大推力液氧煤油補燃發(fā)動機分級起動技術(shù)

張曉光，高玉閃，馬冬英，蒲星星，陳 暉

（西安航天動力研究所，西安，710100）

0 引 言

作為中大型或重型運載火箭基礎(chǔ)級動力的大推力液體火箭發(fā)動機（如分別用于Proton、Zenit、Atlas V、N1火箭和航天飛機的RD-253、RD-171M、RD-180、NK-33、SSME發(fā)動機[1～5]）一般采用分級起動，即在起動過程中經(jīng)過一個中間級（初級工況），平穩(wěn)而緩和地過渡至額定推力工況。這樣的起動方式，減緩了發(fā)動機流量、功率、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度的增長速率，有助于改善起動品質(zhì)；更為重要的是，便于火箭在起飛前實施有效的健康監(jiān)控，從而提高發(fā)射可靠性[6]。

大推力液氧煤油補燃發(fā)動機用于重型運載火箭芯一級和助推級[7]，在中國首次采用分級起動。面臨的技術(shù)難點包括：起動時系統(tǒng)及組件處于遠(yuǎn)偏離設(shè)計點的極限工況，過渡過程特性及相互影響作用機理復(fù)雜，導(dǎo)致起動特性預(yù)示和控制難度大；為保證調(diào)節(jié)元件可靠轉(zhuǎn)級和多臺發(fā)動機較好的起動同步性，要求調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)可靠性高、控制精度高；起動過程為故障易發(fā)階段，且具有故障發(fā)展迅速、故障特征參數(shù)辨識困難等特點，使健康監(jiān)控面臨很大挑戰(zhàn)。

本文介紹了大推力液氧煤油補燃發(fā)動機分級起動方案，重點針對起動特性預(yù)示和控制、起動轉(zhuǎn)級機電伺服控制、多參數(shù)融合健康監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)進行了論述，并介紹了熱試考核驗證情況。

1 分級起動方案

圖1為大推力液氧煤油補燃發(fā)動機氣液系統(tǒng)圖。系統(tǒng)有如下特點：

a）單渦輪泵供應(yīng)雙推力室；

b）推力室和燃?xì)獍l(fā)生器均采用化學(xué)點火；

c）推進劑截止閥為氣動閥，起動時通控制氣打開，初級工況前撤氣，可在介質(zhì)壓力作用下維持打開狀態(tài)，提高了發(fā)動機工作可靠性；

d）設(shè)置推力調(diào)節(jié)器和混合比調(diào)節(jié)器兩個調(diào)節(jié)元件，由機電伺服作動器驅(qū)動，分別實現(xiàn)發(fā)動機推力和混合比調(diào)節(jié)控制；

e）氧化劑預(yù)壓渦輪引流渦輪出口燃?xì)怛?qū)動；

f）設(shè)置起動箱，用于起動時擠破點火導(dǎo)管膜片，將封裝于其中的點火劑供入燃?xì)獍l(fā)生器和推力室進行點火。

圖1 發(fā)動機氣液系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic Flow Diagram of Engine

根據(jù)火箭對發(fā)動機起動加速性、同步性、初級工況、寬邊界條件裕度和高起動品質(zhì)的要求，結(jié)合起動過程仿真及相關(guān)組件、分系統(tǒng)動態(tài)特性試驗，制定了發(fā)動機分級起動方案：

a）初級工況：為發(fā)動機可穩(wěn)定工作的工況，同時推力應(yīng)低于起飛重量，初步選擇為發(fā)動機額定推力的60%～65%，停留時間滿足火箭健康監(jiān)控需求。

