星用第三代錸/銥材料490 N 發(fā)動機研制進展

劉 犇，劉昌國，楊成虎，林慶國，陳銳達

（1.上?？臻g推進研究所，上海 201112；2.上海空間發(fā)動機工程技術研究中心，上海 201112）

0 引言

目前，我國所有東方紅三號（DFH-3）衛(wèi)星平臺和東方紅四號（DFH-4）衛(wèi)星平臺的三軸穩(wěn)定地球同步軌道通信衛(wèi)星、中軌道高度導航衛(wèi)星、探月工程繞月衛(wèi)星以及其他軍用、民用高軌衛(wèi)星，均采用上海空間推進研究所研制的第一代或第二代490 N發(fā)動機完成軌道機動[1]。

隨著我國新一代大容量、長壽命衛(wèi)星的發(fā)展，衛(wèi)星的質量和使用壽命都在不斷地增長，490 N 軌控發(fā)動機的性能變得尤為重要[2-3]。提高發(fā)動機的真空比沖可以有效減少衛(wèi)星變軌推進劑的消耗量，從而延長衛(wèi)星的在軌工作壽命或增加有效載荷的質量，進一步提高我國現(xiàn)有DFH-3 和DFH-4 衛(wèi)星平臺航天器的總體性能，提高基于以上平臺軍事衛(wèi)星的戰(zhàn)術性能和裝備效費比，從整體上縮小我國天基裝備水平與國外同類裝備的差距，同時也可提升我國整星的國際競爭力和發(fā)動機單機出口的能力。

上海空間推進研究所在研的衛(wèi)星用第三代490 N 發(fā)動機為國內首臺采用錸/銥材料設計和制造的發(fā)動機，目前已完成了兩臺錸/銥燃燒室制備，并通過了長壽命高空模擬熱試車考核。本文介紹了第三代490 N 發(fā)動機的總體設計方案、研制過程中攻克的關鍵技術和高空模擬熱試車驗證結果，闡述了發(fā)動機的工作性能和溫度特性，分析了工程化應用尚存在的問題，并相應提出了改進和優(yōu)化方案。

1 國內外研究概況

1.1 國內研究概況

1.1.1 第一代490 N 發(fā)動機

研制的第一代490 N 雙組元液體火箭發(fā)動機最初用于DFH-3 平臺衛(wèi)星遠地點變軌，如圖1 所示。該發(fā)動機產品代號為FY-25，從研制至今已有37 年歷史。發(fā)動機真空推力為490 N，推進劑為四氧化二氮（N2O4）/甲基肼（MMH），混合比為1.65，燃燒室壓力為0.68 MPa，噴管面積比為154∶1，身部材料為鈮鉿合金，內外表面涂覆“815A”高溫抗氧化涂層，真空比沖為305 s 左右。迄今為止，該發(fā)動機先后用于48 顆衛(wèi)星和天宮實驗室上天飛行，均成功完成變軌飛行任務。

1.1.2 第二代490 N 發(fā)動機

為滿足衛(wèi)星推進對高比沖軌控發(fā)動機的需求，在總裝航天局的支持下，開展了提高真空比沖的第二代490 N 發(fā)動機研究工作。通過優(yōu)化噴注器方案、采用新型高溫抗氧化材料（鈮鎢合金）、提高燃燒室壓力和增大噴管面積比等技術途徑，經(jīng)過大量的地面和高空熱試車驗證，成功將第二代490 N 發(fā)動機的真空比沖在第一代飛行產品的基礎上提高了10 s，達到315 s 以上，其外觀如圖2 所示。第二代490 N 發(fā)動機于2012 年5 月首飛，目前已完成22 次飛行，成功率為100%。

