長時間在軌上面級動力系統關鍵技術研究

肖立明，李 欣，侍 野，胡聲超，張 穎

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

上面級是一種介于運載火箭和航天器之間的航天飛行器，如圖1所示。一般具備獨立的控制系統，能夠將有效載荷從過渡軌道進一步送至預定的工作軌道或空間位置，具有較強的任務適應性。上面級經過多年的實踐和發展，已經成為空間運輸系統不可或缺的組成部分[1-2]。

遠征一號上面級是我國針對二代導航二期MEO北斗衛星直接入軌及多星發射任務研制、能夠兩次啟動的新型上面級，是我國首個在軌滑行時間較長的運載器。上面級動力系統提供用于變軌所需要的動力，同時提供姿態控制、推進劑沉底、末速修正功能所需要的動力，將上面級和有效載荷一起送入預定軌道。遠征一號上面級動力系統在方案階段，主要完成了動力系統選型論證、長時間在軌推進劑管理、并聯貯箱均衡輸送、加注夾氣抑制等關鍵技術的攻關工作，確保上面級圓滿完成各次飛行任務。

圖1 上面級Fig.1 Sketch of upper stage

本文在完成選型對比分析泵壓式與擠壓式動力系統的基礎上，進一步研究了長時間在軌推進劑管理技術、基于連通管的并聯貯箱均衡輸送技術、復雜布局下輸送系統夾氣抑制技術、泵壓式發動機長時間在軌適應性技術等關鍵技術，總結了在某型號應用情況，并結合長時間在軌上面級的未來需求，提出了動力系統發展的后續建議。

1 動力系統選型分析

按照液體推進劑供給方式的不同，液體火箭發動機的動力系統主要分為擠壓式和泵壓式兩類。在動力系統選型分析時，應考慮總體任務的使用需求，例如加注量、結構質量、空間布局、推力量級等因素，盡可能發揮這兩類供應系統的各自優勢。一般而言，衛星等航天器通常選用擠壓式動力系統，運載火箭通常選用泵壓式動力系統，而介于兩者之間的上面級既可以選用擠壓式動力系統，也可以選用泵壓式動力系統。

總體對上面級發動機進行了較為廣泛的方案研究工作，對可行性較大的6種發動機方案進行了綜合分析，初步確定泵壓式發動機和擠壓式發動機作為兩種備選方案。通過真空比沖、系統質量、多次啟動能力、總體布局、動力系統熱控技術、推進劑管理技術、地面試驗驗證、使用維護性能、研制基礎、可靠性、研制進度、研制成本等各方面因素的進一步比較分析，在二代導航上面級運載能力較為緊張的前提下，最終確定以泵壓式發動機為基礎的上面級動力系統方案性能占優，為首選方案。泵壓式發動機如圖2所示。

圖2 泵壓式發動機Fig.2 Sketch of pump-fed rocket engine

2 動力系統關鍵技術研究

2.1 長時間在軌推進劑管理技術

上面級滑行期間歷經低重力環境，貯箱內推進劑與增壓氣體不再保持穩定的界面，在外界擾動下容易出現氣液夾雜或飄浮，當發動機再次啟動時，會帶來不利影響。為確保上面級發動機兩次工作正常啟動、飛行任務完成，必須采取合理的推進劑管理技術方案，通過一定的措施保證上面級發動機兩次啟動前推進劑聚集在貯箱出口，并且不夾雜氣體[3-4]。

我國傳統運載火箭的滑行時間較短，均采用連續沉底方法，這種方法雖然可靠但消耗推進劑較多，不能勝任長達數小時、數天的滑行任務。而上面級是我國首個滑行時間長達6 h以上的運載器，并且要求在長時間滑行后能保證發動機再次可靠啟動。為此，設計了一種適應于長時間滑行的上面級推進劑管理方案，即采用組合推力間歇式沉底方法結合局部蓄留推進劑管理裝置的推進劑管理方案，間歇沉底工作順序如圖3所示，推進劑管理裝置圖4所示。在整個滑行段前期均不進行推進劑管理，僅在主發動機啟動之前的一段時間內進行間歇沉底，間歇沉底初期使用小推力進行推進劑重定位，在液面穩定后的間歇沉底后期使用大推力來加速氣泡析出，通過間歇沉底使推進劑聚集在貯箱底部，向發動機提供滿足使用要求的推進劑；推進劑管理裝置用來防止氣體進入輸送管，而不提供發動機啟動所需要的推進劑。

圖3 間歇沉底工作順序Fig.3 Sketch of discontinuous propellant settling

圖4 推進劑管理裝置Fig.4 Sketch of propellant management device

通過采取上述推進劑管理方案，既保證了推進劑在上面級發動機兩次啟動之前的可靠沉底，又可以大大減少沉底發動機推進劑的耗量，特別適用于類似上面級這種需要長時間滑行、多次啟動的運載器。