b）起動初始能量：燃料系統(tǒng)由高壓氦氣擠壓的起動箱提供，氧化劑系統(tǒng)由氧化劑貯箱壓力提供。

c）起動過程：通過推力調(diào)節(jié)器、混合比調(diào)節(jié)器及推進劑截止閥，對燃?xì)獍l(fā)生器、推力室推進劑供應(yīng)時序和流量進行匹配控制，保證燃?xì)獍l(fā)生器和推力室能量、渦輪可用功率和泵負(fù)載功率平穩(wěn)協(xié)調(diào)變化，使發(fā)動機經(jīng)點火、轉(zhuǎn)級、初級和主級工況完成起動，見圖2。

d）健康監(jiān)控：發(fā)動機起動準(zhǔn)備階段和起動過程進行故障檢測，若異常，則中止發(fā)射程序或?qū)嵤┚o急關(guān)機，保護火箭和發(fā)射臺。

圖2 發(fā)動機分級起動過程Fig.2 Staged Startuр Process of Engine

2 起動特性預(yù)示和控制技術(shù)研究

發(fā)動機起動特性控制目標(biāo)和措施：

a）起動過渡過程特性滿足火箭要求。

優(yōu)化起動時序和調(diào)節(jié)控制方案，改善起動加速性和同步性，拓寬起動邊界條件。控制和調(diào)整雙推力室推進劑供應(yīng)路充填特性和流量特性偏差，保證雙推力室推力同步性。

b）富氧燃?xì)庀到y(tǒng)溫度滿足材料安全性要求。

優(yōu)化熱力組件點火時序和工況、調(diào)節(jié)元件調(diào)節(jié)速率和參數(shù)，燃?xì)庀到y(tǒng)采用抗燒蝕涂層。

c）減輕氧化劑泵汽蝕深度，縮短汽蝕時間。

推力室盡早點火，及早起旋氧化劑預(yù)壓泵，使之進入揚程工況。減緩?fù)屏φ{(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)級速率，減小推進劑供應(yīng)慣性流阻。優(yōu)化氧化劑泵抗汽蝕性能。

d）渦輪可用功率和泵負(fù)載功率協(xié)調(diào)匹配。

優(yōu)化起動時序、參數(shù)和調(diào)節(jié)元件工作模式，控制渦輪剩余功率，避免其過高導(dǎo)致渦輪泵超速或不足導(dǎo)致起動失敗[8]。

f）避免或抑制起動過程沖擊振蕩。

改善燃燒組件低工況燃燒特性、調(diào)節(jié)元件動態(tài)特性等。起動過程避開或快速通過工作不穩(wěn)定區(qū)。

以上控制措施的制定和有效性評估有賴于起動特性仿真預(yù)示的支持，預(yù)示準(zhǔn)確性的提升則需從數(shù)學(xué)模型抽象和特性參數(shù)辨識兩個方面進行。圖3為起動過程渦輪泵轉(zhuǎn)速和燃?xì)獍l(fā)生器溫度的仿真曲線。

圖3 發(fā)動機起動特性仿真曲線Fig.3 Simulated Curves of Engine Startuр Characteristics

3 起動轉(zhuǎn)級機電伺服控制技術(shù)研究

針對發(fā)動機分級起動時序和工況高可靠、高精度調(diào)節(jié)控制需求，大推力液氧煤油補燃發(fā)動機在中國首次采用機電伺服控制技術(shù)，由伺服控制器“位置-速度-電流”三閉環(huán)級聯(lián)控制，實現(xiàn)調(diào)節(jié)元件位置的精確控制。相比前蘇聯(lián)/俄羅斯RD-170/180/191發(fā)動機所用電液伺服方案，采用機電伺服控制大幅簡化了發(fā)動機氣液系統(tǒng)，提升了發(fā)動機調(diào)節(jié)控制性能和可靠性[9]。

