轨道转移飞行器动力系统方案选择分析

饶大林，琚春光，吴胜宝，高朝辉，申 麟



轨道转移飞行器动力系统方案选择分析

饶大林，琚春光，吴胜宝，高朝辉，申 麟

（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京，100076）

动力系统是轨道转移飞行器的重要分系统之一，为飞行器提供速度增量，实现变轨、姿态控制等功能。为优化飞行器总体性能，首先对挤压式和泵压式动力系统进行比较分析；然后在总冲、尺寸等约束条件下，分别建立两种系统贮箱、气瓶、发动机等组件的质量预估模型；最后以某空间碎片主动清除飞行器为例，分析了两种动力系统的总质量随总冲的变化规律，为飞行器动力系统的方案选择提供设计依据。

轨道转移飞行器；动力系统；挤压式系统；泵压式系统

0 引 言

动力系统作为空间轨道转移飞行器的重要分系统之一，占据了飞行器较大部分质量。因此，提高动力系统的性能，降低系统质量对于提高有效载荷质量，从而提高整个飞行任务的效费比具有重要意义[1]。

虽当前对反物质推进、核推进、微波推进、激光推进、绳系推进等多种新概念空间推进技术[2～4]开展深入研究，但目前基于化学能的液体推进仍是空间飞行器的主要动力方案。液体化学能推进系统按照推进剂供应方式可分为挤压式系统和泵压式系统[5]。两种系统各有优缺点，使用范围也不同，对于特定的空间任务，动力系统总体方案对空间飞行器总体方案和性能都具有重要影响[6]。动力系统选型需考虑的因素有技术成熟度、系统复杂度和性能等，本文主要从降低系统质量的角度出发，分析泵压式和挤压式系统的应用范围。

1 挤压式系统和泵压式系统原理及特点

1.1 挤压式系统和泵压式系统原理

动力系统主要由主发动机、贮箱、气瓶和管路阀门等组成，其工作原理如图1所示。

a）挤压式

b）泵压式

续图1

1.2 特点比较分析

表1对两种系统进行了比较分析。

表1 空间飞行器挤压式和泵压式系统比较[7]

1.3 影响动力系统结构质量的因素

动力系统的结构质量主要受下列因素影响：

a）燃烧室压力。由于泵压式发动机的燃烧室压力较高、混合比接近化学当量混合比，因此泵压式发动机的结构质量、比冲均高于挤压式发动机。

b）发动机入口压力和箱压。泵压式发动机的入口压力及箱压均小于挤压式发动机，因此在推进剂加注量较大时，泵压式动力系统的贮箱质量、贮气量和气瓶结构质量均小于挤压式。

c）推进剂加注量。在相同总冲要求下，泵压式发动机比冲较高，推进剂加注量较小，贮箱和气瓶尺寸较小；在相同加注量条件下，泵压式系统的贮箱工作压力较小，贮箱结构质量也较小。

2 动力系统方案选择分析

2.1 简化假设及输入条件

为了便于分析比较，在方案选择及初步设计时，根据下列简化假设和输入条件进行计算：

a）动力系统的结构质量主要考虑发动机、气瓶和贮箱三大部件，管路阀门的质量通过系数简化计算，此外机架也暂不考虑；

b）动力系统仅考虑轨控发动机的选择；

c）动力系统质量模型按照理论分析得到；

d）暂不考虑动力系统热控、飞行过载、推进剂管理等问题；

e）采用常温氦气增压，贮箱和气瓶的初始温度均为293.15 K，气瓶工作压强均选择35 MPa；

f）贮箱暂用十字交叉并联布局方案，氧化剂贮箱和燃料贮箱各两个，贮箱直径不超过1.0 m，采用球形贮箱或柱形贮箱（封头椭球比1.6）。气瓶直径不超过0.3 m，采用球形气瓶或柱形气瓶（封头为半球形）。

