運載火箭發動機噴管變形機構型綜合分析研究

馬紅鵬，吳會強，張宏劍，曹熙煒，蔣亮亮，樂 晨

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

運載火箭是航天運輸領域的主要運載工具，能夠體現一個國家航天運輸的綜合實力[1-2]。運載火箭多功能化發展對機構技術提出新的需求與挑戰，如整流罩、星箭、級間、助推等分離機構將由傳統火工分離裝置向氣、電、液等新型分離機構發展[3]。由此可見，機構技術是運載火箭實現多功能化發展的重要支撐技術，運載火箭機構技術相較于傳統機構在高可靠、高輕質、高適應、高效率等方面面臨更大的挑戰[4]。隨著運載火箭復用化、智能化與航班化發展，機構需要更加多樣化的能源、產品、智能設計及總體耦合設計[5]。

運載火箭常規發動機噴管一般為固定長度和固定擴張比結構，相比一級火箭發動機，二、三級火箭發動機因噴管外部工作環境壓強的降低，通常設計更大的擴張比，同時在保證火箭發動機性能要求下，盡量縮短整個箭體長度以適應運輸和發射平臺。發動機噴管變形機構技術是實現發動機工作前最小長度與工作時最大推沖比的主要技術途徑。火箭發動機噴管變形機構技術最早應用于大型固體運載火箭，旨在一定箭體長度內利用現有級間段包絡空間，最大限度地對二、三級發動機根據外部環境變化而適應性提高其輸出比沖和效率。

本文首先對國外噴管變形機構發展技術進行研究，分析了國外典型發動機噴管變形機構的組成、原理、功能及特點等；其次對噴管變形機構構型進行研究和對比分析；最后提出發動機噴管變形機構技術發展建議。

1 國內外噴管變形機構發展研究

1.1 變形機構應用與發展

運載火箭發動機噴管變形機構在級間分離前應可靠收攏鎖定于基礎噴管四周，級間分離后應可靠迅速展開并鎖定，從而達到提高發動機性能的目的。半個世紀以來，國外已將噴管變形機構技術應用于許多先進的導彈和火箭的二、三級發動機，典型應用情況見表1。

美國從20世紀60年代開始研究噴管延伸變形技術，形成了以RL-10A/B氫氧液體發動機、MX導彈固體發動機等為代表的典型應用產品。MX導彈其二、三級發動機都為噴管變形機構。二級發動機噴管變形后，噴管擴張比由33∶1提高至57∶1；三級發動機噴管變形后，噴管擴張比由24∶1提高至67.5∶1，可使總比沖提高5.6%[6]。普惠公司的RL-10A-4-2發動機在Atlas IIA半人馬上面級的應用為噴管變形機構技術在液體火箭發動機的第一次飛行驗證。此發動機為閉式膨脹循環發動機，真空推力為9.4 t、比沖為449 s、擴張比為84∶1[7]。

俄羅斯研究了分別用于N1火箭和天頂III火箭的D-57、RD-58M液體發動機。D-57液體火箭發動噴管機采用C/C復合材料，變形后噴管擴張比高達170∶1，噴管變形機構附加增質115 kg，安裝長度減小40%，并將比沖增加至461 s，共進行了7次點火測試，總持續時間為1 459 s。RD-58M液氧煤油發動機則通過了整個地面點火測試，在天頂-III發射中得到飛行驗證[7]。

日本在噴管變形機構技術經驗基于三菱重工與波音公司關于MB-XX項目的合作，該項目旨在開發一種高性能上面級發動機，作為RL10的替代。日本JAXA還對LE-7A發動機進行噴管變形機構研究，進行了點火試驗[8]。

歐洲在1989年開發了HM-7B噴管變形機構發動機[9]，作為HM-7的改進型，計劃用于Ariane 5上面級，但該產品一直沒有實現，后來轉為合作開發Vinci發動機項目[10]。

在國內，航天科技四院41所尤軍鋒等[11]提出了一種可拋式雙級延伸噴管變形機構，噴管擴張比從40∶1增加至65∶1，能有效增加約10%射程；北航閻德元等[12]建立了雙級延伸噴管動特性數學模型，確定了氣瓶內壓強、放氣時間與延伸噴管運動參數之間的關系。

