新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统方案研究

2012-03-16李淑艳肖明杰李晓瑾郑小鹏董万峰

火箭推进 2012年1期

李淑艳，肖明杰，李晓瑾，郑小鹏，董万峰

（西安航天动力研究所，陕西西安710100）

0 引言

轨/姿控发动机系统的作用是为航天器飞行过程中变轨和姿态控制提供动力。近年来，随着轨/姿控发动机系统推进剂量需求不断增加，且安装空间小、质量轻的要求更加突出，传统的冷气恒压挤压单组元、双组元和冷气发动机方案已无法满足新型航天器的发展要求，有必要探索和研究新型轨/姿控发动机系统。

1 国外新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统技术发展现状

活塞泵增压轨/姿控发动机系统是介于挤压式系统与涡轮泵压式系统之间的一种新型动力系统方案，国外对这种系统开展了大量的研究工作。20世纪90年代，该增压系统的技术发展进入了一个新的里程碑。

美国的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）和奥林航天公司（OAC）分别在1993年和1994年进行了单组元催化分解产生热燃气驱动活塞泵的发动机系统地面试验，其中奥林航天公司采用的活塞泵增压动力系统主要组件有1个不锈钢推进剂贮箱、1台四缸活塞泵、1台单组元燃气发生器、2台推力装置、液体压力调节器和热燃气调节器。

1994年，LLNL将单组元肼催化分解活塞泵增压动力系统在长1.9 m、直径0.16 m的火箭上成功进行了飞行试验，活塞泵质量约365 g，能供应产生450 N推力的推进剂流量，动力系统干质量约2 kg，可产生2 km/s以上的速度增量。该动力系统主要包括1个15.3 L的钛合金贮箱、1台四缸活塞泵、2台单组元燃气发生器、4台推力装置、液体压力调节器和热燃气调节器。

2002年，LLNL又将改进后的活塞泵采用过氧化氢完成了动力系统地面试验。至此，美国在活塞泵增压单组元系统的研究已较为成熟。在活塞泵增压单组元系统研究的同时，早在1993年，LLNL就已经提出活塞泵增压双组元系统方案的设想，2005年，在活塞泵增压单组元系统研究的基础上，LLNL开展了活塞泵增压双组元系统的研究。该研究的应用背景是为火星探测地质标本返回飞行器提供上升及轨/姿控动力，设计的双组元活塞泵质量约400 g，可提供压力为7 MPa、推力为1 000 N的推进剂所需流量，双组元活塞泵示意图见图1。另外，针对前期研究中出现的活塞泵燃气泄漏量较大的问题，LLNL还开展了无泄漏活塞泵的设计和研究，并用液体和冷气进行了试验验证，活塞泵能提供压力为5 MPa、流量为200 g/s的液体，无泄漏活塞泵示意图见图2。

乌克兰研制的活塞泵动力系统已成功应用于RD-860发动机上，见图3。

从美国活塞泵增压动力系统技术研究情况来看，活塞泵增压动力系统技术的研究从单组元系统开始，已逐步向双组元系统发展，完成了活塞泵增压单组元系统地面试验和原理性飞行试验。乌克兰研制的活塞泵动力系统已得到应用。

图1 双组元活塞泵Fig.1 Bipropellant piston pump

图2 无泄漏活塞泵Fig.2 Leak tight piston pump

图3 RD-860发动机Fig.3 RD-860 engine

2 新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统方案

新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统用轻质小型活塞泵代替气瓶，通过肼催化分解产生的燃气驱动活塞泵并保持推进剂贮箱压力恒定，实现自增压循环，可大幅度减小轨/姿控发动机系统干湿重比和结构尺寸，实现全系统预包装和免维护使用；同时，采用该系统方案，可在不增加贮箱压力的情况下，通过调节驱动气体压力提高泵后推进剂压力，从而提高推力室压力，实现动力系统高性能、轻质化和小型化。

一种典型的新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统见图4，该系统采用燃气驱动活塞泵增压方案，推进剂采用MON-3和N2H4，贮箱预充氮气，系统组件主要包括贮箱（2个）、电爆阀（2个）、充气阀（2个）、加注泄出阀（2个）、活塞泵（2个）、控制阀、燃气发生器、轨控发动机和姿控发动机各1台。

图4 活塞泵增压系统Fig.4 Piston pump pressurized system

系统工作原理：系统工作前，在氧化剂和燃料贮箱通过充气阀预充背压；当系统工作时，控制系统给电爆管通电电爆阀打开，肼和绿色四氧化二氮在贮箱背压作用下，充填整个系统下游，肼流经控制阀进入燃气发生器经催化分解产生燃气，燃气驱动活塞泵活塞，由于活塞泵内活塞气缸的面积大于液缸的面积，因此使泵下游液路产生了高于贮箱的压力，这个升高的压力被下游液体传递给控制阀、燃气发生器和活塞泵，由控制阀控制系统压力；当控制阀达到额定压力时，系统的压力不再提高，系统增压结束。当发动机工作时，贮箱内推进剂在初始背压下落压工作，燃气驱动活塞泵活塞交替工作使推进剂压力升高，为发动机持续供应推进剂。

当推力室工作时，打开相应的控制阀门，氧化剂和燃料进入双组元推力室经撞击、雾化、混合产生高温燃气，经喷管加速后产生推力；或燃料肼推进剂进入分解室经催化分解产生高温燃气，经喷管加速后产生推力。达到控制目的后，关闭控制阀，推力室即停止工作。