圖1 第一代490 N 發(fā)動機Fig.1 First generation 490 N engine

圖2 第二代490 N 發(fā)動機Fig.2 Second generation 490 N engine

1.2 國外研究概況

國外在衛(wèi)星研制過程中，對提高軌控發(fā)動機性能十分重視，始終堅持采用最先進的材料和設計技術，持續(xù)不斷地提高發(fā)動機比沖性能。美國Marquardt公司（現(xiàn)屬Aerojet 公司）歷經(jīng)40 多年研發(fā)R-4D 系列發(fā)動機，R-4D-16相比R-4D-7發(fā)動機的真空比沖提高了近40 s，燃燒室材料從最初研制時的純鉬金屬依次改進為鈮合金材料、鈮鈦噴管和錸/銥材料，耐高溫性能不斷提高（從1 300～2 200 ℃）[4-7]。國外衛(wèi)星用軌控發(fā)動機主要使用N2O4/MMH 推進劑組合，已經(jīng)飛行的軌控發(fā)動機最高比沖為323 s，采用了較大的噴管面積比，其中，Aerojet公司研制的AMBR 發(fā)動機噴管面積比甚至達到了400∶1[8]。另外，在噴注器方面各研制單位設計了不同類型的噴注器，通過選用合適的耐高溫材料和特殊結構的燃燒室，發(fā)動機比沖可以達到320 s以上[9]。

2 發(fā)動機總體設計和技術參數(shù)

2.1 總體設計

第三代錸/銥材料490 N 發(fā)動機結構如圖3 所示。該發(fā)動機主要由一臺推力室和兩個推進劑控制閥通過緊固件連接組成，推力室由頭部和大面積比單壁輻射冷卻身部焊接而成，推進劑控制閥為雙穩(wěn)態(tài)自鎖式電磁閥，其總體設計主要包括推力室、閥門和流阻匹配3 部分。

圖3 第三代490 N 發(fā)動機結構Fig.3 Sketch of third generation 490 N engine

2.1.1 推力室

推力室頭部采用鳥籠結構和直流互擊式噴注器，為了提高燃燒室效率和簡化噴注結構，主要在減少邊區(qū)冷卻流量、增加噴注小孔數(shù)量、優(yōu)化噴注器流道結構等方面進行了改良設計。

推力室身部由燃燒室、噴管過渡段和延伸段組成，燃燒室采用二次燃燒裝置和新型錸/銥高溫抗氧化材料，增加了特征長度，以提高燃燒室效率，噴管擴張段采用Rao 氏噴管造型和鈮合金材料。

2.1.2 閥門

第三代490 N 發(fā)動機與第二代490 N 發(fā)動機采用相同的推進劑組合，且推進劑流量相近，因此，沿用第二代490 N 發(fā)動機閥門，不再另行研制。

2.1.3 流阻匹配

發(fā)動機流阻指在額定流量下推進劑控制閥入口至燃燒室之間的壓降，流阻匹配與噴注器內流道的設計密切相關。第三代490 N 發(fā)動機的額定閥前入口壓力為1.55 MPa，額定燃燒室壓力為1.0 MPa，節(jié)流孔板壓降、推進劑控制閥流阻、噴注器流道流阻、噴注小孔壓降值總和不大于0.55 MPa。

2.2 技術參數(shù)

第三代490 N 發(fā)動機技術參數(shù)見表1。發(fā)動機推進劑采用N2O4和MMH，額定混合比為1.65，真空比沖達到325.6 s，噴管擴張比為330∶1。

表1 第三代490 N 發(fā)動機技術參數(shù)Tab.1 Technical parameters of third generation 490 N engine

3 關鍵技術攻關

通過“十一五”高性能軌控發(fā)動機預先研究，第三代490 N 發(fā)動機實現(xiàn)了真空比沖323 s、累計工作時間不低于3 600 s 的設計指標。“十二五”期間，第三代490 N 發(fā)動機成功突破了可靠傳熱穩(wěn)定工作噴注器、高性能噴注器與燃燒室匹配以及新型高溫抗氧化材料制備等關鍵技術。

3.1 可靠傳熱穩(wěn)定工作噴注器

噴注器的設計是提高發(fā)動機性能最關鍵的技術。研制過程中充分結合理論分析、噴霧場測試、仿真計算和熱試車考核驗證等方法，完成了第三代490 N 發(fā)動機可靠傳熱穩(wěn)定工作噴注器的中心撞擊對、邊區(qū)冷卻和流道結構優(yōu)化設計，發(fā)動機工作溫度的控制主要通過以下兩個方面實現(xiàn)：一方面，優(yōu)化發(fā)動機頭部設計，采用鳥籠支架結構將身部、頭部法蘭安裝面和閥座隔離，增加頭部熱阻，降低身部熱流向頭部的傳遞；另一方面，合理組織中心噴霧場流強分布、混合比分布以及邊區(qū)液膜冷卻，進而降低發(fā)動機頭部法蘭溫度。發(fā)動機頭部溫度分布仿真結果，計算溫度與試車實測溫度平均偏差＜10%，發(fā)動機頭部連接環(huán)中段溫度約為260 ℃，頭部法蘭溫度約為106 ℃如圖4 所示。