由表1可知：

1)液體發動機噴管變形機構均為單級錐構型方案，部分單級錐構型為兩個錐作拼接一體化設計；固體發動機噴管變形機構有單級錐、雙級錐兩種方案。

2)噴管變形機構驅動能源有電機、燃氣發生器兩種，單級錐構型的驅動能源大多為電機，雙級錐構型的驅動能源為燃氣發生器。

3)以電機為驅動能源的噴管變形機構導向功能均由滾珠絲杠實現，以燃氣/冷氣為驅動能源的噴管變形機構導向功能由作動筒或滑動導軌實現。

4)以電機為驅動能源的噴管變形機構傳動功能有齒輪箱+柔性轉軸和齒輪+傳動帶兩種方式實現，以燃氣/冷氣為驅動能源的噴管變形機構傳動功能由滑動導軌或作動筒實現。

5)單級錐構型的鎖定功能一般由自鎖片實現，雙級錐構型的鎖定功能由作動筒內部設置的自鎖裝置實現。

1.2 典型噴管變形機構方案分析

下面對典型噴管變形機構方案進行分析，固體發動機以MX三級發動機為例，液體發動機以RL-10B-2發動機為例，進行機構組成、原理、功能及設計特點等分析。

1.2.1 MX三級固體發動機噴管變形機構

(1)組成及原理

如圖1所示，MX三級固體發動機噴管變形機構由作動筒、一級錐、二級錐、連接支耳等組成。4個作動筒周向均布，每個作動筒設有連接支耳，分別與一、二級錐及基礎錐相連。采用1個燃氣發生器帶動4個作動筒的方式，提供噴管變形的動力，采用歧管、節流孔、減壓閥來控制燃氣壓力和流量，盡可能均勻地對4個作動筒供氣。

圖1 MX三級發動機噴管變形機構組成Fig.1 Composition of MX three-stage engine extendable nozzle mechanism

作動筒作為噴管變形機構重要部件，由同步解鎖裝置、固定軸套、調節止動器、止擋釋放件、軸鎖、繩索調節部件、繩索固定器、動滑輪裝置、軸套等組成，具體見圖2。

圖2 MX三級發動機噴管變形機構作動筒[8]Fig.2 MX three-stage engine extendable nozzle actuator[8]

作動筒的工作原理為：

1)由同步解鎖裝置實現同步解鎖。

2)燃氣驅動外筒向外展開的同時，由于外筒與中筒之間的動滑輪系統作用，中筒也跟隨外筒一起向外展開。

3)當一級錐、二級錐展開到位后，靠作動筒內部自鎖裝置進行鎖定，同時作動筒內部燃氣壓力進一步提高，保證各級錐到位鎖定的可靠性。

綜上，MX三級固體發動機噴管變形機構運動原理如圖3所示，周向均布的4個作動筒分別設置3處鉸接連接支座與基礎錐、一級錐、二級錐進行連接，從而限制一、二級錐只有平移運動一個自由度。燃氣進入作動筒后，使作動筒展開。作動筒展開過程中整體圍繞基礎錐連接支座作旋轉運動，一、二級錐隨作動筒旋轉作延伸平移，一、二級錐平移到位后由作動筒內部自鎖裝置進行鎖定，從而實現發動機噴管的變形。

圖3 MX三級發動機噴管變形機構原理Fig.3 Principle of MX three-stage engine extendable nozzle mechanism

(2)功能及設計

MX三級發動機噴管變形機構功能要求及設計特點如下。

1)初始鎖定：由作動筒內部設計同步解鎖裝置實現，同步解鎖裝置可設計為燃氣氣驅解鎖機構，4個作動筒的解鎖裝置的供氣時間和供氣量可由歧管、節流孔、減壓閥等實現精確控制，以實現較好的解鎖同步性控制。

2)展開導向：由4個周向均布作動筒實現，周向90°偏角均布的作動筒+作動筒內部動滑輪裝置可約束一、二級錐僅能沿軸向作平移運動，較好實現展開過程的運動導向。

3)到位鎖定：由作動筒內部設置自鎖裝置實現，自鎖裝置可設計為卡爪等具有止退功能的結構形式。

1.2.2 RL-10B-2液體發動機變形機構

(1)組成及原理

如圖4所示，RL-10B-2液體發動機噴管變形機構由1個電機、3套同步齒輪+滾珠絲杠、1個凱夫拉傳動帶、3套支撐桿、一級錐(B錐)、二級錐(C錐)、自鎖片、防熱罩等組成。其中，B錐與C錐為一體式設計，材料為C/C；B錐前沿與C錐后沿均設置金屬材料強化環，用于連接與提高強度。

圖4 RL-10B-2發動機噴管變形機構組成Fig.4 Composition of RL-10B-2 engine extendable nozzle mechanism

如圖5所示，每級環錐內側設計環狀凸塊，用于展開到位后與自鎖片前端凹槽進行匹配，環錐靠自鎖片與環狀凸塊頂住鎖定，同時為減小到位鎖定的沖擊，設置橡膠減振墊用于緩沖。

圖5 RL-10B-2發動機噴管變形機構剖面示意Fig.5 Cross-section of RL-10B-2 engine extendable nozzle mechanism