3 新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统特点

新型活塞泵增压轨/姿控动力系统结合了涡轮泵压火箭发动机的高性能、轻质量和挤压式发动机多次快速起动的能力。该系统具有如下特点。

3.1 安全性高、使用维护性能好

系统中取消了气瓶，只在贮箱中充低压气体，避免了高压气的预包装问题。同时，贮箱采用预包装设计后，使系统的使用、维护性能大幅提高。

3.2 质量轻、体积小

目前轨/姿控发动机的很大一部分重量来自高压气瓶和贮箱，活塞泵增压轨/姿控发动机系统没有气瓶，由轻质小型活塞泵代替重而大的气瓶；贮箱可用低压贮箱，可采用薄壁轻质的钛合金贮箱，进一步降低贮箱的重量；活塞泵是通过活塞的交替工作提供推进剂供应，确定合理的活塞运动频率，可使活塞泵的结构尺寸做得很小。

3.3 性能高、响应快

挤压式系统由于贮箱压力升高会导致重量大幅增加，这使得推力室室压提高也受到了限制，而采用该系统方案，可在不增加贮箱压力的情况下，通过提高活塞泵后压力，从而提高推力室室压，进一步提高发动机性能；该系统可以像挤压式系统一样实现多次、快速启动，通过阀门和推力室的快响应设计能够实现发动机快响应。

3.4 适应性好、可扩展性强

传统挤压式轨/姿控发动机一旦系统总冲发生变化，气瓶等关键组件均需重新设计，而采用活塞泵增压轨/姿控发动机系统，活塞泵的设计与供应的流量有关，与推进剂总量无关。因此，当总冲发生变化时，活塞泵不需重新设计即可直接借用，系统中其他组件仅作较小的改动即可实现。因此，该系统对不同的任务需求具有较好的适应性；活塞泵增压轨/姿控发动机系统可以为发动机提供多种供应方式，发动机型式可采用液体双组元发动机、气液混合双组元发动机、单组元催化分解发动机及燃气发动机，该系统可扩展性强。

4 新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统关键技术点

新型轨/姿控发动机系统采用燃气驱动活塞泵增压方案。不同于传统的冷气挤压式系统，该系统采用单组元燃气发生器催化分解产生的燃气驱动活塞泵。该系统中关键技术主要体现在增压系统上。

4.1 增压系统参数匹配技术

活塞泵增压系统通过贮箱背压挤压推进剂流经下游，肼经催化产生燃气驱动活塞泵的闭环燃气发生器循环系统。为实现系统循环稳定增压，需确保系统参数匹配，确定合适的活塞泵增压比，合理分配增压系统各组件压降，使活塞泵升高的压力大于增压系统压力损失，实现增压系统循环增压。

4.2 增压系统热控制技术

增压系统采用肼催化分解燃气驱动活塞泵，由于肼催化分解燃气温度高达1 200 K以上，如此高的燃气温度下直接对活塞泵增压，将使活塞泵高温动密封较难实现，工作寿命和可靠性受到影响，同时带来推进剂安全等问题。因此，需合理控制燃气温度，保证高温组件和推进剂工作在安全温度范围内并尽可能提高燃气增压效率。

4.3 推进剂压力和流量稳定技术

由于活塞泵自身工作特点不可避免地转换过程中产生压力和流量脉动，这种脉动可能会使发动机偏离额定混合比、发生低频振荡等，严重影响发动机性能及可靠性。需要通过活塞泵自身设计及系统上采取控制措施的技术途径，稳定推进剂压力和流量供应，满足发动机供应要求。

4.4 燃气驱动活塞泵设计技术

活塞泵是该系统的核心组件，为保证连续供液，活塞泵气、液缸分别采用多缸（两缸以上）方案。根据系统特点及使用要求，活塞泵设计需要关注活塞泵总体结构、高温动密封及多缸联动匹配等技术，实现轻质、小型、稳定和可靠工作。

5 新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统试验验证及仿真研究

开展了新型活塞泵增压轨/姿控发动机系统研究工作，进行了主要组件试验验证和活塞泵增压系统仿真研究。

5.1 活塞泵冷热试验证

进行了活塞泵冷热试，典型工况热试曲线见图5，试验数据见表1。活塞泵在最高入口燃气温度470 K下工作正常，增压比与设计值相当，输出流量稳定，考核了活塞泵设计方案的正确性，验证了活塞泵在高温下的工作能力。

图5 活塞泵热试曲线Fig.5 Experiment curves of piston pump

表1 活塞泵热试数据Tab.1 Experiment data of piston pump

5.2 单组元催化分解燃气发生器热试

进行了燃气发生器方案试车，推进剂为无水肼。试验进行了额定工况和高低工况下的稳态、长程、脉冲及热返浸等各种工况的考核，典型工况曲线见图6。试车结果表明，燃气发生器在各种工况下均工作正常，压力、流量及燃气温度等参数满足要求。

图6 燃气发生器热试曲线Fig.6 Experiment curves of gas generator

5.3 活塞泵增压系统仿真计算

在AMESim仿真平台下，建立图4中活塞泵增压系统仿真模型，进行活塞泵增压系统启动及工作过程仿真，获得的仿真曲线见图7～9。仿真结果表明，活塞泵增压系统可在1 s内完成增压，活塞泵增压系统能够协调工作且参数匹配，通过在活塞泵后设置蓄压器有效降低了活塞泵出口压力和流量脉动范围，燃气发生器出口燃气经过管路散热后进入活塞泵燃气温度大幅降低。