液體火箭發(fā)動機電動泵系統(tǒng)發(fā)展及性能研究

王浩明，程 誠，李小芳，林慶國

(上海空間推進研究所 上海空間發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

液體火箭發(fā)動機電動泵增壓系統(tǒng)最早于1985年被提出，相比于常規(guī)的擠壓或渦輪泵壓式供給系統(tǒng)，電動泵增壓系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢[1-2]：1)能夠提供較高的發(fā)動機入口壓力；2)增壓泵由電機驅(qū)動，易于通過轉(zhuǎn)速控制實現(xiàn)變工況運行；3)易于實現(xiàn)發(fā)動機多次啟動工作。

Volvo Flymotor AB公司于1990年設計制造了MMH/NTO推進劑用的電動泵增壓系統(tǒng)，并進行了額定工況及變工況測試[3]。燃料和氧化劑各通過一套同軸配置的電機和離心泵進行增壓，額定轉(zhuǎn)速25 000 rpm。實驗結(jié)果顯示，電動泵增壓系統(tǒng)揚程范圍為100～200 m，離心泵效率約50%。該系統(tǒng)可應用于3 000 N火箭發(fā)動機，預計在軌時間3個月，工作時間10 000 s，重復啟動50次。但由于當時的電池性能較差，電池系統(tǒng)重量較大，后期并未得到工程應用。

日本三菱重工為改善高速渦輪泵入口條件，提出了基于運載火箭上面級發(fā)動機的電動泵系統(tǒng)，推進劑首先通過電動泵系統(tǒng)增壓后進入渦輪泵，以此提高渦輪泵入口壓力[4]。三菱重工進行了縮比樣機的研制和試驗，使用液氮作為介質(zhì)，流量3.1 L/s，泵揚程7.2 m。由于轉(zhuǎn)速較低(2 500 rpm)，葉輪尺寸較大，整體摩擦損失較高，測試總效率小于20%。試驗中還對電動泵的響應特性進行了測量，出口壓力在5 s內(nèi)達到設計值。

2009年，歐洲ISP-1計劃提出研制低溫電動增壓系統(tǒng)[5]，主要目的是研發(fā)2 000 N小推力推進系統(tǒng)，用于飛行器變軌推進等任務。電動增壓泵由Snecma負責研制[6]，采用潛入式安裝方式，以液氧/液氫為推進劑。

2010年，美國Ventions公司在NASA的支持下開展了小推力火箭發(fā)動機電動泵的研發(fā)工作，以評估電動泵發(fā)動機在火星著陸器上升級使用的可行性。項目成功完成了一臺50 000 rpm電動泵原理樣機的研制[7]。在此基礎(chǔ)上，Ventions公司進一步開發(fā)了一款1 334 N推力的液氧煤油電動泵發(fā)動機并通過了飛行測試[8]。

截止目前，美國火箭實驗室公司(Rocket Lab)電子號小型運載火箭(Electron)的一級和二級上使用的電動泵壓式盧瑟福發(fā)動機(Rutherford Engine)，已助力Electron火箭完成了三次商業(yè)發(fā)射，成為全球首個投入使用的電動泵發(fā)動機[9]。盧瑟福發(fā)動機的電動泵增壓系統(tǒng)采用兩臺直流無刷電機(轉(zhuǎn)速40 000 rpm，功率約50馬力)分別驅(qū)動液氧泵和煤油泵，并通過聚合物鋰電池為高速電機供電。

從最初的概念提出到如今的成功發(fā)射，電動泵壓式系統(tǒng)得益于過去幾十年電機、電池領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展[10-11]，尤其是電池能量密度的提高使得系統(tǒng)中重量占比最大的電源重量大幅下降。本文將從電動泵壓式系統(tǒng)的組成及各組件特點進行闡述，研究其質(zhì)量構(gòu)成和影響因子，并與渦輪泵系統(tǒng)(燃氣發(fā)生器循環(huán))進行對比，同時對限制其應用的關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

1 電動泵系統(tǒng)