圖4 發(fā)動機頭部溫度分布仿真結果Fig.4 Temperature distribution of the engine head

為了獲取發(fā)動機噴注器噴霧場參數(shù)，分別利用激光多普勒粒子分析儀（PDA）、粒子圖像速度場儀（PIV）和噴霧場集液測試系統(tǒng)對噴霧場液滴尺寸分布、速度分布以及流強分布等關鍵霧化特性參數(shù)進行測量，為噴霧場評估提供了更全面的手段，測試結果如圖5 所示。

圖5（a）為噴霧場距離噴注器面軸向30 mm 的PDA 測試結果，液滴霧化Sauter 平均直徑約為130 μm。可以發(fā)現(xiàn)，在激光發(fā)射器和接收器所在的一半?yún)^(qū)域內其測量誤差相對較小，而另一半?yún)^(qū)域由于穿越稠密噴霧場后激光發(fā)生了不同程度的散射和折射，其強度顯著減弱，導致測量區(qū)域出現(xiàn)明顯的不對稱現(xiàn)象。從各自的半塊區(qū)域分析，噴霧場液滴直徑接近軸對稱分布，并未因為撞擊點的離散布置而呈離散分布。

圖5（b）為過內圈撞擊對的噴霧截面PIV 測試結果。可以發(fā)現(xiàn)，噴霧場呈傘狀分布，液滴速度約為20 m/s 并持續(xù)衰減，噴霧場在下游不再擴散而呈收斂狀態(tài)，大部分液滴位于撞擊對合成動量角方向，液滴速度整體接近軸對稱分布。

圖5（c）為噴霧場高分辨率（5 mm）流強分布測試結果?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于兩圈撞擊對布置方案，流強在徑向呈雙峰對稱分布，內圈表現(xiàn)更為明顯，峰值區(qū)域流強大于1 g/mm2。

3.2 高性能噴注器與燃燒室匹配

圖5 噴霧場測試結果Fig.5 Test results of injector spray field

第三代490 N 發(fā)動機“十一五”期間的研究結果表明，通過頭部噴霧場組織和身部結構優(yōu)化均能提高發(fā)動機燃燒室效率，但是，發(fā)動機性能提高的同時也導致了較高的工作溫度，對燃燒室材料提出了更高的要求。

通過開展高性能噴注器與燃燒室匹配技術研究，將噴注器設計和燃燒室設計結合，建立噴注器、燃燒室設計參數(shù)對發(fā)動機性能和溫度特性的影響關系，優(yōu)化發(fā)動機結構設計，在合理的工作溫度下獲取較高的發(fā)動機性能，從而降低對耐高溫材料的性能要求和研制難度。

優(yōu)化燃燒室構型設計，增加二次燃燒裝置延長推進劑在燃燒室內停留時間，促進推進劑充分燃燒，可以提高發(fā)動機比沖性能，并有效控制發(fā)動機工作溫度[10]。通過對不同材料、不同構型燃燒室仿真計算分析和發(fā)動機熱試車考核，確定了二次燃燒裝置鉑擾流環(huán)結構和錸/銥材料燃燒室構型，如圖6所示，將第三代490 N 發(fā)動機燃燒室效率成功提高了1%，達到98%以上。同時，擾流環(huán)對燃燒室進口段銥涂層進行隔離保護，試驗后鉑擾流環(huán)和燃燒室進口段銥完好，表明鉑擾流環(huán)在提高燃燒效率的同時，有效解決了推進劑燃燒中間產物對燃燒室進口段銥涂層在1 000 ℃溫度附近的氧化問題。

圖6 帶有二次燃燒裝置的燃燒室構型Fig.6 Chamber configuration with secondary combustion device

3.3 新型高溫抗氧化材料制備

發(fā)動機性能提高必然需要提高燃燒室溫度，高溫抗氧化材料一直是限制軌控發(fā)動機性能提高的瓶頸。為適應第二代490 N 軌控發(fā)動機的需要，國內新研發(fā)了鈮鎢合金噴管，內外表面涂覆“056”高溫抗氧化硅化物涂層，最高允許使用溫度在1 450 ℃左右，而高性能軌控發(fā)動機的燃燒室壁溫大約在1 600 ℃～1 800 ℃，因此，需要開展新型高溫抗氧化材料制備技術攻關研究。

