月球軟著陸下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要作用

月球軟著陸下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要作用

1關(guān)鍵組件試驗(yàn)驗(yàn)證20世紀(jì)60年代，美國實(shí)施了阿波羅登月計(jì)劃，并成功實(shí)施了登月。本文針對(duì)登月下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)需求,提出了采用膨脹循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)作為下降級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案,分析了液氧甲烷推進(jìn)劑的技術(shù)優(yōu)勢,論證了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力循環(huán)方式、點(diǎn)火方案以及調(diào)節(jié)方案,并介紹了關(guān)鍵組件技術(shù)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證情況。2液氧盔甲氧化處理技術(shù)的優(yōu)勢1沖孔性能高可以看出,三種低溫發(fā)動(dòng)機(jī)中,液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖性能最高,液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的理論比沖略高于液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。2近空間可貯存甲烷沸點(diǎn)為-161℃,液氧沸點(diǎn)為-183℃,液氧和甲烷理想工作溫度更接近空間環(huán)境溫度,理論上更易實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的空間長期貯存,屬空間可貯存推進(jìn)劑。進(jìn)入21世紀(jì),在重返月球背景下,美國提出“發(fā)展先進(jìn)低溫推進(jìn)技術(shù)”的PCAD計(jì)劃,對(duì)新一代載人登月著陸器“牽牛星”,液氧、甲烷的貯存要求是月面210天3高焦溫度和高寧度烴類燃料使用過程中最大的問題就是積碳和結(jié)焦。甲烷結(jié)焦溫度為950K,煤油結(jié)焦溫度為560K,與煤油相比,甲烷結(jié)焦溫度高4氟氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火土壤點(diǎn)火土壤點(diǎn)火動(dòng)因試驗(yàn)登月下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)要求具備多次點(diǎn)火起動(dòng)能力(大于5次)。美國在上世紀(jì)六十年代,利用RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)換氟氧/甲烷推進(jìn)劑并開展了點(diǎn)火起動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)證明,氟氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)采用膨脹循環(huán)方案,可以實(shí)現(xiàn)箱壓自身起動(dòng)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能較高、可貯存性好、發(fā)動(dòng)機(jī)不易積碳和結(jié)焦、易于實(shí)現(xiàn)多次起動(dòng)及變推力調(diào)節(jié),是登月下降級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)的理想選擇。3支持系統(tǒng)的設(shè)備3.1動(dòng)力循環(huán)方案對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)循環(huán)方式?jīng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)的類型,在很大程度上影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、研制難度、研制成本、制造工藝和試驗(yàn)方法。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案選擇首先是確定循環(huán)方式。按照推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的類型,通常有擠壓式和泵壓式兩種。擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)一般適用于小推力、短時(shí)間工作的姿控動(dòng)力系統(tǒng),在發(fā)動(dòng)機(jī)推力超過一定量級(jí)和工作時(shí)間較長時(shí),泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)比擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。登月下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力要求達(dá)到幾噸級(jí),采用擠壓式供應(yīng)方式帶來的結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅增加是系統(tǒng)不能承受的,在此不作考慮。泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)力循環(huán)方式主要有補(bǔ)燃循環(huán)、閉式膨脹循環(huán)、燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)等。