參考圖4和圖5，變形機構工作原理如下：

1)電機驅動同步齒輪，3套滾珠絲杠靠同一根凱夫拉傳動帶實現同步旋轉運動。

2)滾珠絲杠旋轉，帶動B錐滑塊向展開方向運動，當滑塊運動至一定位置時，B錐內側凸塊進入A錐自鎖片前端凹槽，此時，B/C錐完成到位鎖定。

3)到位鎖定時刻，B錐內側凸塊撞擊自鎖片前端，凹槽側面的減振墊實現到位沖擊的緩沖。

(2)功能及設計

RL-10B-2發動機噴管變形機構功能及設計特點如下。

1)初始鎖定：電機與滾珠絲杠在不通電狀態即可實現初始鎖定。

2)展開導向：由3個周向均布滾珠絲杠與對應的支撐桿實現展開過程的運動與導向控制。

3)到位鎖定：由多個周向均布的自鎖片進行到位鎖定，一級錐前端設置凸塊與基礎錐上的自鎖片前端凹槽匹配進行到位鎖定。

4)到位緩沖：自鎖片前端凹槽設置橡膠材料減振墊用于到位緩沖。

1.2.3 小結

通過以上分析，可得到發動機噴管變形機構具有如下設計特點。

1)功能：噴管變形機構需設計初始鎖定、展開導向、到位鎖定、緩沖、防熱等功能。

2)方案：由于固體發動機一般先點火后實現噴管變形，多采用能量密度大、作動時間短的燃氣氣驅能源形式。另外，為提高能源使用效率，減少布局所占空間，多采用1個燃氣發生器帶動4個作動筒的設計方案；而對于液體發動機，多為上面級發動機，采用先噴管變形后點火的方式，一般選用到位沖擊小、作動時間長電機電驅能源形式，由1個電機帶動3套滾珠絲杠傳動裝置的設計方案。

3)同步性：氣驅作動能源形式一般設計歧管、節流孔、減壓閥等燃氣壓力和流量控制組件，對多個作動筒實現均勻供氣，以保證較好的展開同步性；電驅作動能源形式一般設計同步齒輪裝置實現提高展開同步性。

4)橫向載荷適應性：考慮整個展開過程機構變形帶來的展開可靠性問題，一般設計3套以上展開導向機構，或設置支撐桿等結構用于輔助提高機構剛度與強度。

2 發動機噴管變形機構構型研究

基于以上關于發動機噴管變形機構功能、方案、同步性、橫向載荷適應性等設計要求的分析，下面從機構功能要求、機構約束條件出發，進行機構構型研究。

2.1 機構功能要求分析

根據噴管變形機構增大擴張比、縮小整個級間長度的設計要求，確定如下功能。

1)初始鎖定：變形機構應設計初始鎖定組件，保證在級間分離前，可靠鎖定基礎錐與一、二級錐。

2)導向傳動：變形機構應設計導向傳動組件，保證在噴管可靠展開和導向到位。

3)到位鎖定：變形機構應設計到位鎖定組件，保證在噴管展開到位后可靠鎖定并保持。

4)緩沖：變形機構應考慮降低到位鎖定沖擊。

5)高熱承載：變形機構應進行防熱承載設計，能夠承受整個工作剖面中力熱環境的影響。

2.2 機構約束條件分析

噴管變形機構的邊界約束條件一般有。

1)性能要求：含展開到位時間、展開到位沖擊等。

2)能源要求：用于規定或設計展開能源。

3)包絡要求：含最大徑向包絡尺寸、最大軸向包絡尺寸。

4)防熱密封：含整個工作剖面熱環境及噴管密封要求。

5)總質要求：用于規定機構總質量。

2.3 機構構型研究

采取平面簡化等效模型進行噴管變形機構構型分析。平面內單個零件的自由度為2個移動和1個轉動。對三自由度平面空間變形機構進行構型綜合研究，解除與固體發動機之間連接的約束，可得平面四自由度機構運動鏈要滿足[14]

(1)

式中，x為機構運動鏈中構件數，機構拓撲學采取頂點數表示；y為運動副數，機構拓撲學采取邊數描述；xi為具有i個運動副的構件，i=1，2，3等，該構件稱為i副構件；f為機構自由度數。

由機構拓撲結構學和圖論理論[15]可得

(2)

式中，v為機構拓撲圖中基本回路數。

采用機構拓撲圖對噴管變形機構拓撲結構進行分析，拓撲圖中每個頂點表示機構元件，每條邊表示一個運動副。綜合公式(1)、公式(2)可得圖6的機構拓撲圖，滿足機構的單回路拓撲圖v=1僅存在一種拓撲形式，雙回路拓撲形式v=2有2種。單回路由4個運動構件與4個運動副組成，雙回路需6個運動構件+7個運動副或7個運動構件+8個運動副組成。本文只考慮環數為v=1的機構單回路拓撲方案。