圖1給出了液體火箭發(fā)動機電動泵增壓系統(tǒng)的工作原理圖。電動泵系統(tǒng)通過電機驅(qū)動離心泵實現(xiàn)推進劑的增壓，高壓推進劑進入燃燒室燃燒后通過噴管產(chǎn)生推力。實際上，電動泵壓式系統(tǒng)可采用一臺電機帶氧/燃兩路泵或者一臺電機帶一臺泵的方式，前者可保證混合比一定；而后者更加靈活，除了能夠使燃料泵和氧化劑泵各自工作在最佳轉(zhuǎn)速以保證性能最優(yōu)之外，還可以通過調(diào)節(jié)混合比實現(xiàn)變推力[12]。

圖1 液體火箭發(fā)動機電動泵系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of electrically driven pump for liquid rocket engine

1.1 離心泵

作為火箭發(fā)動機推進劑的增壓部件，離心泵與常規(guī)水泵不同之處在于其小流量高揚程的特點，屬于低比轉(zhuǎn)速泵，效率偏低。根據(jù)泵的效率計算公式在低比轉(zhuǎn)速下修正后得到計算公式[13]

(1)

1.2 高速電機

圖1所展示的電動泵系統(tǒng)為單臺電機同時驅(qū)動氧化劑泵和燃料泵，由于泵的功率直接關(guān)系到系統(tǒng)推力，因此電機的功率上限決定了該系統(tǒng)的推力量級。電動泵系統(tǒng)的驅(qū)動電機必須是大功率且高轉(zhuǎn)速。由于高轉(zhuǎn)速導致轉(zhuǎn)子離心力增大，因此電機轉(zhuǎn)速越高其能夠達到的功率越小。圖2為根據(jù)目前國內(nèi)外高速電機的技術(shù)狀態(tài)得到不同轉(zhuǎn)速下的電機功率極限曲線[14-15]，即在某個固定轉(zhuǎn)速下現(xiàn)有技術(shù)能夠達到的最大功率值。圖2中同時給出了現(xiàn)有的火箭發(fā)動機增壓泵轉(zhuǎn)速及功率需求。現(xiàn)有高速電機從轉(zhuǎn)速和功率兩項指標上已經(jīng)能夠滿足噸級火箭發(fā)動機增壓泵的需求。但是需要注意的是雖然電機性能已經(jīng)能夠達到部分渦輪的指標，但是從功率密度可以發(fā)現(xiàn)在重量方面電機仍然落后于同樣作為驅(qū)動裝置的渦輪。因此，電動泵系統(tǒng)仍然需要對電機進行減重。

另外一個需要注意的問題是——不同電機需采用不同的冷卻方式。干式電機可僅采用夾套冷卻(如Volvo flymotor AB電動泵)，但在泵與電機之間需要使用動密封，以保證推進劑不進入電機，在增加系統(tǒng)復雜性和泄漏風險的同時，降低了壽命和可靠性；屏蔽電機(三菱重工、ISP-1)采用雙重密封保障結(jié)構(gòu)，并將推進劑引入電機進行冷卻，由于取消了動密封，因而結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠，具有更高的壽命、安全性和工作可靠性，但是在高轉(zhuǎn)速下，推進劑與轉(zhuǎn)子間的摩擦損耗增大，效率降低。

圖2 電機技術(shù)現(xiàn)狀Fig.2 Technical status of electrical motor

1.3 源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)由電芯、電源控制系統(tǒng)、電纜及殼體組成。自鋰離子電池面世以來，憑借其能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應等優(yōu)點，已經(jīng)成為動力電池應用領(lǐng)域的主體和研究熱點。中國科學院針對不同體系的鋰電池進行了研究[16-17]，在能量密度的提升方面取得了較大的進展：24 Ah鋰離子電池能量密度374 Wh/kg，8 Ah固態(tài)鋰電池能量密度240 Wh/kg，30 Ah鋰硫電池能量密度566 Wh/kg。然而，除了能量密度之外，電源系統(tǒng)中的功率密度同樣是影響電源系統(tǒng)質(zhì)量的重要因素，兩項指標同時提高方可使得電源系統(tǒng)重量得到降低[18]。