三種循環(huán)方式相比,燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方案設(shè)置較簡單,系統(tǒng)各組件間相互獨(dú)立性好,便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié),但由于副系統(tǒng)流量小,導(dǎo)致調(diào)節(jié)元件尺寸過小,較難實(shí)現(xiàn)10∶1大范圍變推力調(diào)節(jié)。最重要的一點(diǎn)是渦輪做功燃?xì)馀欧旁斐闪艘欢ǖ男阅軗p失,額定工況和低工況比沖比閉式循環(huán)低約10s;補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能最高,但由于系統(tǒng)壓力高,渦輪功率大,加上高溫高壓導(dǎo)管及密封等要求大大提高,導(dǎo)致其研制難度較其他方案大,研制周期長,成本高;膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與其他循環(huán)方式的區(qū)別在于:驅(qū)動(dòng)渦輪做功的工質(zhì)由低溫氣甲烷取代了燃?xì)獍l(fā)生器/預(yù)燃室雙組元燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)?。?jīng)泵增壓的甲烷進(jìn)入推力室再生冷卻身部夾套,對(duì)推力室身部再生冷卻,吸熱后轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟冗m中的氣甲烷,用于驅(qū)動(dòng)渦輪做功。膨脹循環(huán)方案中,經(jīng)過渦輪做功后的甲烷全部進(jìn)入推力室和液氧燃燒,比沖較燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)有很大提高。與燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)和補(bǔ)燃循環(huán)相比,由于取消了燃?xì)獍l(fā)生器或預(yù)燃室副系統(tǒng),渦輪工質(zhì)為低溫還原性氣體,減輕了渦輪的熱應(yīng)力,避免了渦輪燒蝕問題,發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性提高。綜上分析,膨脹循環(huán)方案具有固有可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)多次起動(dòng)和變推力調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn),各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足總體要求,研制周期短、成本低,是載人登月下降級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)的首選方案。圖1所示為采用膨脹循環(huán)的登月下降級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案原理圖,液氧和甲烷分別經(jīng)氧泵和甲烷泵增壓。氧泵后的液氧直接進(jìn)入推力室進(jìn)行燃燒,甲烷泵后的甲烷全流量對(duì)推力室身部進(jìn)行再生冷卻,通過再生冷卻身部吸熱后的甲烷驅(qū)動(dòng)甲烷渦輪和氧渦輪,做功后的甲烷直接進(jìn)入推力室進(jìn)行燃燒。3.2火炬點(diǎn)火器點(diǎn)火如前所述,膨脹循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)箱壓自身起動(dòng),無需采用外能源,起動(dòng)次數(shù)不限。在點(diǎn)火器選擇上參考了國外低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的主要方案點(diǎn)火起動(dòng)過程如下:在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷階段,甲烷泵后至甲烷主閥這一容腔內(nèi),甲烷與管路和推力室冷卻夾套金屬進(jìn)行熱交換而達(dá)到某一個(gè)平衡溫度,為起動(dòng)渦輪的工質(zhì)提供一定的初始焓,與此同時(shí),液氧也充填至氧主閥前。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)滿足預(yù)冷起動(dòng)溫度和泵前壓力條件后,關(guān)閉甲烷泄出閥和氧泄出閥?；鹁纥c(diǎn)火器點(diǎn)火,打開甲烷主閥和氧主閥,在箱壓下,進(jìn)入推力室內(nèi)具有一定熱焓的氣甲烷與進(jìn)入推力室的液氧點(diǎn)燃,進(jìn)行低壓、低混合比燃燒,燃?xì)馐估鋮s夾套的溫升增加,氣甲烷驅(qū)動(dòng)渦輪的能量增加,渦輪起動(dòng)加速。經(jīng)過一段時(shí)間的起動(dòng)加速過程,發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到主級(jí)穩(wěn)定工作狀態(tài),發(fā)動(dòng)機(jī)完成自身起動(dòng)。3.3可調(diào)節(jié)噴注器方案在發(fā)動(dòng)機(jī)甲烷渦輪和氧渦輪處均設(shè)置了旁通路,通過調(diào)節(jié)旁通調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)渦輪介質(zhì)流量,控制渦輪功率,進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)推力的目的;在甲烷泵出口設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥,用于發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化過程中穩(wěn)定混合比;為確保變工況過程中燃燒效率和穩(wěn)定性,必須采用可調(diào)節(jié)噴注器方案(針?biāo)▏娮⑵?