2.2 动力系统质量模型

2.2.1 备选发动机

备选发动机包括1台挤压式发动机和1台泵压式发动机。其中发动机质量是影响系统总质量的重要因素之一，但发动机本身的设计计算不在本文研究范围，其质量和比冲数据参考某型发动机型号。挤压式发动机质量为15 kg，泵压式发动机质量为45 kg。

2.2.2 贮箱设计

2.2.2.1 贮箱容积

计算贮箱容积的输入条件包括：总冲、比冲、混合比、推进剂密度等。

总冲z根据空间任务情况确定，比冲v、混合比、推进剂密度o和f由所选定的发动机确定。设初始气枕占贮箱容积的比例为c（初始气垫体积为贮箱容积的3%～5%），贮箱排空率为d，则氧化剂和燃料贮箱的容积o，f可表示为

（2）

2.2.2.2 贮箱工作压强

贮箱的工作压强由增压计算和强度设计计算得到，为简化计算，本文仅根据增压计算结果取值。增压计算的目的是为了得到保证飞行器在飞行过程中发动机能正常工作所需的贮箱压力。

对于挤压式供应系统[5]有:

式中tk为贮箱压强；c为燃烧室工作压强；Δinj为喷注器压降；Δl为管路和过滤器的压降；Δv为各种阀门的压降。

对于泵压式系统[5]有：

2.2.2.3 贮箱结构及质量

求得贮箱的工作压强和容积后，首先根据结构尺寸约束选定结构形状，然后依据强度理论计算壁厚，再求得质量。

a）柱形贮箱。

柱形贮箱的圆筒段壁厚可用下式计算[8]：

式中tk为贮箱工作压强；tk为圆筒段内径；为焊缝系数；[]为在最高温度下的材料许用压强。对于材料强度极限的安全系数b取为1.8~3，对材料屈服极限的安全系数s取为1.3～1.5。当用强度极限安全系数进行强度计算时，应对材料的屈服进行校核。

椭球形封头的壁厚可以按照下列公式计算[8]：

式中为椭球封头的形状系数，由下式确定：

（7）

在设计椭球封头时，壁厚通常不小于箱体直径的0.3%。

对于椭球封头的贮箱，其容积、表面积和质量分别为

（9）

（10）

式中tk为贮箱结构材料的密度；为圆柱段的容积，；为表面积，（其中，为圆筒段长度）；为椭球封头容积，；为表面积；。

b）球形贮箱。

对于球形容器，按照下式计算壁厚[8]：

式中b为最高环境温度下的最高工作压强，对于气瓶通常取初始压强，对于贮箱则取安全阀开启压强；b为容器内径；[]为在最高温度下的材料许用压强。

气瓶在最高环境温度下的材料许用应力可用下式求得：

根据求得的气瓶容积，可由下式计算球形气瓶内径：

气瓶的结构质量为

（14）

式中为气瓶结构系数，考虑到气瓶厚度不均以及附件和固定件的影响，通常取1.2～1.5；b为气瓶结构材料密度。

2.2.3 气瓶设计

求得贮箱容积和初始气垫体积后，即可求出气瓶的贮气量。为了简化计算，做以下假设：增压气体为不加热的常温气体、理想气体、推进剂不蒸发、绝热系统，增压气体与推进剂之间的热交换暂不考虑。

计算气瓶容积的输入条件包括：增压工质参数、贮箱工作压强、贮箱初始温度、贮箱初始和终了气垫体积、气瓶初始压强、气瓶初始温度、气瓶最低工作压强等。

2.2.3.1 气垫初始质量

初始气垫质量由气垫的初始状态参数确定，即：

式中ui为气垫初始质量；u为初始气垫气体的摩尔质量；ui，ui和ui分别为气垫的初始压力、体积和温度；为摩尔气体常数。

2.2.3.2 有效气体质量

忽略推进剂的蒸发，可得工作终了时刻的有效气体质量[7]：

式中ef为增压气体的摩尔质量；g为终了时刻气垫总体积；tkf为工作终了时刻的贮箱气垫气体温度。

2.2.3.3 终了时刻气瓶和贮箱内的气体温度

假设气瓶内气体绝热膨胀，并遵循气体状态方程，则气瓶最终温度和剩余气体质量为[7]