2.2 基于連通管的并聯貯箱均衡輸送技術

遠征一號上面級采用4個球柱形貯箱并聯為一臺發動機供應推進劑的方案,由于并聯貯箱的分支輸送管路流阻存在差異,且貯箱內的推進劑管理裝置流阻也存在差異,若不采取措施將導致飛行過程中出現推進劑消耗不平衡的現象。出現這種推進劑消耗不平衡的情況，一方面將增大上面級的質心橫移，無疑這對姿態穩定系統提出了更高的要求；另一方面，還會導致貯箱內的推進劑不可用量增加，最終影響上面級的運載能力。

為此，分析了不均衡輸送產生的機理，設計了一種基于連通管的均衡輸送技術方案，即通過貯箱下底口蓋，在同種推進劑并聯兩貯箱之間新增一套連通管路的技術方案，用來抑制推進劑輸送過程中的不均衡現象。此外，設計了一套并聯貯箱均衡輸送原理性試驗系統，其原理如圖5所示，該系統驗證了連通管方案的可行性及理論計算模型的正確性。最后，利用仿真計算對該方案在發動機流量偏差、發動機混合比偏差、輸送系統總流阻、分支流阻差、過載變化等條件下不均衡的抑制效果進行了綜合評估，給出了具體的箭上連通管實施方案，典型的液位高度差隨時間變化仿真計算結果如圖6所示。

通過采取上述基于連通管的并聯貯箱均衡輸送方案，保證了上面級飛行過程中并聯貯箱內推進劑消耗的同步性，一方面能減小上面級整體質心橫移偏差，有效地增加上面級姿控系統控制力裕度，減小姿控推進劑耗量;另一方面能有效減小推進劑的不可用量，最終使上面級的運載能力得到提高[5-6]。

2.3 復雜布局下輸送系統夾氣抑制技術

相比于大型基礎級火箭，遠征一號上面級箭上加注管及輸送管具有尺寸小、布局走向復雜、存在多處局部最高點和局部最低點及管系中的部分管段高于貯箱底部等特點，造成在加注過程中輸送系統內出現氣液夾雜的現象。同時針對貯箱底部安裝的推進劑管理裝置而言，一旦底部的篩網被液體浸潤，就開始起到氣液分離的作用，若后續加注的推進劑出現夾雜現象，則液體可通過篩網進入貯箱，而夾雜氣體被篩網攔截后無法進入貯箱，仍留存于輸送管之中。氣體收集裝置如圖7所示。從原理性試驗收集的夾氣量來看，加注過程中輸送系統會殘存夾雜數百毫升量級的氣體，夾雜有氣體的推進劑將直接威脅發動機的正常啟動和穩定工作，存在一定的隱患和風險。

圖5 均衡輸送原理性試驗原理圖Fig.5 Sketch of balanced supplying principe test

圖6 并聯貯箱液位高度差變化仿真計算結果Fig.6 Emulation sketch of the change of liquid height difference in parallel tank

圖7 氣體收集裝置Fig.7 Sketch of gas collecting device

為此，一方面通過加注過程原理性試驗獲取不同加注流量下氣泡在輸送系統內的分布規律，進而優化加注流量，采用全程小流量加注方案，避免輸送系統的水平段管路及貯箱出口段管路在加注過程中夾雜氣泡；另一方面，在發動機主閥前設置排放閥和排放管路，在發動機每次點火前均設計排放時序，保證輸送系統供應液體推進劑，從而確保發動機系統點火可靠。

通過上述全程小流量加注結合發動機高空排放的措施，可以解決上面級輸送系統加注夾氣問題，有效降低了上面級飛行過程中發動機啟動失敗的風險。

2.4 泵壓式發動機長時間在軌適應性技術

為適應上面級發射任務的需求，泵壓式發動機需要6.5 h長時間在軌工作。發動機的溫度受到深冷低溫的空間背景、太陽輻照、地球紅外輻射、地球反照等復雜的空間熱環境，以及發動機工作時自身羽流、熱輻射、關機后的熱反浸等因素的影響，熱環境條件極其惡劣、復雜，導致發動機溫度變化劇烈[7-9]。為保證發動機正常工作，發動機主要部件對溫度控制均有嚴格要求，其典型部件的溫控范圍如表1所示。

表1 發動機典型部件控溫范圍

為此，發動機采用以被動熱控為主、主動電加熱控制為輔的熱控方案實現飛行過程中的熱環境控制。其主要閥門及管路的外表面均包覆多層隔熱組件，外表面膜為單面鍍鋁的聚酰亞胺薄膜。同時，針對6處溫度可能偏低的管路及推力室擴張段采取主動電加熱的控溫措施，額定加熱功率不超過38.8 W。通過上述主動熱控、被動熱控相結合的措施，確保泵壓式發動機在軌期間各組件的溫度均處于正常控溫范圍之內，使其能再次正常啟動及穩定工作。