、雙孔噴注器等)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)并轉(zhuǎn)入主級(jí)穩(wěn)定工作后,根據(jù)登月艙發(fā)出變推力指令,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入變推力調(diào)節(jié)程序。首先調(diào)節(jié)兩渦輪泵旁通調(diào)節(jié)閥開度,調(diào)節(jié)進(jìn)入渦輪的熱氣流量,隨著渦輪功率改變,泵流量和壓力變化,發(fā)動(dòng)機(jī)推力開始變化,與此同時(shí),根據(jù)工況調(diào)整調(diào)節(jié)噴注器面積以及混合比調(diào)節(jié)閥開度,維持噴注壓降和發(fā)動(dòng)機(jī)混合比。發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)控制程序需要在各組件動(dòng)特性規(guī)律完全掌握后最終確定。4組件方案的驗(yàn)證針對(duì)膨脹循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)方案,開展詳細(xì)的系統(tǒng)和組件設(shè)計(jì),并針對(duì)關(guān)鍵組件火炬式電點(diǎn)火器、噴注器開展試驗(yàn)驗(yàn)證工作,驗(yàn)證了方案的可行性。4.1氣氮?dú)饧淄辄c(diǎn)火特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)了富氧燃燒氣氧氣甲烷火炬式電點(diǎn)火器方案,并開展了地面點(diǎn)火試驗(yàn)研究。圖2所示為點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意和三維外形圖。試驗(yàn)共計(jì)點(diǎn)火100余次,進(jìn)行了不同點(diǎn)火混合比、點(diǎn)火室壓力、點(diǎn)火室結(jié)構(gòu)參數(shù)下的點(diǎn)火特性。試驗(yàn)證明氣氧氣甲烷在16~38寬混合比范圍都能夠?qū)崿F(xiàn)可靠點(diǎn)火,驗(yàn)證了氣氧氣甲烷點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)和點(diǎn)火可靠性。該點(diǎn)火器成功參加了后續(xù)推力室變工況熱試驗(yàn),試驗(yàn)進(jìn)一步證明,點(diǎn)火器能夠在不同推力室工況下實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火,點(diǎn)火迅速,冷卻可靠,進(jìn)一步驗(yàn)證了點(diǎn)火器的可靠性。圖3為點(diǎn)火器典型試驗(yàn)壓力曲線及點(diǎn)火試驗(yàn)現(xiàn)場發(fā)火照片。4.2燃燒特性分析設(shè)計(jì)了氣液針?biāo)ㄊ胶碗p孔直流式兩種噴注器結(jié)構(gòu)方案,開展了噴注器變工況擠壓熱試驗(yàn)研究。圖4為針?biāo)ㄊ健㈦p孔直流式噴注器的產(chǎn)品實(shí)物。熱試驗(yàn)中,均配套了自主研發(fā)的火炬式電點(diǎn)火器,并成功實(shí)現(xiàn)了多次推力室點(diǎn)火。兩臺(tái)推力室產(chǎn)品(針?biāo)▏娮⑵骱碗p孔噴注器各配套一臺(tái))共計(jì)進(jìn)行了10次熱試驗(yàn),單次點(diǎn)火時(shí)間50s,累積試驗(yàn)500s,獲取了10比1變工況下噴注器的燃燒特性。熱試驗(yàn)結(jié)果顯示:針?biāo)▏娮⑵骱碗p孔噴注器與火炬式電點(diǎn)火器工作協(xié)調(diào)性好,發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)迅速,關(guān)機(jī)正常;兩種噴注器在大范圍變工況下均能夠穩(wěn)定燃燒,其中針?biāo)▏娮⑵鳙@得了較高的燃燒效率,三種工況下燃燒效率達(dá)到了0.99,室壓粗糙度不大于5%,見表2,其中燃燒效率通過室壓、流量等測量參數(shù)換算得出,并對(duì)影響燃燒效率的三個(gè)主要因素:燃料組分、身部溫升、壓力恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行了修正。室壓粗糙度是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的重要指標(biāo),其計(jì)算方法是取發(fā)動(dòng)機(jī)主級(jí)工作段室壓峰峰值之半與穩(wěn)態(tài)室壓的百分比。圖5為雙孔噴注器三種工況下火焰,圖6為針?biāo)▏娮⑵魅N工況下火焰照片。推力室研究性熱試驗(yàn)初步證明了兩種噴注器用于變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性,獲得了火炬式電點(diǎn)火器與噴注器協(xié)調(diào)工作特性及點(diǎn)火時(shí)序,為發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。5火炬式電點(diǎn)火器1)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑來源廣泛、成本低廉、性能較高、空間可貯存,且易于實(shí)現(xiàn)大范圍變推力和多次起動(dòng),是登月下降級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)的理想選擇;2)登月下降級(jí)變推力發(fā)動(dòng)機(jī)采用膨脹循環(huán)、箱壓自身起動(dòng),火炬式電點(diǎn)火器高壓點(diǎn)火方案,通過合理設(shè)置調(diào)節(jié)裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍推力調(diào)節(jié),發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足總體要求;3)開展了點(diǎn)火器、