穩(wěn)態(tài)、長程、脈沖及熱返浸等各種工況的考核，典型工況曲線見圖6。試車結(jié)果表明，燃氣發(fā)生器在各種工況下均工作正常，壓力、流量及燃氣溫度等參數(shù)滿足要求。

圖6 燃氣發(fā)生器熱試曲線Fig.6 Experiment curves of gas generator

5.3 活塞泵增壓系統(tǒng)仿真計算

在AMESim仿真平臺下，建立圖4中活塞泵增壓系統(tǒng)仿真模型，進行活塞泵增壓系統(tǒng)啟動及工作過程仿真，獲得的仿真曲線見圖7～9。仿真結(jié)果表明，活塞泵增壓系統(tǒng)可在1 s內(nèi)完成增壓，活塞泵增壓系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作且參數(shù)匹配，通過在活塞泵后設(shè)置蓄壓器有效降低了活塞泵出口壓力和流量脈動范圍，燃氣發(fā)生器出口燃氣經(jīng)過管路散熱后進入活塞泵燃氣溫度大幅降低。

圖7 啟動過程各處壓力Fig.7 Pressure at 4 testing points during start-up

圖8 工作過程各處壓力Fig.8 Pressure at 4 testing points during operation

圖9 工作過程各處溫度Fig.9 Temperature at 4 testing points during operation

6 結(jié)束語

新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)取消了擠壓式系統(tǒng)中的高壓氣瓶，通過采用低壓輕質(zhì)貯箱、高室壓小型化發(fā)動機及推進劑預(yù)包裝技術(shù)等，減小了系統(tǒng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸，提高了動力系統(tǒng)綜合性能。

通過開展新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)方案研究，掌握了燃氣驅(qū)動活塞泵和單組元催化分解燃氣發(fā)生器等主要組件設(shè)計技術(shù)，獲得了活塞泵增壓系統(tǒng)仿真特性，為新型活塞泵增壓軌/姿控發(fā)動機系統(tǒng)研究奠定了堅實技術(shù)基礎(chǔ)。

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