空间多次启动、长期在轨泵压式动力系统方案研究

刘 畅, 刘 欣，肖立明, 东华鹏，顾伟军

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

空间多次启动、长期在轨泵压式动力系统方案研究

刘 畅, 刘 欣，肖立明, 东华鹏，顾伟军

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

通过对国内外上面级动力系统技术现状与发展趋势进行分析，提出开展上面级提高启动次数、延长在轨时间研制需求。采用液体推进剂启动箱启动的泵压式主发动机方案，可实现泵压式发动机空间多次启动；采用启动篮方案，可实现长时间滑行多次启动推进剂管理。研究结果表明：多次启动、长期在轨泵压式动力系统使上面级的性能和任务适应性得到全面提升。

液体推进剂；动力系统；多次启动；长期在轨；泵压

0 引 言

上面级作为航天运输系统的重要组成部分，由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道，能够将有效载荷从准地球轨道或地球轨道送入预定工作轨道或预定空间位置的具有自主独立性的飞行器，具有多次启动、长期在轨、自主飞行等特点，能够完成轨道转移、空间部署等任务，是提高运载火箭任务适应性的有效途径。

多次启动、长期在轨是上面级的主要技术特点。美国的半人马座上面级、欧空局阿里安-5的常温和低温上面级、俄罗斯的质子号D级、微风上面级、Fregrat上面级等均具备多次启动能力。主动力启动次数小于2次、在轨工作时间不超过数小时的上面级是无法满足多星轨道部署、深空探测等拓展任务要求的。上面级具备多次启动、长时间在轨能力后，其任务适应性将大大提升，特别是上面级的动力系统，突破空间高性能泵压式多次启动技术、并联贮箱均衡输送技术、多次启动推进剂管理等关键技术后，将进一步拓展上面级的应用领域。

1 动力系统优势分析

1.1 动力系统的分类

液体动力系统根据推进剂供应方式的不同可分为泵压式动力系统和挤压式动力系统。泵压式动力系统通过涡轮泵向发动机推力室输送推进剂，贮箱压力低；挤压式动力系统直接利用贮箱压力将推进剂挤压到发动机推力室，没有涡轮泵，贮箱压力高。

1.2 动力系统优势分析

挤压系统和泵压系统各有优、缺点，在选择供应系统时，应在满足航天器对发动机要求的前提下，尽量发挥其优点。挤压式动力系统和泵压式动力系统的优缺点如表1所示。

表1 挤压式与泵压式系统比较

由表1可知，对于小推力、工作时间短的任务宜采用挤压式动力系统，对于推力大、工作时间长的任务，由于挤压式动力系统的结构质量大，因此采用泵压式动力系统可显著减轻系统结构质量，提高运载能力。

2 泵压式动力系统关键技术

2.1 主发动机多次启动技术

对于启动次数少于 2次的泵压式动力系统，可采用火药启动器启动方案；启动次数若达到 2次以上，多个火药启动器布局难度大，其应用受到限制。泵压式动力系统实现空间多次启动，可采用液体推进剂启动箱方案。

图1为采用液体推进剂启动箱方案的泵压式多次启动发动机系统工作原理。

由图1可知，发动机主要由燃烧室、氧化剂泵、燃料泵、涡轮、燃气发生器、氧化剂启动箱、燃料启动箱、阀门等组成。启动箱内部设置隔膜，将挤压气体和液体推进剂分开。在发射前，通过地面设备分别向氧化剂和燃料启动箱内加注氧化剂、燃料，同时向启动箱充挤压气体，启动箱也可待飞行中上面级与基础级分离后、发动机点火前靠贮箱压力在轨充填推进剂。

飞行过程中，接到启动指令后，按照一定的时序，将氧化剂、燃料副阀和主阀分别打开，启动箱中的推进剂挤入燃气发生器，燃气发生器点火后产生高温、高压燃气驱动涡轮并带动泵工作，同时推进剂进入推力室中燃烧并产生推力。当两泵出口压力上升，泵后压力大于启动箱压力时，副系统路单向阀打开，泵后推进剂一部分进入燃气发生器，继续驱动涡轮做功，另一部分克服启动箱气体压力，充填启动箱，当发动机到达额定工况，两启动箱充填满。启动箱内推进剂再次充满后，可以用于发动机的下一次启动工作。