事實上，功率密度和能量密度除了取決于電芯本身的性能之外，電池的使用條件對它們也存在影響。圖3為SAFT公司的四款鋰電池在不同放電倍率下放電深度的變化過程[19]，放電倍率與電池放電時間關(guān)系為：C=3 600/t(C為放電倍率，t為放電時間)。從圖3中曲線變化趨勢可發(fā)現(xiàn)，在大倍率放電情況下，電池釋放能量相對于額定能量都有較大幅度的下降，僅功率型鋰電池VL4V能夠在40C的大倍率放電情況下仍然保持85%以上的放電深度。圖4為兩款鋰電池在相同放電倍率不同環(huán)境溫度下的放電深度變化，可見常溫條件下鋰電池能夠達到額定輸出電量，隨著溫度下降，鋰電池的放電能力逐漸減弱，當環(huán)境到達-40 ℃時，鋰電池輸出電量僅為額定的40%左右。因此，鋰電池用于電動泵實現(xiàn)推進劑增壓時，必須根據(jù)功率需求和工作時間，選擇該條件下放電深度較高的電芯。對于長期在軌的情況，電源系統(tǒng)必須有相應的溫控措施。

圖3 鋰離子電池放電深度和放電倍率的關(guān)系Fig.3 Relationship between discharge depth and discharge rate for Li-ion battery

圖4 電池工作溫度對放電深度的影響Fig.4 Influence of working temperature on discharge depth

2 質(zhì)量模型與分析

2.1 組件質(zhì)量模型

由于泵的功率正比于推進劑流量與揚程的乘積，因此根據(jù)泵的功率密度可以計算得到推進劑泵的總質(zhì)量(包括氧化劑泵和燃料泵)

(2)

式中：m，δ，η分別為質(zhì)量、功率密度、效率；下標op，fp分別為氧化劑泵和燃料泵。

高速電機除了電機本體之外，還包括電機驅(qū)動器。假設電機與泵之間無機械損失，根據(jù)電機功率密度可以得到電機及其驅(qū)動器質(zhì)量

(3)

式中下標em和inv分別為電機和驅(qū)動器。

根據(jù)發(fā)動機功率和工作時間，電源系統(tǒng)必須滿足發(fā)動機工作所需的功率和總能量這兩項指標。根據(jù)上文的分析，電芯放電倍率取決于發(fā)動機工作時間，并且影響能量密度。因此，電源系統(tǒng)質(zhì)量的計算需按工作時間進行修正

(4)

式中：ε為電芯能量密度；κ為以VL4V電芯數(shù)據(jù)得到的修正系數(shù)計算公式；下標b為電源系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)質(zhì)量

根據(jù)式(2)～式(4)，可計算得電動泵系統(tǒng)質(zhì)量

mep=mop+mfp+mem+mb

(5)

系統(tǒng)參數(shù)取值如表1所示。

表1 參數(shù)取值

圖5為不同工作時間下，電動泵系統(tǒng)各組件質(zhì)量占比變化情況。可見系統(tǒng)質(zhì)量占比最大的組件為電機和電源系統(tǒng)，占總質(zhì)量的90%以上，并且隨著工作時間的增加，電源在系統(tǒng)質(zhì)量的占比將進一步增加。

為進一步研究電動泵循環(huán)各參數(shù)對系統(tǒng)質(zhì)量的影響，針對表1各項參數(shù)進行敏感性分析(圖6)。橫坐標表示不同參數(shù)，縱坐標為各參數(shù)在表1取值的基礎(chǔ)上，在±10%范圍內(nèi)變化時，系統(tǒng)功率密度變化情況(0.1表示系統(tǒng)功率密度變化10%)。根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)質(zhì)量的敏感性分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，各組件的效率和電源系統(tǒng)的性能對系統(tǒng)質(zhì)量的影響較大，其中又以泵的效率對系統(tǒng)質(zhì)量影響最大。

