摘要

220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用于重型運(yùn)載火箭。通過多方案對(duì)比論證,優(yōu)化確定了發(fā)動(dòng)機(jī)采用單富氫預(yù)燃室并聯(lián)驅(qū)動(dòng)氫氧主渦輪泵、推力室與噴管串聯(lián)冷卻的系統(tǒng)方案。梳理了強(qiáng)耦合系統(tǒng)控制、高壓大流量燃燒裝置、高效大功率渦輪泵等多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)。開展了從縮尺到全尺、從組件到分系統(tǒng)的大量攻關(guān)試驗(yàn)研究,并最終成功實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)半系統(tǒng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案的正確性和核心分系統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)性,初步獲得了主要組件的性能特性,為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制奠定了重要基礎(chǔ)。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)真空比沖453 s,具備60～100%推力調(diào)節(jié)和多次點(diǎn)火、故障診斷等先進(jìn)功能,將在航天運(yùn)輸領(lǐng)域具有廣泛用途。

引言

運(yùn)載火箭的能力決定了人類自由進(jìn)出空間的能力,是一個(gè)國家綜合國力的象征和體現(xiàn)。迄今為止,世界上能夠?qū)崿F(xiàn)LEO入軌能力百噸以上的仍僅有美國的土星-5號(hào)、航天飛機(jī)和蘇聯(lián)的能源號(hào)火箭。隨著新的大型太空任務(wù)的提出,美俄兩國的新一代重型火箭SLS、超重-星艦、葉尼塞等也正在緊鑼密鼓的研制中。

中國的航天事業(yè)在過去幾十年間取得了長足進(jìn)步,但LEO入軌能力目前仍只達(dá)到25 t的量級(jí)。隨著載人月球探測(cè)、火星取樣返回等大型太空任務(wù)需求的提出,LEO入軌能力百噸以上的重型運(yùn)載火箭研制已提上議事日程。

從2010年起,中國重型運(yùn)載火箭開展了多輪次方案論證,并在2016年提出了在芯二級(jí)采用2臺(tái)220 t推力(以下簡稱220 t)高壓補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求。200 t推力量級(jí)的補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)代表了現(xiàn)役氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的最高技術(shù)水平,國際上成功研制的該推力量級(jí)補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)也僅有美國的SSME和蘇聯(lián)的RD-0120發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖均超過了452 s。其中的RD-0120發(fā)動(dòng)機(jī)支撐了蘇聯(lián)最大運(yùn)載能力的“能源”號(hào)火箭,SSME發(fā)動(dòng)機(jī)則創(chuàng)造了重復(fù)使用航天飛機(jī)的輝煌成就,并且還將繼續(xù)作為美國新一代重型運(yùn)載火箭SLS的芯級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)。

補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用富氫預(yù)燃室產(chǎn)生的燃?xì)鈦眚?qū)動(dòng)氫氧主渦輪,渦輪排氣進(jìn)入推力室與剩余的液氧、氣氫進(jìn)行補(bǔ)燃燃燒,由于沒有能量浪費(fèi),因此可以實(shí)現(xiàn)高比沖。同時(shí),200 t的推力量級(jí)也有利于渦輪泵保持較高的效率水平,從而可以實(shí)現(xiàn)高室壓,有利于減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量。但這也帶來了極高的技術(shù)難題,包括大流量高壓燃燒裝置的穩(wěn)定高效燃燒與熱防護(hù)問題,大功率高轉(zhuǎn)速渦輪泵的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軸承、動(dòng)密封、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題,以及為實(shí)現(xiàn)主渦輪泵高轉(zhuǎn)速引入了預(yù)壓渦輪泵導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜度大幅增加,給系統(tǒng)啟動(dòng)關(guān)機(jī)耦合控制帶來的技術(shù)難題等。

中國的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)通過幾十年的自力更生,已經(jīng)掌握了燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)和膨脹循環(huán)兩大類技術(shù)方案,為中國航天事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn),但在推力量級(jí)、比沖性能、推重比和擴(kuò)展功能等方面與國際先進(jìn)水平還有差距。目前中國最大推力的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力為70 t,采用的是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)技術(shù),真空比沖大約為428 s?！熬盼濉逼陂g也曾經(jīng)開展過50 t級(jí)補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研工作,但最終未能實(shí)現(xiàn)整機(jī)試車。