（18）

若贮箱初始气垫和增压气体是同种气体，则贮箱最终的温度为[7]

式中bi，bi和bi分别为气瓶初始气体质量、温度和压强；bf为气瓶最终压强；为增压气体的比热容比。

2.2.3.4 气瓶容积和残存气体质量

假定气瓶内气体按照绝热过程膨胀，则气瓶容积为[7]

式中b为气瓶容积；r为工作终了时刻气瓶出口到贮箱入口腔道中残存的气体质量，可忽略。

终了时刻气瓶中残存的气体质量为[7]

实际上气瓶内的气体大多按多变过程膨胀，若有准确的实验数据，可将上述各式中的绝热指数用多变指数代替。

通过上述方法计算得到所需的增压气体质量和气瓶体积后，即可进行气瓶结构设计和质量估算，其计算方法与上述贮箱的计算方法相同。气瓶材料通常可选择钛合金或复合材料。

2.2.4 动力系统总质量估算

主发动机、贮箱和气瓶等占据了动力系统质量的绝大部分，而阀门管路的质量相对较小。采用下式估算主动力系统的干重：

式中p为主动力系统干重；e为主发动机质量；tk为贮箱质量；b为气瓶质量；为系数，用于考虑管路阀门和其他附件的质量。

2.3 仿真结果分析

挤压式系统的推进剂为四氧化二氮和一甲基肼，泵压式系统的推进剂为四氧化二氮和偏二甲肼。挤压式系统的贮箱采用等容设计；而泵压式系统的贮箱根据实际混合比分别设计。贮箱材料选用LF6，气瓶材料选用碳纤维复合材料（铝合金内衬）。

动力系统干重、贮箱和气瓶结构质量随总冲的变化曲线如图2所示。由图2可知，贮箱质量对系统干重的影响较大，气瓶质量影响较小。总冲z大于6.5×106N∙s时挤压式系统的干重和贮箱质量急剧增加，原因在于贮箱形状的变化。当总冲I小于6.5×106N∙s时，选择球形贮箱即可满足要求，当总冲较大时，则需要选择采用椭球封头的柱形贮箱。相同尺寸和材料工艺的贮箱，其壁厚和结构质量与工作压强成正比。

湿重随总冲的变化情况如图3所示。对于贮箱直径限制在1.0 m以下的系统，当总冲I<6.5×106N∙s（推进剂加注量约980 kg）时，选择挤压式系统获得的系统总质量较小，而当总冲大于该值时，泵压式动力系统获得的系统总质量较小。

图2 动力系统干重、贮箱和气瓶结构质量的变化曲线

当总冲I<6.5×106N∙s（推进剂加注量约2 100 kg）时，两种系统的总质量相差不大；而大于该值时，由于贮箱结构质量的显著增加使挤压式系统总质量急剧上升，明显大于泵压式系统。

由上述结果可知，从系统质量方面分析，泵压式系统的优势主要体现在总冲较大时。一方面由于泵压式发动机比冲的优势使得推进剂总质量减小的优势更加显著；另一方面贮箱尺寸小和工作压强低使得结构质量小的优势也体现了出来，尤其当推进剂加注量较大而必须采用柱形贮箱以后，采用泵压式系统的贮箱工作压强低而使其结构质量远小于挤压式系统的贮箱质量。