泵压式动力系统多次启动发动机需突破的关键技术如下：

a）密封技术。长时间工作和多次启动对发动机的密封性提出更高的要求。空间环境的高真空将带来材料的疲劳、摩擦、蠕变性能的变化，降低组件完成其功能的能力；此外，长时间工作和长任务周期，需要考虑推进剂与材料的相容性问题。在组件的设计过程中，要充分考虑这些因素的影响。如在推力室设计中，需要研究喷管延伸段材料在真空环境下的热辐射传热性能；在泵设计中，需要考虑失重对泵的影响。

b）热控技术。影响上面级发动机热环境的主要因素有外界辐射（主要是太阳直接辐射）、发动机本身热辐射（发生器、涡轮等高温组件热辐射）情况下的高温问题，以及没有热辐射情况下发动机向空间散热的低温问题。根据发动机工作特性确定发动机结构热环境控温目标时应充分考虑涡轮泵热反浸的影响，涡轮泵在每次启动工作结束后，涡轮的余热通过轴和壳体向泵进行热传导和辐射（简称“热反浸”），使泵入口温度上升，引起泵流道内推进剂（尤其是氧化剂）汽化，影响涡轮泵的再次启动，严重时可导致再次启动失败。因此，应根据启动间隔采取相应控制措施，控制热泵启动风险。此外，还需考虑推力室真空低温启动热控技术，控制长期在轨滑行过程中推力室推进剂流通通道最低温度，确保推进剂可靠正常充填温度条件。

c）系统方案优化技术。对于上面级发动机，发动机的性能、结构质量、结构尺寸都将直接影响到有效载荷质量，因此在设计中应尽量提高性能，减小结构质量和结构尺寸，进行系统方案优化，合理安排总体布局。2.2 推进剂均衡输送技术

受整流罩空间限制，上面级多采用同种推进剂并联贮箱的构型方案。与单个贮箱相比，并联贮箱方案需要考虑双箱不均衡排放问题，否则双箱排放不均衡，导致贮箱液位不一致，引起上面级质心偏移，若一个贮箱提前耗尽，将导致发动机进气，影响动力系统正常工作。

为抑制飞行过程中同种推进剂并联贮箱输送系统推进剂的不均衡输送，可在同种推进剂并联贮箱之间增加连通管路，将贮箱连通，通过过载使液面平衡，也可在系统流阻较小的分支输送管路中布置阻力元件，通过计算和地面精确匹配试验筛选出合适的限流组件，增加流阻较小的分支系统局部阻力，实现并联两分支系统的流阻接近。采用精确匹配分支流阻的方法可简化管路系统，减轻系统质量。

地面精确匹配试验一般采用试验工质（如去离子水），试验完成后再换算为推进剂状态。输送管流阻换算根据雷诺数相等的准则，在雷诺数相同情况下，将去离子水状态下的流阻换算为推进剂状态下的流阻。

2.3 推进剂管理技术

长时间在轨上面级在轨工作期间，需经历较长时间的在轨滑行和主发动机多次启动。在空间微重力条件下，为了保证发动机正常启动，需要对推进剂进行管理，确保主发动机启动时为其提供不夹气的推进剂。

可充填式启动篮可用于需要多次启动的系统。具有如下特点，a）体积小、结构质量轻；b）可实现模块化设计和装配；c）具有较强的任务适应性；d）相比较于海绵管理装置，可充填式启动篮可以在地面进行充填试验。

以中国某型上面级为例，贮箱内采用启动篮管理装置，通过启动篮可实现主机多次启动前推进剂的蓄留管理。采用启动篮后，可以取消推进剂沉底系统，简化动力系统工作时序，节约沉底用量。启动篮为封闭结构，利用表面张力保持和提供一定量推进剂，并且启动篮可再充填。与海绵表面张力管理装置不同，启动篮在零加速度下不能再充填，且必须使用多孔元件，如筛网或多孔板来保持推进剂。可再充填的启动篮如图2所示。

启动篮基本工作原理为：发动机完成一次工作后，启动篮内部为推进剂充填满状态。这时，如果存在侧向或者反向加速度，贮箱内的推进剂可能沉积在远离贮箱出口的位置，而启动篮内部的推进剂由于启动篮内部筛网的表面张力作用，被约束在启动篮内部。启动篮内部蓄留的推进剂可以满足发动机再次启动要求，发动机启动后，产生沉底加速度，沉积在贮箱上壁的推进剂沉积下来，对启动篮再次充填。启动篮充填满后，准备下一次启动。通过上述启动篮的蓄留作用，提供主机自身启动期间所需的液体推进剂，而不需要姿控发动机工作进行推进剂沉底，从而节省沉底消耗量。

启动篮需要有足够的容积才能保证发动机启动期间推进剂正常供应，启动篮容积主要取决于贮箱内推进剂沉底时间与发动机的流量。由于各次启动中，随着推进剂消耗，上面级总质量逐渐减小，加速度逐渐增大，因此主发动机工作时，使上面级产生的最小加速度为