從2016開始,在重型運(yùn)載火箭的發(fā)展需求牽引下,中國開展了220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)方案深化論證與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過5年時(shí)間,遵循從縮尺到全尺、從組件到分系統(tǒng)的研究路徑,結(jié)合精細(xì)化仿真和半實(shí)物仿真等研究手段,220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)完成73次組件級(jí)熱試驗(yàn)、26次分系統(tǒng)級(jí)熱試驗(yàn),圓滿完成2次預(yù)燃室與氫/氧渦輪泵聯(lián)試和1次發(fā)動(dòng)機(jī)半系統(tǒng)試驗(yàn),初步突破了補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)核心關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案

1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案

補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案,比如SSME的雙富氫預(yù)燃室并聯(lián)氫氧渦輪泵方案[見圖1(a)],或者RD-0120的單富氫預(yù)燃室同軸氫氧渦輪泵方案[見圖1(b)]。不同方案有不同的優(yōu)缺點(diǎn):SSME發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氧渦輪泵為獨(dú)立設(shè)計(jì),性能較優(yōu),但發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)協(xié)調(diào)性控制是難點(diǎn); RD-0120發(fā)動(dòng)機(jī)采用同軸渦輪泵,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)同步性好,氧泵密封難度減小,但也帶來了對(duì)氧泵入口壓力要求高從而導(dǎo)致氧預(yù)壓渦輪泵設(shè)計(jì)難度大、能量損耗多的缺點(diǎn)。

本文的220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)綜合了國外上述兩型發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn),采用單富氫預(yù)燃室并聯(lián)驅(qū)動(dòng)氫氧主渦輪泵的技術(shù)方案(見圖2)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用于火箭芯二級(jí),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能和入口壓力要求均較高,因此設(shè)計(jì)上必須引入氫氧預(yù)壓渦輪泵。其中的氫預(yù)壓渦輪采用串聯(lián)冷卻推力室和噴管后的加溫氫驅(qū)動(dòng),氧預(yù)壓渦輪采用氧主泵后高壓液氧通過液力渦輪驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)采用氦氣瓶輔助起旋預(yù)壓泵。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火采用火炬點(diǎn)火器。在發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室氧路和預(yù)燃室氧路分別設(shè)置調(diào)節(jié)閥,用于對(duì)推力和混合比進(jìn)行調(diào)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)還設(shè)置了故障診斷器,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),高壓氦氣分別驅(qū)動(dòng)氫預(yù)壓渦輪和氧預(yù)壓渦輪泵啟動(dòng)渦輪,為火炬點(diǎn)火器和預(yù)燃室提供必要的初始點(diǎn)火壓力?；鹁纥c(diǎn)火器和預(yù)燃室先后點(diǎn)火后,預(yù)燃室產(chǎn)生的富氫燃?xì)獠⑿序?qū)動(dòng)氫氧主渦輪,而后排入推力室頭部燃?xì)馇?。氫主泵后的高壓液氫分為兩?約80%的液氫直接進(jìn)入預(yù)燃室,剩下的氫先逆流冷卻推力室身部,而后順流冷卻再生冷卻噴管,變成高溫氣氫后用于接力驅(qū)動(dòng)氫預(yù)壓渦輪,而后排入推力室頭部氫腔用于冷卻面板。氧主泵后的高壓液氧分為3路,約10%的液氧經(jīng)過與氧主泵同軸的二級(jí)泵再增壓后進(jìn)入預(yù)燃室,約15%的液氧用于驅(qū)動(dòng)氧預(yù)壓液力渦輪,而后與預(yù)壓泵出口液氧匯合,剩余液氧全部進(jìn)入推力室頭部氧腔。推力室內(nèi)為富氫燃?xì)狻⒁貉跫皻鈿?種組分混合燃燒,而后噴出噴管產(chǎn)生推力。為了減輕質(zhì)量,噴管的末段采用少量氫氣膜冷卻的單壁金屬噴管方案。

主級(jí)階段,發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)火箭需要進(jìn)行推力和混合比調(diào)節(jié)。關(guān)機(jī)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)工況先降低至約60%,而后陸續(xù)切斷預(yù)燃室氫氧閥和推力室氫氧閥,以降低關(guān)機(jī)時(shí)的水擊危害。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)總裝方案