3 某空间飞行器动力系统分析

3.1 计算条件

该飞行器主要用于实现下列功能：a）待命期间为轨道维持提供动力；b）与目标交会对接时提供动力；c）抓捕目标后将目标拖拽至坟墓轨道提供动力。

飞行器包络尺寸为Φ2.8×2.3 m，主动力系统的总冲量要求为9.66.5×106N∙s，贮箱直径不大于1.0 m，发动机启动次数不小于3次。

3.2 结果分析

采用上述方法计算动力系统总质量及结果见表2。

表2 动力系统总体方案质量比较

由表2可知，由于泵压式系统贮箱工作压强比剂压式系统的贮箱工作压强低得多，因此泵压式系统的贮箱质量比挤压式系统的低约212.36 kg（58.5%），气瓶质量低约35.44 kg（65.98%），增压气体少9.19 kg（69.57%）；又由于泵压式系统发动机比冲（3 097 m/s）比挤压式系统发动机（3 030 m/s）高，因此在满足相同总冲的条件下，推进剂加注量少69.85 kg。泵压式系统干重（257.03 kg）比挤压式系统（518.39 kg）的轻261.36 kg（50.42%）。泵压式系统总质量（3 426.17 kg）比挤压式系统总质量（3 767.01 kg）少340.84 kg（约9.05%），因此对于上述飞行器，宜选用泵压式系统。

4 结 论

传统空间飞行器，例如卫星、飞船等，由于系统规模小和多次启动技术不成熟等原因，常采用挤压式系统，但随着空间飞行器规模的增大，以及泵压式系统多次启动技术逐渐成熟，泵压式动力系统的需求也逐渐增强。

本文基于两款备选发动机，建立双组元挤压式系统和双组元泵压式系统的质量预估模型，分析了两种系统的结构质量随总冲的变化情况，对于贮箱直径限制在1.0 m以下，气瓶直径限制在0.3 m以下的系统，得到如下结论：

a）贮箱结构质量对系统干重的影响最大，气瓶的影响较小。

b）当总冲I<3.0×106N∙s时，挤压式系统的总质量小于泵压式系统，反之则反。

c）当总冲I>6.5×106N∙s时，贮箱形状（由于直径限制需要选用柱形贮箱）对动力系统质量的影响较大，泵压式系统的总质量明显小于挤压式系统，建议选择泵压式系统；而当总冲I<6.5×106N∙s时，考虑到系统复杂度等因素，建议选择挤压式系统（总冲I介于3.0×106～6.5×106N∙s之间时，两种系统质量相差不大，但挤压式系统更简单，且更易实现姿轨控系统一体化设计）。

d）根据某空间飞行器的约束条件，选择泵压式系统能使动力系统总质量减小约9.05%。

[1] 李自然, 陈小前, 郑伟, 等. 轨道转移推进系统及其发展趋势[J]. 火箭推进, 2005, 31(5): 25-31.

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[5] 龙乐豪. 液体弹道导弹与运载火箭——总体设计（中）[M]. 北京: 宇航出版社, 2005.

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[7] 朱宁昌. 液体火箭发动机设计(上)［M]. 北京: 宇航出版社, 1994．

[8] 朱宁昌. 液体火箭发动机设计(下)［M]. 北京: 宇航出版社, 1994．

Propulsion System Selection and Analysis for Orbit-transfer Vehicle

Rao Da-lin, Ju Chun-guang, Wu Sheng-bao, Gao Zhao-hui, Shen Lin

(R&D Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

Propulsion system is one of the most important systems of orbit-transfer vehicle, which provides the velocity increment for the functions of orbit transfer, attitude control and so on. To optimize the performance of the vehicle, pressure-fed propulsion system and pump-pressurized propulsion system were compared. Then the quality model of the two systems were established with the constraints of total impulse and size, considering the components of tanks, gas cylinders and engines mainly. At last, taking the active debris remove vehicle as the example, the variation current of the total impulses with total impulse for both propulsion systems was analyzed, supporting the selection and design of propulsion system.

Orbit-transfer vehicle; Propulsion system; Pressure-fed propulsion system; Pump-pressurized propulsion system

1004-7182(2016)02-0017-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160204

V475

A

2015-01-06；

2015-12-22

饶大林（1983-），男，工程师，主要从事航天运输总体及动力技术研究