“十一五”期間對錸/銥材料和鉭十鎢合金材料進行了研制，結果表明，錸/銥材料工作溫度能夠達到2 000 ℃，但尚需解決燃燒室進口低溫端銥層保護問題、錸/銥燃燒室與異種金屬連接問題以及身部過渡涂層問題，并完成燃燒室應用考核；鉭十鎢合金材料燃燒室工作溫度能夠達到1 600 ℃以上，并且發(fā)動機通過了3 860 s 高空模擬熱試車考核，但抗氧化涂層在空氣中靜態(tài)抗氧化性能和熱震性能偏低，工藝穩(wěn)定性不足，難以滿足第三代490 N 發(fā)動機25 000 s 的使用壽命要求。

針對第三代490 N 發(fā)動機的設計要求，“十二五”期間進一步對新型耐高溫材料技術進行了攻關，提高材料的高溫工作性能和工藝穩(wěn)定性，發(fā)動機外觀如圖7 所示。采用粉末冶金錸和電弧沉積銥工藝制備錸/銥材料燃燒室[11-12]，在燃燒室兩端采用一體化成形鈮合金環(huán)實現(xiàn)燃燒室分別與鈦合金頭部、鈮合金擴張段的過渡焊接連接，通過工藝控制實現(xiàn)燃燒室銥與噴管擴張段硅涂層的可靠搭接，通過外表面制備氧化鉿高輻射涂層降低噴管工作溫度。

圖7 第三代490 N 發(fā)動機Fig.7 Third generation 490 N engine

4 高空模擬熱試車結果

4.1 發(fā)動機性能

第三代490 N 發(fā)動機高空模擬熱試車點火狀態(tài)如圖8 所示，試車過程發(fā)動機啟動關機正常，各項性能參數(shù)正常，累計點火20 次，累計工作25 171 s，成功通過了25 000 s 壽命考核，單次最長工作時間為8 100 s，燃燒室效率為98.6%，噴管效率為96%，實測真空比沖的分布范圍為325.4～326.1 s，均值為(325.6±0.3)s，達到國際先進水平。

圖8 第三代490 N 發(fā)動機點火狀態(tài)Fig.8 Third generation 490 N engine under hot fire test condition

發(fā)動機8 100 s 長程試車過程壓力變化曲線如圖9 所示。圖9 中，Pc為燃燒室壓力，Pio、Pif分別為氧化劑路和燃料路入口壓力。可以發(fā)現(xiàn)，整個試車過程壓力基本維持穩(wěn)定，發(fā)動機工作狀態(tài)良好。

圖9 發(fā)動機試車過程壓力變化曲線Fig.9 Distribution of engine pressure during hot fire test

4.2 發(fā)動機身部和喉部溫度特性

8 100 s 長程試車時發(fā)動機喉部和身部燃燒室段溫度隨時間變化曲線如圖10 所示。圖10 中，Tt為發(fā)動機喉部溫度，Tb為發(fā)動機身部燃燒室段溫度，其中，身部溫度突變?yōu)檎{整測溫傳感器位置所致?？梢园l(fā)現(xiàn)，發(fā)動機喉部和身部溫度在50 s 左右開始趨于穩(wěn)定，且最高溫度在喉部附近，約為2 190 ℃，身部溫度約為1 800 ℃，說明錸/銥材料耐高溫性能優(yōu)良，但喉部溫度接近銥材料2 300 ℃的許用溫度極限，溫度裕度較小。

圖10 發(fā)動機喉部和身部溫度曲線Fig.10 Distribution of engine throat and body temperature

4.3 發(fā)動機頭部溫度特性

8 100 s 長程試車時發(fā)動機頭部溫度隨時間變化曲線如圖11 所示。圖11 中，Th1、Th2均為頭部噴注盤上測點溫度，Th3、Th4均為頭部法蘭測點溫度，Th5、Th6均為連接環(huán)測點溫度，溫度傳感器測點位置分布如圖12 所示。發(fā)動機啟動過程頭部各測點溫度約在1 000 s 以內穩(wěn)定，發(fā)動機工作時噴注盤上的測點因靠近頭身焊縫位置而溫度最高，其中，靠近測壓管嘴處的溫度Th2最高，達到了250 ℃，但溫度整體穩(wěn)定性較好。而連接環(huán)上的測點溫度Th3、Th4分別為150 ℃和220 ℃，靠近測壓管嘴處溫度較高，說明上游溫度傳導不均。位于安裝法蘭上的Th5、Th6測點溫度主要分布在60～100 ℃之間，溫度變化均勻，說明鳥籠結構的隔熱性能優(yōu)良，能有效降低安裝法蘭位置處的溫度，不僅有利于安裝，且有利于保護推進劑控制閥，防止熱返浸過程溫度過高。