220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)在總裝設(shè)計(jì)上采用了單機(jī)模塊化方案,即發(fā)動(dòng)機(jī)自帶獨(dú)立小機(jī)架,且發(fā)動(dòng)機(jī)氣控吹除所需閥門組件均為獨(dú)立配置(見圖3)。

相比于中國氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的雙機(jī)并聯(lián)設(shè)計(jì),單機(jī)模塊化的方案更有利于保證地面試車狀態(tài)與飛行狀態(tài)的一致性,也便于火箭裝配和發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)使用,并且具有更靈活的擴(kuò)展應(yīng)用能力。

發(fā)動(dòng)機(jī)的搖擺采用預(yù)壓泵前擺方案,主要原因是補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出推力室的管路較多,如果采用主泵后搖擺需顯著增加高壓搖擺環(huán)節(jié)數(shù)量(從2個(gè)增加至6個(gè)),增大研制難度,增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量,同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)高度將增加1 m,對(duì)火箭總體不利。

發(fā)動(dòng)機(jī)的單機(jī)布局以推力室為基礎(chǔ),在推力室頭部通過球形常平座傳遞推力。氫、氧主渦輪泵倒置在推力室兩側(cè),通過渦輪排氣法蘭與推力室頭部連接。預(yù)燃室放置于氫渦輪入口,通過燃?xì)鈱?dǎo)管與氧渦輪實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。預(yù)壓泵與主泵平行布置,預(yù)壓泵后的推進(jìn)劑通過管路進(jìn)入主泵。預(yù)燃室入口導(dǎo)管從泵后管路靠近主閥一端引出,從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)充分預(yù)冷。

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)

1 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。與中國現(xiàn)役最大推力的YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)相比,推力、流量、壓力均有3倍增長,發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸約有2倍增長,研制難度大幅增加。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是中國第一次開展帶預(yù)壓渦輪泵的百噸級(jí)以上補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制攻關(guān),涉及的關(guān)鍵技術(shù)是全方位的。其中,影響發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制的核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下方面:

①氫氧富燃補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)技術(shù);?

②總裝結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)技術(shù);?

③高壓大流量預(yù)燃室技術(shù);?

④大熱流高效補(bǔ)燃推力室技術(shù);?

⑤高效高可靠氫氧主渦輪泵技術(shù);?

⑥氫氧預(yù)壓渦輪泵技術(shù);?

⑦高壓大口徑閥門技術(shù);?

⑧補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)材料工藝技術(shù);?

⑨補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)進(jìn)展

迄今為止,發(fā)動(dòng)機(jī)已開展了約5年時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),采取了試驗(yàn)與仿真相結(jié)合,從縮尺到全尺、從組件到分系統(tǒng)的研制思路,開展了許多關(guān)鍵組件的冷態(tài)試驗(yàn)、縮尺熱試驗(yàn)、全尺熱試驗(yàn)和組件聯(lián)合試驗(yàn)、分系統(tǒng)耦合試驗(yàn)等,獲得了主要組合件的工作特性和核心組件間的系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)性。以下對(duì)一些重要的研制試驗(yàn)進(jìn)展予以介紹。

1 燃燒組件研制試驗(yàn)

1.1 火炬點(diǎn)火器試驗(yàn)

分別設(shè)計(jì)了液氫液氧預(yù)燃室火炬點(diǎn)火器和推力室火炬點(diǎn)火器,兩型點(diǎn)火器累計(jì)完成了63次熱試驗(yàn)(見圖4)。試驗(yàn)中采用了新研的SiC點(diǎn)火電嘴,能夠在液氦溫度環(huán)境下可靠發(fā)火。點(diǎn)火器試驗(yàn)的室壓范圍為0.12～6.6 MPa,混合比范圍為0.38～3.0。試驗(yàn)表明,兩型火炬點(diǎn)火器能夠適應(yīng)在箱壓或高背壓、富氧或富燃等寬范圍內(nèi)可靠點(diǎn)火。

1.2 縮尺預(yù)燃室試驗(yàn)

進(jìn)行了10次縮尺預(yù)燃室擠壓熱試驗(yàn)(見圖5),對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案的預(yù)燃室噴嘴、噴注器設(shè)計(jì)以及溫度場(chǎng)均勻結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了試驗(yàn)研究,獲得了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)燃燒性能、流量特性、溫度均勻性、燃燒穩(wěn)定性等影響,優(yōu)選了預(yù)燃室設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)的參數(shù)范圍為:室壓7.5～15.5 MPa、混合比0.6～1.04。