圖5 不同工作時間電動泵系統(tǒng)各組件質(zhì)量占比(推力5 kN，室壓5 MPa)Fig.5 Mass proportion of each element under different working time(f=5 kN,pc=5 MPa)

圖6 各參數(shù)對系統(tǒng)質(zhì)量的敏感性Fig.6 Sensitivity analysis of parameters to system mass

2.3 質(zhì)量對比分析

為對比電動泵系統(tǒng)和渦輪泵系統(tǒng)(燃氣發(fā)生器循環(huán))的質(zhì)量，本文假設兩套系統(tǒng)的儲箱和發(fā)動機參數(shù)相同，僅對比增壓系統(tǒng)的質(zhì)量。渦輪泵系統(tǒng)質(zhì)量組成如下

mgg=mop+mfp+mtu+mg+mp

(6)

式中下標gg，tu，g，p分別代表燃氣發(fā)生器循環(huán)、渦輪、燃氣發(fā)生器、燃氣發(fā)生器消耗推進劑。渦輪泵系統(tǒng)同樣采用基于功率密度的方法計算質(zhì)量，燃氣發(fā)生器消耗推進劑按總流量的2%計算[22]。推進劑為甲基肼/四氧化二氮。

圖7為不同推力量級、不同工作時間下電動泵系統(tǒng)與渦輪泵系統(tǒng)質(zhì)量比(mep/mgg)隨發(fā)動機設計室壓的變化情況。可以看出，在發(fā)動機推力一定的條件下，電動泵系統(tǒng)存在室壓極限值，低于該值的電動泵系統(tǒng)在質(zhì)量上存在優(yōu)勢。出現(xiàn)室壓極限的原因在于發(fā)動機室壓決定了泵的揚程，從而影響泵的比轉(zhuǎn)速，最終影響泵的效率。在流量一定的情況下，隨著室壓的提高，泵的效率逐漸降低。電動泵系統(tǒng)中泵的效率對系統(tǒng)質(zhì)量的影響最大，而渦輪泵系統(tǒng)中泵的效率并不是決定系統(tǒng)質(zhì)量的最重要因素。在室壓提高的過程中，雖然電動泵系統(tǒng)和渦輪泵系統(tǒng)質(zhì)量都有所增加，但是電動泵系統(tǒng)質(zhì)量增加更快。因此，存在某個室壓極限，高于該極限時，電動泵系統(tǒng)質(zhì)量將超過渦輪泵系統(tǒng)。隨著發(fā)動機推力增大，室壓極限值逐漸增大(F=5 kN時，室壓極限值約為2.5 MPa；F=20 kN時，室壓極限值約為4.5 MPa；F=50 kN時，室壓極限值約為5.5 MPa)，主要原因是隨著發(fā)動機推力提高，推進劑流量逐漸增大，提高了離心泵的比轉(zhuǎn)速及效率，泵效率的提高進而降低了發(fā)動機系統(tǒng)對電機功率的需求，系統(tǒng)質(zhì)量中占比較大的電機和電源系統(tǒng)質(zhì)量進而有較大幅度的下降。

圖7 不同工況下電動泵系統(tǒng)與渦輪泵系統(tǒng)質(zhì)量比(mep/mgg)變化曲線Fig.7 Mass ratio of electrically driven pump and turbopump system (mep/mgg) under different work conditions

圖7中同樣反映了增加工作時間有利于提高室壓極限，當工作時間從600 s增加至1 800 s，5 kN推力對應的室壓極限從2.44 MPa提高至2.72 MPa，20 kN推力對應的室壓極限從4.06 MPa提高至4.56 MPa，50 kN推力對應的室壓極限從4.91 MPa提高至5.58 MPa。原因在于增加工作時間必然增加電源系統(tǒng)中的電芯數(shù)量以滿足工作時間內(nèi)的能量消耗，電芯數(shù)量的增加使得電源系統(tǒng)在設計時能夠通過增加并聯(lián)數(shù)的方式減小單電芯的放電倍率，從而使得電芯放電更加充分。也就是說，增加工作時間能夠以相同的電芯獲得更高的電源系統(tǒng)能量密度，從而提高電動泵系統(tǒng)的功率密度。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