圖6 機構拓撲圖Fig.6 Mechanism topology

對4構件4運動副組成的單回路機構中采用運動副的形式以低副優先，主要有轉動副(R)與移動副(T)兩種形式，基礎錐具備擺動功能，基礎錐與發動機殼體二者之間為轉動副，記為R；二級錐因需具備與基礎錐跟隨擺動功能，其與發動機殼體之間不進行連接，對應記為N。依此進行基礎錐、一級錐、二級錐三者間運動副的窮舉，噴管變形機構構型如圖7所示，總計有4種機構構型設計方案，分別為轉動副+轉動副(R+R)、轉動副+移動副(R+T)、移動副+轉動副(T+R)、移動副+移動副(T+T)。其中，轉動副+移動副(R+T)、移動副+轉動副(T+R)也稱為混合副。

圖7 噴管變形機構型綜合分析Fig.7 Type synthesis of nozzle morphing mechanism

3 噴管變形機構構型對比分析

通過對噴管變形機構構型分析，可分為轉動副、移動副與混合副3種噴管變形機構構型。其中，對于一、二級錐，如采用移動副則噴管可設計為整體環錐形式；如采用旋轉副，需要噴管設計為多瓣(片)搭接的形式。其設計特點和機構原理圖如表2所示。

表2 噴管變形機構構型對比

分值依據說明：成熟度-考慮研制試驗、飛行試驗等綜合得出；擴張比-考慮雙級錐為單級錐的2倍；空間性-考慮包絡空間尺寸確定；密封性-考慮搭接區域密封方案要求進行確定；可靠性-考慮構型方案、研制試驗、飛行應用成功率等得出。

下面從成熟度、擴張比、空間性、密封性、可靠性等5個維度進行綜合評比打分，分值范圍0～10，越高表明構型方案越有優勢，維度與分值依據說明見表注。

評價結果顯示，基于移動副組成的噴管變形機構剛度較好、可靠性較高，具有明顯的應用優勢。

由表2可得到如下結論：

1)單級變形機構相對雙級技術成熟度高，技術難度相對較低。

2)相比單級變形機構，雙級變形機構能實現更大的噴管擴張比。

3)在同一包絡下，移動副方案比轉動副方案具有更好的收攏折疊空間性，可降低對級間段內部空間要求。

4)移動副方案整體環向剛度較高，對應密封區域僅需考慮軸向對應搭接環向區域。轉動副方案整體環向連接性較差，環向剛度還需進行補充加強，同時密封區域相對移動副環向搭接區外，還需考慮軸向搭接區。

5)移動副構型方案簡單，單級錐/雙級錐的移動副噴管結構均為整體設計，環向剛度較好，相對轉動副方案，具有更高的可靠性。

6)單級噴管變形機構移動副方案優于轉動副方案，雙級噴管變形機構雙移動副方案優于混合副方案，雙轉動副方案整體性能最差。

4 啟示與建議

通過對國內外運載火箭發動機變形機構發展及應用進行研究分析。以MX三級固體發動機、RL-10B液體發動機為典型案例，對相關噴管變形機構組成、原理、功能及設計特點進行詳細分析及總結；對噴管變形機構型綜合設計技術進行研究，得出其功能要求、設計約束、構型分析等；最后對各機構構型進行系統對比分析。噴管變形機構通過不同能源形式及運動副進行組合以實現不同構型設計方案，以適應噴管變形的功能需求與實際使用環境。噴管變形機構技術發展的啟示及建議如下：

1)噴管變形機構是提升運載火箭發動機擴張比等性能的重要技術途徑，是提高運載能力與功能多樣化的重要支撐技術。

2)噴管變形機構需滿足初始鎖定、導向傳動、到位鎖定、緩沖、高熱承載等5大功能需求，是較為復雜的機構系統，功能集成設計是進一步提升產品效率與可靠性的關鍵技術，可借鑒MX噴管變形機構作動筒采用的集初始鎖定、展開導向、到位鎖定等多功能一體化的設計技術。

3)噴管變形機構不論單級錐或多級錐變形，均含有單自由度、長行程等特點，對于液體發動機噴管先變形后點火的較寬裕時序要求，適合電機+滾珠絲杠的驅動傳動方式；而對于固體發動機噴管先點火后變形的較嚴時序要求，則適合采取高壓氣體能源驅動，其中對于短期服役冷氣優于燃氣。

4)噴管變形機構移動副方案優于轉動副方案，具有結構剛度好、可靠性高、易于密封等優點。

5)噴管變形機構變形過程應綜合考慮點火與展開時序、到位沖擊等進行方案設計，如上面級使用的液體火箭發動機噴管變形機構，采用電驅能源+滾珠絲杠的展開方式，盡量降低到位沖擊對有效載荷和姿態控制的影響。