1.3 全尺預(yù)燃室試驗(yàn)

開展了7次全尺寸預(yù)燃室擠壓熱試驗(yàn)(見圖6),研究了全尺寸預(yù)燃室的流量特性、燃燒特性、溫度場(chǎng)分布特性和工作時(shí)序,驗(yàn)證了預(yù)燃室在拉偏工況下的工作適應(yīng)性。試驗(yàn)的參數(shù)范圍為:預(yù)燃室室壓7.7～13.2 MPa,混合比0.61～1.09。研究表明:預(yù)燃室燃燒穩(wěn)定,室壓脈動(dòng)小于±5,熱防護(hù)安全可靠,出口燃?xì)鉁囟绕钚∮凇?0 K,符合設(shè)計(jì)要求。

1.4 縮尺預(yù)燃室與縮尺推力室聯(lián)試

完成了6次縮尺預(yù)燃室與縮尺推力室補(bǔ)燃燃燒熱試驗(yàn)(見圖7),獲得了燃?xì)?氣氫/液氧補(bǔ)燃推力室噴嘴的流量特性和燃燒特性,初步考核了預(yù)燃室和推力室補(bǔ)燃燃燒技術(shù),獲取了補(bǔ)燃燃燒時(shí)序控制特性,并優(yōu)化確定了推力室設(shè)計(jì)參數(shù)。試驗(yàn)的參數(shù)范圍為:縮尺預(yù)燃室室壓9.2～15.8 MPa,混合比0.78～0.93; 縮尺推力室室壓7.6～12.5 MPa,混合比4.71～6.83。試驗(yàn)結(jié)果表明:補(bǔ)燃燃燒過程穩(wěn)定,燃燒效率高于0.995。試驗(yàn)過程中還附帶考核了快速電鑄身部結(jié)構(gòu)、不銹鋼擴(kuò)散焊再生噴管結(jié)構(gòu)和單壁噴管結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,各傳熱結(jié)構(gòu)安全可靠,相關(guān)材料工藝技術(shù)滿足使用要求。

2 渦輪泵組件研制試驗(yàn)

2.1 泵水力試驗(yàn)

對(duì)氫氧主泵分別開展水力試驗(yàn)(見圖8)。氫主泵試驗(yàn)水力效率達(dá)到0.765。氧主泵首次試驗(yàn)水力效率約為0.600,經(jīng)過優(yōu)化泵入口導(dǎo)流葉片后,第二次試驗(yàn)水力效率提升到0.727。試驗(yàn)表明,多級(jí)氫泵的性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平,對(duì)首次開展的雙吸氧泵設(shè)計(jì),還有進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間。

對(duì)氫氧預(yù)壓泵也分別開展水力試驗(yàn),試驗(yàn)獲得額定工作點(diǎn)下首臺(tái)氫預(yù)壓泵水力試驗(yàn)效率為0.690,首臺(tái)氧預(yù)壓泵試驗(yàn)水力試驗(yàn)效率為0.660,均滿足發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求。

2.2 渦輪性能試驗(yàn)

對(duì)氫氧主渦輪分別開展性能吹風(fēng)試驗(yàn)(見圖9),試驗(yàn)采用熱空氣介質(zhì)。試驗(yàn)獲得的氫氧主渦輪額定點(diǎn)效率分別為0.790和0.750,達(dá)到設(shè)計(jì)要求,與國外先進(jìn)設(shè)計(jì)水平相當(dāng)。同時(shí)獲得了折合轉(zhuǎn)速在0.6～1.2和壓比在1.2～1.6工況范圍內(nèi)的渦輪性能特性和軸向力特性。試驗(yàn)結(jié)果表明,在變工況范圍內(nèi)氫氧主渦輪均工作穩(wěn)定,驗(yàn)證了其變工況適應(yīng)能力。

2.3 軸承試驗(yàn)

氫主渦輪泵軸承設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為33 000 r/min,采用Si3N4陶瓷球軸承。氧主渦輪泵軸承設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為23 000 r/min,初始設(shè)計(jì)采用鋼球方案。