電動泵系統(tǒng)是一種簡單的液體火箭發(fā)動機循環(huán)方式，在系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)、多次啟停等方面具備優(yōu)勢。但是相較于渦輪泵系統(tǒng)，電動泵系統(tǒng)在重量方面仍然有待于進一步減小以擴大應用領(lǐng)域。通過前文對系統(tǒng)各組件的特性分析和計算結(jié)果，得到電動泵系統(tǒng)減重增效的關(guān)鍵點。

3.1 高效低比轉(zhuǎn)速離心泵

敏感性分析表明離心泵效率是影響系統(tǒng)質(zhì)量的最主要因素，而作為液體推進劑增壓泵小流量高揚程的特點決定了離心泵屬于低比轉(zhuǎn)速泵，效率偏低。因此，為提高離心泵效率，除了通過提高離心泵轉(zhuǎn)速來提高效率之外，需要針對離心泵與發(fā)動機參數(shù)(流量、室壓)間的匹配進行研究。涉及關(guān)鍵技術(shù)包括：

1)高速離心泵防汽蝕技術(shù);

2)電動泵發(fā)動機系統(tǒng)總參優(yōu)化研究。

3.2 輕質(zhì)化高可靠高速電機

電機作為系統(tǒng)質(zhì)量占比較大的組件并且其效率對系統(tǒng)質(zhì)量的影響僅次于離心泵效率，電機的功率密度和效率的提升對電動泵系統(tǒng)的減重增效具有重要意義。同時，為滿足空間長期在軌、多次啟動的要求，電機必須具備高可靠的特點。采用屏蔽電機能夠以靜密封代替動密封，同時兼顧電機的冷卻，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，可靠性提高。然而屏蔽電機和常規(guī)電機相比增加了定子屏蔽套渦流損耗和水摩損耗，使得電機效率降低。渦流損耗和水摩損耗在高速情況下尤為明顯，而提高電機轉(zhuǎn)速恰好是電機自身減重的重要途徑。因此，從電機可靠性保障和效率提升的角度，必須解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

1)低損耗屏蔽套技術(shù);

2)高速轉(zhuǎn)子水摩損耗抑制技術(shù)。

3.3 高比能大功率電源系統(tǒng)

現(xiàn)有的鋰電池技術(shù)在能量密度方面已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較大程度的提升。然而火箭發(fā)動機的工作時間決定了鋰電池必須以5C甚至更高的倍率進行放電。鋰電池大倍率放電時放電深度下降的問題造成了能量密度的下降，研究功率與能量兼顧型的電源系統(tǒng)是減小電源系統(tǒng)重量的唯一途徑。另外，由于空間環(huán)境高低溫變化范圍大，為保證電源系統(tǒng)維持在合適的放電溫度，必須具備高效的熱控措施。因此，高比能大功率電源系統(tǒng)必須解決：

1)超高功率鋰電池材料體系優(yōu)化技術(shù);

2)寬溫區(qū)全固態(tài)鋰電池技術(shù);

3)空間電源系統(tǒng)熱控技術(shù)。

4 結(jié)語

本文介紹了電動泵系統(tǒng)作為液體火箭發(fā)動機增壓系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并針對電動泵系統(tǒng)各組件特點及質(zhì)量構(gòu)成進行了分析，得到了影響系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。電動泵系統(tǒng)質(zhì)量主要由電機與電源系統(tǒng)決定，和渦輪泵系統(tǒng)(燃氣發(fā)生器循環(huán))相比，電動泵系統(tǒng)低于極限室壓時系統(tǒng)質(zhì)量具有優(yōu)勢，并且隨著發(fā)動機推力提高，電動泵系統(tǒng)的極限室壓可進一步提高。為進一步減小系統(tǒng)重量，需要從敏感性較高的組件效率以及高比能大功率電源系統(tǒng)等方面進行進一步研究。