圖11 發(fā)動機頭部溫度曲線Fig.11 Distribution of engine head temperature

圖12 溫度傳感器測點位置Fig.12 Measuring point position of temperature sensors

4.4 發(fā)動機啟動和關機特性

熱試車過程中，各個工況下發(fā)動機啟動響應時間分布范圍為52～59 ms，均值為(56±3) ms；關機響應時間分布范圍為12～21 ms，均值為(16±4)ms，滿足不大于200 ms 的指標要求，發(fā)動機啟動和關機特性良好。

5 工程化應用存在的問題及改進方案

5.1 存在的問題

第三代490 N 發(fā)動機長時間點火過程中出現(xiàn)了不規(guī)律的溫漂現(xiàn)象，溫度異常升高，最高工作溫度由1 900 ℃左右上升至2 200 ℃左右。

粉末冶金錸/銥材料發(fā)動機歷次試車中均有相應的沉積現(xiàn)象出現(xiàn)。點火時間在300 s～25 000 s 之間，錸/銥噴管喉部上游均有銥堆積物，可能的原因是銥在制備過程中出現(xiàn)了團聚沉積，沉積的銥在燃燒室表層不穩(wěn)定，在高溫高速氣流沖刷作用下脫落并堆積在喉部上游，燃氣在堆積位置發(fā)生滯止導致喉部附近局部高溫，錸燃燒室在高溫下發(fā)生高溫蠕變。

5.2 改進方案

基于上述分析，從改進錸基體和銥涂層制備工藝兩個方面開展了改進工作：

（1）錸基體制備工藝優(yōu)化。通過優(yōu)化粉末冶金過程工藝以及所用的原始粉末，大幅提高了錸材料的抗高溫蠕變性能，并同時提高了燃燒室成型的控制精度。新工藝和傳統(tǒng)工藝制造的錸材料高溫力學性能參數(shù)見表2?？梢园l(fā)現(xiàn)，新工藝下錸材料的常溫抗拉強度和屈服強度降低，而高溫拉伸強度和屈服強度提高，抗高溫蠕變能力增強，力學性能得到進一步優(yōu)化提高。目前，該工藝制造的燃燒室試驗件已經(jīng)完成加工，驗證了優(yōu)化工藝的可行性。

表2 錸材料高溫力學性能參數(shù)Tab.2 High temperature mechanical properties of Rhenium material

（2）銥涂層制備工藝優(yōu)化。工程化研究中，優(yōu)化了靶材制備工藝，制備涂層的穩(wěn)定性及均勻性得到提高，進行了銥涂層的高溫沖刷試驗，但未出現(xiàn)銥涂層堆積現(xiàn)象。分析點火工作時間分別為1 800 s、2 500 s、25 000 s 和25 000 s 的4 臺發(fā)動機產品喉部，發(fā)現(xiàn)銥涂層堆積并未隨試車時間延長而不斷增加。根據(jù)上述分析，認為物理氣相沉積（PVD）銥涂層喉部堆積的主要原因：涂層表面的疏松顆粒組織在推進劑腐蝕和沖刷作用下在喉部發(fā)生堆積，當涂層表面逐漸變得光滑后，堆積將不再發(fā)生。因此，后續(xù)銥涂層制備將增加涂層表面處理工藝，降低粗糙度，改善甚至徹底解決銥涂層堆積問題。

6 結束語

第三代490 N 發(fā)動機的比沖性能相較于第二代490 N 發(fā)動機提高了10 s，達到國際先進水平。但是，目前尚處于工程化研制階段，針對試車子樣數(shù)較少和錸/銥燃燒室制備工藝困難的問題，還需進一步開展銥涂層和錸基體的高溫性能研究，并結合錸/銥材料工藝的穩(wěn)定性，固化燃燒室加工工藝。同時，繼續(xù)優(yōu)化發(fā)動機設計，并綜合考慮發(fā)動機比沖性能和工作溫度之間的關系，積累發(fā)動機考核子樣，提高發(fā)動機可靠性裕度。