液氮環(huán)境的臺(tái)架試驗(yàn)(見圖 10)表明,氫主渦輪泵軸承可以在35 000 r/min下穩(wěn)定工作,試驗(yàn)DN值最高達(dá)到了2.8×108,在國際同類發(fā)動(dòng)機(jī)中處于最高水平。氧泵鋼球軸承在25 000 r/min臺(tái)架試驗(yàn)過程中存在滾珠表面發(fā)烏、套圈溝道磨損現(xiàn)象,為此改進(jìn)為Si3N4陶瓷球材料,經(jīng)過25 000 r/min臺(tái)架試驗(yàn)證明工作穩(wěn)定可靠。

2.4 動(dòng)密封試驗(yàn)

220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)在中國氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中首次采用了組合脫開式動(dòng)密封技術(shù)(氫主渦輪泵)和圓周分段式浮動(dòng)環(huán)動(dòng)密封技術(shù)(氧主渦輪泵),以最大限度降低發(fā)動(dòng)機(jī)氦氣耗量。

氫主渦輪泵組合脫開式動(dòng)密封[見圖 11(a)]在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷時(shí)可實(shí)現(xiàn)零隔離氦氣消耗量情況下阻止液氫泄漏至渦輪腔,工作時(shí)主密封脫開,允許少量的液氫泄漏至渦輪腔。主密封為石墨端面密封,副密封采用帶金屬骨架的非金屬密封圈,經(jīng)過一系列靜態(tài)和動(dòng)態(tài)低溫液氮臺(tái)架試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了預(yù)冷過程0.7 MPa以下氦氣零泄漏、啟動(dòng)過程中約1 MPa正常脫開的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

氧主渦輪泵中隔離液氧和富氫燃?xì)獾暮じ?dòng)環(huán)采用先進(jìn)的圓周分段式動(dòng)密封技術(shù)[見圖 11(b)],裝配狀態(tài)下密封環(huán)與軸抱緊形成接觸式靜密封,工作時(shí)在流體動(dòng)壓作用下略微浮起,使密封環(huán)和軸在極小的間隙下工作,以實(shí)現(xiàn)低氦氣消耗的目的。空氣和氦氣臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明,該動(dòng)密封能夠在氦氣流量約1 g/s下可靠工作。

3 調(diào)節(jié)閥與控制器聯(lián)合冷態(tài)試驗(yàn)

220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)在中國氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中也第一次應(yīng)用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的窗口式調(diào)節(jié)閥裝置。其中的推力調(diào)節(jié)閥中還設(shè)置了能夠穩(wěn)定流量波動(dòng)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。兩調(diào)節(jié)閥均與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一起進(jìn)行了冷態(tài)液流試驗(yàn)(見圖 12),獲得了節(jié)流裝置的流量特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。調(diào)節(jié)閥與控制系統(tǒng)也均參加了后續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)半系統(tǒng)熱試驗(yàn)。

4 預(yù)燃室與渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)

4.1 預(yù)燃室與氫渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)

在組件試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了預(yù)燃室與氫主渦輪泵的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)(見圖 13)。預(yù)燃室氫氧介質(zhì)采用高壓擠壓系統(tǒng)供應(yīng),預(yù)燃室燃?xì)怛?qū)動(dòng)氫渦輪,氫泵工作介質(zhì)為液氮。預(yù)燃室按照預(yù)定時(shí)序成功點(diǎn)火,快速爬升至主級(jí),預(yù)燃室室壓穩(wěn)定在約12 MPa,與預(yù)設(shè)結(jié)果一致。氫渦輪泵啟動(dòng)快速,爬升過程與仿真結(jié)果一致。試驗(yàn)系統(tǒng)工作3.3 s后安全關(guān)機(jī)。

4.2 預(yù)燃室與氧渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)

在氫泵聯(lián)試基礎(chǔ)上進(jìn)行了預(yù)燃室與氧主渦輪泵的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)(見圖 14)。預(yù)燃室氫氧介質(zhì)采用高壓擠壓系統(tǒng)供應(yīng),預(yù)燃室燃?xì)怛?qū)動(dòng)氧渦輪,氧泵工作介質(zhì)為液氮。預(yù)燃室點(diǎn)火采用了優(yōu)化時(shí)序。