圖4為調(diào)節(jié)元件機電伺服系統(tǒng)，其特點包括：

a）采用“數(shù)字控制三余度、功率驅(qū)動雙余度”架構(gòu)，具備“控制兩度故障工作、驅(qū)動一度故障工作”能力。

b）故障保護遵循系統(tǒng)功能失效安全原則，保證發(fā)生故障時發(fā)動機狀態(tài)向安全方向移動。

c）為實現(xiàn)快響應(yīng)調(diào)節(jié)，并盡量減小超調(diào)，采用分段PID控制。位置誤差較大時，高轉(zhuǎn)速跟蹤指令位置，減小響應(yīng)時間；當(dāng)接近指令位置時，轉(zhuǎn)速逐步下降，避免超調(diào)。

圖4 調(diào)節(jié)元件機電伺服系統(tǒng)Fig.4 Regulator Electromechanical Control System

通過穩(wěn)動態(tài)特性仿真、負(fù)載模擬試驗、調(diào)節(jié)元件冷調(diào)試驗和環(huán)境試驗，對機電伺服系統(tǒng)的穩(wěn)動態(tài)性能、耐久性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性進行了充分考核驗證，見圖5。

圖5 機電伺服系統(tǒng)試驗示意Fig.5 Electromechanical Control System Test

4 多參數(shù)融合健康監(jiān)控技術(shù)研究

目前，液氧煤油補燃發(fā)動機地面試車已經(jīng)應(yīng)用了健康監(jiān)控技術(shù)，但主要針對穩(wěn)態(tài)工作階段[10,11]。鑒于大推力液氧煤油補燃發(fā)動機分級起動、提高火箭發(fā)射可靠性的應(yīng)用需求，須發(fā)展針對起動過程故障防護的健康監(jiān)控技術(shù)。

通過對現(xiàn)役同類型發(fā)動機歷史試車數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，特別是起動過程故障特征提取，結(jié)合大推力液氧煤油補燃發(fā)動機故障模式分析和模擬計算，制定了起動準(zhǔn)備階段和起動過程健康監(jiān)控初步方案，見表1、表2。

表1、表2中健康監(jiān)控方案均采用基于緩變信號分析的故障檢測方法。后續(xù)還將發(fā)展基于速變信號（機械振動、壓力脈動、轉(zhuǎn)子位移、動應(yīng)變）的故障檢測方法，以及信號分析、數(shù)學(xué)模型和人工智能融合的故障檢測方法。

表1 起動準(zhǔn)備階段健康監(jiān)控方案Tab.1 Health Monitor Scheme at Startuр Preрaration Stage

表2 起動過程健康監(jiān)控方案Tab.2 Health Monitor Scheme at Startuр Stage

5 熱試驗證情況

目前，已成功進行了發(fā)動機半系統(tǒng)試車，見圖6。初步考核了分級起動方案，驗證了燃?xì)獍l(fā)生器點火、推力調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)級等方案，考核了起動過程燃?xì)獍l(fā)生器、渦輪泵、推力調(diào)節(jié)器等關(guān)鍵組件的性能及工作協(xié)調(diào)性。

圖6 發(fā)動機半系統(tǒng)試車Fig.6 Engine Half-system Test

試車表明，推力調(diào)節(jié)機電伺服系統(tǒng)控制半系統(tǒng)裝置按預(yù)設(shè)程序完成分級起動和主級工況維持。燃?xì)獍l(fā)生器點火柔和、壓力沖擊小（1.4～3.6 MPa），溫度峰處于安全范圍（試后燃?xì)庀到y(tǒng)組件無過熱燒蝕痕跡）。系統(tǒng)參數(shù)平穩(wěn)協(xié)調(diào)，與仿真預(yù)示一致性較好。

6 結(jié)束語

經(jīng)過前期研究攻關(guān)，初步突破了起動特性預(yù)示和控制、起動轉(zhuǎn)級機電伺服控制、多參數(shù)融合健康監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，并通過發(fā)動機半系統(tǒng)試車考核，初步驗證了發(fā)動機分級起動方案，為大推力液氧煤油補燃發(fā)動機工程研制奠定了堅實基礎(chǔ)。