3 動力系統關鍵技術應用情況

長時間在軌的動力系統關鍵技術已成功應用于遠征上面級，該上面級動力系統采用泵壓式供應方案，具備空間二次啟動能力，在軌時間為6.5 h。發動機使用常規可貯存雙組元四氧化二氮和偏二甲肼推進劑，采用燃氣發生器循環方式，屬于固定推力常規雙組元推進劑泵壓式開式循環發動機，采用被動熱控結合主動電加熱的控溫措施。貯箱增壓采用氣瓶貯氣式常溫氦氣開式增壓方案，輸送系統采用基于連通管的并聯貯箱均衡輸送方案，并采用推進劑加注全程小流量加注結合發動機高空排放的方式抑制輸送系統夾氣。推進劑管理采用組合推力間歇式沉底方法結合局部蓄留推進劑管理裝置的技術方案。

上面級歷次飛行試驗結果表明，輸送系統能夠提供不夾氣的液體推進劑，為主發動機提供了良好的啟動條件，主發動機按照預定的飛行時序順利完成了變軌工作，性能參數滿足使用要求。同時并聯貯箱內的推進劑均衡輸送，消耗不平衡現象得到有效抑制。此外，推進劑管理裝置能夠實現液體推進劑低重力條件下的有效蓄留，推進劑間歇沉底方案穩定可靠。

因此，長時間在軌上面級動力系統的發動機、增壓輸送、推進劑管理等各分系統工作協調、匹配，所涉及的關鍵技術均已得到突破和驗證，動力系統總體技術方案合理可行。

4 后續發展建議

綜合前文上面級動力系統關鍵技術的分析及應用情況，提出以下幾點發展建議[10-11]：

1)開展泵壓式發動機多次啟動技術研究。為充分發揮在軌級航天器的潛力，適應多種軌道任務要求，后續還需繼續開展多次啟動的技術攻關。

2)開展上面級發動機可延伸噴管段技術研究。為縮小發動機噴管長度，優化結構布局，進一步發揮泵壓式發動機的潛力；同時開展可搖擺式噴管研究，適應多星部署、大質心偏移等未來發展要求。

3)開展變推力技術研究。目前遠征系列上面級尚不具備變推力能力，后續可借鑒變推力發動機的技術，逐漸發展遠征上面級的變推力能力，提升其適應未來空間任務的靈活性。

4)開展泵壓式動力系統姿軌控一體化方案研究。針對遠征上面級多次啟動、輕質化高性能的后續發展需求，需突破泵壓式姿軌控一體化技術，掌握泵壓式一體化氣、液供應方法，解決多次啟動難題，優化動力系統配置，提升上面級動力系統的綜合性能。

5)開展泵壓式動力系統長期在軌技術研究。遠征上面級目前對動力系統的在軌時間要求僅為6.5 h，不能滿足后續空間拓展任務長達數月甚至數年的在軌要求。因此需提前開展長期在軌適應性研究，適應泵壓式發動機、增壓輸送系統及推進劑管理更長時間在軌的使用需求。

6)開展在軌推進劑剩余量測量及預報技術研究。目前遠征上面級貯箱內推進劑剩余量無法實現準確測量，后續還需開展推進劑剩余量測量及預報技術，盡可能準確掌握貯箱內的推進劑剩余量情況，向用戶提供接近真實水平的推進劑剩余量信息。

5 結論

動力系統是上面級的核心技術之一，其推力、比沖、啟動次數和在軌工作時間直接決定了上面級飛行任務的范圍、規模和周期。長時間在軌上面級泵壓式動力系統的成功研制及應用，使上面級的綜合性能得到提升，有效拓展了上面級的應用范圍。本文的主要研究成果如下：

1)對上面級動力系統選型論證過程進行了總結分析，以泵壓式發動機為基礎的動力系統方案在運載能力方面占優，因此被列為上面級動力系統的首選方案。

2)總結了上面級動力系統研制過程中涉及的長時間在軌推進劑管理、基于連通管的并聯貯箱均衡輸送、復雜布局下輸送系統夾氣抑制、泵壓式發動機長時間在軌適應性等關鍵技術的攻關情況。

3)通過多次飛行試驗的結果表明，動力系統涉及的關鍵技術均已得到工程突破和驗證，技術方案合理可行。

4)結合上面級后續發展需求，提出了對泵壓式動力系統針對多次啟動、可延伸噴管、搖擺噴管、變推力、姿軌控一體化方案、更長時間在軌適應性、在軌推進劑剩余量測量及預報等方面的發展建議。