試驗(yàn)獲得了圓滿成功,聯(lián)試裝置穩(wěn)定工作5 s后安全關(guān)機(jī),試驗(yàn)參數(shù)穩(wěn)定。預(yù)燃室試驗(yàn)室壓約12.7 MPa,氧泵轉(zhuǎn)速、效率等性能參數(shù)均符合設(shè)計(jì)預(yù)期。試后渦輪泵軸承、動(dòng)密封等結(jié)構(gòu)分解檢查正常。試驗(yàn)驗(yàn)證了氧主渦輪泵的總體設(shè)計(jì)正確性和預(yù)燃室與氧主渦輪泵的工作協(xié)調(diào)性。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)半系統(tǒng)試驗(yàn)

在預(yù)燃室與渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,最終成功進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)半系統(tǒng)試驗(yàn)(見圖 15)。半系統(tǒng)試驗(yàn)裝置由預(yù)燃室、氫氧主渦輪泵和主要閥門組成。預(yù)燃室氫氧介質(zhì)由渦輪泵供應(yīng),泵入口為低壓貯箱提供的氫氧真實(shí)介質(zhì),預(yù)燃室燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪做功后匯合排出。半系統(tǒng)試驗(yàn)是220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)首次真實(shí)介質(zhì)下的核心組件耦合試驗(yàn),對(duì)于驗(yàn)證補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)工作原理和核心組件間工作協(xié)調(diào)性具有重要作用。

試驗(yàn)結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真和前期泵聯(lián)試試驗(yàn)結(jié)果制定了啟動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)序。試驗(yàn)按照預(yù)定時(shí)序正常啟動(dòng),主級(jí)穩(wěn)定工作后安全關(guān)機(jī)。試驗(yàn)預(yù)燃室室壓18.5 MPa,試驗(yàn)工況達(dá)到了設(shè)計(jì)額定值的約60%。試驗(yàn)初步證明了220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案的正確性和核心組件間的工作協(xié)調(diào)性,試驗(yàn)獲得的啟動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)序?qū)τ诤罄m(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)具有重要指導(dǎo)作用。

半系統(tǒng)試驗(yàn)過程中,還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃室氫/氧閥、推力室氫/氧閥、預(yù)燃室氧調(diào)節(jié)閥、推力室氧調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)等進(jìn)行了搭載考核試驗(yàn),初步驗(yàn)證了各組件的設(shè)計(jì)方案正確性。

后續(xù)工作展望

前期的研制試驗(yàn)已初步證明了220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的正確性和部分核心組件間的工作協(xié)調(diào)性,發(fā)動(dòng)機(jī)的主要關(guān)鍵技術(shù)已獲得初步突破。但目前的半系統(tǒng)試驗(yàn)還沒有配套全部核心組件,后續(xù)計(jì)劃進(jìn)一步開展增加氫氧預(yù)壓渦輪泵的完整半系統(tǒng)試驗(yàn)研究,為最后的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)奠定更好的基礎(chǔ)。

結(jié)語

經(jīng)過5年時(shí)間關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)已完成系統(tǒng)和總裝結(jié)構(gòu)方案論證設(shè)計(jì),完成了零組件的詳細(xì)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造,開展了各類從縮尺到全尺、從組件到分系統(tǒng)的研制試驗(yàn)工作,并最終實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)半系統(tǒng)熱試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)參數(shù)達(dá)到了中國氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制史上最高水平。

通過這些研制試驗(yàn)已初步獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)主要組合件的工作特性,初步驗(yàn)證了補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作原理和核心組件間的協(xié)調(diào)工作能力。研究表明,220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)合理,核心關(guān)鍵技術(shù)已獲得初步突破,為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

220 t補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)代表了中國氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)水平,對(duì)于大型運(yùn)載火箭提升運(yùn)載能力具有重要作用,應(yīng)進(jìn)一步加大力度開展深入攻關(guān)研究,爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

搬運(yùn)件完畢

原標(biāo)題：220tf補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)展

編寫人員：孫紀(jì)國,鄭孟偉,龔杰峰,陶瑞峰(北京航天動(dòng)力研究所,北京100076)

文件翻譯：無翻譯內(nèi)容

文件校對(duì)：Falcon 9

搬運(yùn)件出版方：ASPT-航天科普小組

搬運(yùn)件版權(quán)所有：搬運(yùn)件出版方無版權(quán)

原文件出版方：《火箭推進(jìn)》

原文件版權(quán)所有：《火箭推進(jìn)》編輯部

出版時(shí)間：當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022

原文地址：http://hjtjnew.paperopen.com/upload/html/202202002.html