式中 F为主发动机推力；M0为上面级首次点火前总质量。

贮箱内推进剂沉底时间为

式中 n为无量纲沉底时间特征系数，一般取 10；H为贮箱理论高度。

沉底时间内将消耗启动篮内部的推进剂，以氧化剂为例，消耗的氧化剂质量为

式中om˙为主发动机氧化剂流量。氧化剂启动篮设计容积为

式中oρ为氧化剂密度；f为安全系数；n1为氧化剂贮箱数量。

3 系统应用实例

多次启动、长期在轨泵压式动力系统方案已应用于某型上面级，该上面级动力系统采用泵压式方案，具备空间20次以上启动能力，在轨时间不低于2天。推进剂采用常规推进剂偏二甲肼/四氧化二氮，主发动机为泵压式双组元发动机，循环方式为燃气发生器循环，采用液体启动箱启动方案实现空间多次启动。贮箱增压采用气瓶贮气常温氦气增压方案，输送系统为同种推进剂并联贮箱输送模式，通过地面试验使分支流阻差在设计要求范围内。推进剂管理采用可再充填式启动篮方案。

上面级飞行试验结果证明，主发动机按预定设计完成了9次点火，表2为主发动机各次点火和滑行时间，各次点火过程中主发动机启动箱排放、充填正常，发动机参数协调、匹配。贮箱压力及发动机入口压力满足设计要求，并联贮箱由于在地面通过了分支输送管路流阻匹配，飞行过程中贮箱均衡输送过程正常，未出现一个贮箱提前耗尽的现象。启动篮在各次启动过程中实现了正常排液和充填，保证了不夹气的推进剂供应，满足多次启动推进剂管理要求。

表2 主发动机各次点火、滑行时间

根据飞行试验结果，多次启动、长期在轨泵压式动力系统中，发动机、推进剂输送、推进剂管理等各分系统工作协调、匹配，为上面级提供所需的冲量，方案合理可行。

4 结 论

本文通过对国内外上面级动力系统的现状进行总结分析，国外较先进的上面级的特征是具备主发动机多次启动、长期在轨工作的能力。以中国某型上面级动力系统为例，开展了多次启动泵压式动力系统方案研究。系统采用液体推进剂启动箱实现泵压式发动机空间多次启动，采用启动篮实现多次启动推进剂管理，通过地面分支输送管路流阻匹配，实现并联贮箱均衡输送。采用上述动力系统方案，获得高性能的同时，实现泵压式动力系统多次启动、长期在轨工作。

空间多次启动、长期在轨泵压式动力系统的成功研制，使中国上面级动力系统达到国际主流液体上面级的先进水平，使上面级的性能和任务适应性得到全面提升。

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平流层空射系统研制取得阶段性进展

9月 19日平流层空射系统公司宣布，在莫哈维航空航天港成功地在一架巨型飞机上进行 6台涡扇喷气式发动机的第 1轮试验。该巨型飞机是该公司空射运载火箭系统的载机，此次试验标志着该公司在平流层空射系统研制中取得了里程碑式的进展。

本轮试验分为3步：a）不加注燃料，采用辅助动力装置给发动机供电；b）加注燃料，验证相关操作性能和贮箱密封性能；c）测试发动机，每次启动一台发动机，验证其空转性能。试验中，每台发动机工作正常，性能均达到预期要求。参与试验的发动机来自于两架波音 747飞机，由普•惠公司研制，型号为PW4056，单台发动机可产生257 kN的推力。

除发动机试车，该公司还对控制、电气、气动和火警系统进行了性能测试。该公司还表示，在接下来的几个月内，将继续对载机的发动机进行更高功率等级的试车，并对结构进行一些适应性改变，最后进行滑行试验。

平流层空射系统使用的载机为双机身巨型飞机，其翼展超过117 m，结构质量为226.8 t。作为发射平台，该载机可搭载质量为250 t的运载火箭系统。按计划，在载机投入使用后，首先将用于搭载轨道ATK公司的飞马座XL运载火箭（一次可搭载3枚火箭）。

Research on the Propulsion System of Multiple Ignitions and Long Duration in Orbit

Liu Chang, Liu Xin, Xiao Li-ming, Dong Hua-peng, Gu Wei-jun
(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)

The technique situation and development tendency of upper stage propulsion system developed at home and aboard is analyzed. The multiple ignitions and long duration in orbit is required. A liquid propellant start box for turbo-pump engine is adopted to achieve multiple ignitions. A start basket propellant management device is adopted to realize propellant management in long duration of orbit. Due to these measures, the performance and flexibility of the upper stage are improved.

Liquid propellant; Propulsion system; Multiple ignition; Long duration; Turbo-pump

V43

A

1004-7182(2017)05-0041-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170510

2016-10-13；

2017-08-30

刘 畅（1980-），男，高级工程师，主要研究方向为上面级动力系统

（张绿云 陈允宗 摘译自http://spacenews.com/engine-test-latest-step-for-stratolaunchs-giant-aircraft[2017-09-19]）