摘要

25 t膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)是針對我國重型運(yùn)載火箭三級主動力需求研制的液體火箭發(fā)動機(jī),也可應(yīng)用于未來其他航天器的上面級。該發(fā)動機(jī)采用閉式膨脹循環(huán)方式,具備高可靠、高比沖、大范圍變推力以及多次點(diǎn)火等能力。發(fā)動機(jī)已通過推力室擠壓熱試驗(yàn)、氫渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)等子系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及組合件設(shè)計(jì)方案,發(fā)動機(jī)的整機(jī)方案實(shí)現(xiàn)已不存在技術(shù)障礙,具備對整機(jī)技術(shù)方案開展熱試車試驗(yàn)驗(yàn)證的條件。

引言

膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī)具有性能高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點(diǎn),特別適用于高性能的可重復(fù)啟動上面級發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)驅(qū)動渦輪的工質(zhì)是冷卻燃燒室和部分噴管的燃料,工質(zhì)溫度低,驅(qū)動渦輪后可全部進(jìn)入推力室產(chǎn)生推力。由于液氫是高能燃料和性能優(yōu)良的冷卻劑,所以膨脹循環(huán)系統(tǒng)在低溫氫氧發(fā)動機(jī)上得到了較廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

20世紀(jì)和21世紀(jì)初,美國、俄羅斯、歐洲和日本均開展了不同推力量級膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)的研制:10 t級推力的有美國RL-10系列、俄羅斯的RD-0146、日本的LE-5B; 20 t級推力的有歐洲的Vinci和美國的RL-60; 100 t級的有日本在研的LE-9發(fā)動機(jī)。這些發(fā)動機(jī)除了日本發(fā)動機(jī)采用了開式膨脹循環(huán)方式外,其余均采用了性能更高的閉式膨脹循環(huán)方式。閉式膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī)中推力最大的是RL-60發(fā)動機(jī),達(dá)到27 t,但目前已經(jīng)中止研制。

我國膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī)的研制起步較晚,21世紀(jì)初在長三甲系列火箭上面級YF-75發(fā)動機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上開展了閉式膨脹循環(huán)技術(shù)的相關(guān)研究,研制成功的YF-75D發(fā)動機(jī)用于長征五號運(yùn)載火箭,2016年首飛成功。相較國外膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī),我國膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī)仍存在以下不足:

1)比沖偏低。YF-75D發(fā)動機(jī)比沖僅442 s,與國外相比仍存在較大差距。

2)不具備大范圍變推力調(diào)節(jié)能力。YF-75D發(fā)動機(jī)為定推力,而國外的膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)均具備大范圍變推力調(diào)節(jié)能力,調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到30～100%。

3)啟動次數(shù)低。YF-75D發(fā)動機(jī)采用火藥點(diǎn)火,只具備兩次啟動能力。而國外已普遍采用火炬式電點(diǎn)火技術(shù),發(fā)動機(jī)均具備3次以上的多次點(diǎn)火啟動能力,使火箭及飛行器執(zhí)行任務(wù)的能力大大增強(qiáng)。

國內(nèi)外閉式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)對比見表1。

為了滿足我國未來航天發(fā)展需要,提高進(jìn)入空間的能力,我國開展了重型運(yùn)載火箭的技術(shù)方案論證和關(guān)鍵技術(shù)研究,并開展25 t膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)的技術(shù)方案研究。2016年,火箭總體經(jīng)優(yōu)化論證正式提出重型運(yùn)載火箭三級采用4臺25 tf膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī),此后在火箭總體的牽引下開展了25 t膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及整機(jī)研制。

25t膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)是我國YF-75D發(fā)動機(jī)后研制的第二型閉式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī),也是目前世界上在研的最大推力閉式膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī),該發(fā)動機(jī)將具備高可靠、高比沖、大范圍變推力以及多次點(diǎn)火等能力。本文對我國25 t膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)的技術(shù)方案和研制情況進(jìn)行簡要介紹。

發(fā)動機(jī)技術(shù)方案

25t膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)真空比沖455.2 s,具備雙向搖擺、大范圍推力調(diào)節(jié)能力和多次點(diǎn)火能力。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)方案和模裝見圖1。發(fā)動機(jī)采用雙渦輪串聯(lián)閉式膨脹循環(huán)方案,氫渦輪泵和氧渦輪泵分置于推力室兩側(cè),液氫經(jīng)氫泵后進(jìn)入推力室身部出口的再生冷卻通道內(nèi),在再生冷卻通道內(nèi)吸熱膨脹成為氣氫后依次驅(qū)動氫、氧渦輪泵,做功后的氣氫進(jìn)入推力室頭部,并在燃燒室內(nèi)與液氧混合燃燒產(chǎn)生推力。發(fā)動機(jī)采用低壓火炬電點(diǎn)火、箱壓自身啟動方案。啟動過程為:氧主閥前和氫主閥前的氫點(diǎn)火閥和氧點(diǎn)火閥打開,氫、氧介質(zhì)在貯箱箱壓作用下進(jìn)入火炬點(diǎn)火室被點(diǎn)火電嘴點(diǎn)燃,燃?xì)庥牲c(diǎn)火室噴入推力室形成火炬。氫主閥和氧主閥打開,氫氧介質(zhì)進(jìn)入推力室被火炬點(diǎn)燃。推力室點(diǎn)火后,燃?xì)饨o流經(jīng)冷卻夾套的氫介質(zhì)提供持續(xù)不斷的熱量,形成正反饋使渦輪泵轉(zhuǎn)速和燃燒室壓力爬升直至達(dá)到設(shè)定工況。發(fā)動機(jī)在氫渦輪和氧渦輪的旁路上分別設(shè)置了電動推力調(diào)節(jié)閥和電動混合比調(diào)節(jié)閥,通過調(diào)節(jié)兩閥門的開度控制氫、氧渦輪的分流流量和輸出功率,進(jìn)而改變發(fā)動機(jī)的氫、氧流量達(dá)到調(diào)節(jié)推力和混合比的目的。大噴管采用固定面積比、輻射冷卻的碳陶復(fù)合材料噴管。發(fā)動機(jī)采用泵前搖擺,單機(jī)模塊化設(shè)計(jì),發(fā)動機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

發(fā)動機(jī)研制進(jìn)展

1 推力室及噴管

根據(jù)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)仿真分析,推力室身部夾套溫升是影響發(fā)動機(jī)推力實(shí)現(xiàn)的最主要影響因素。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)要求推力室設(shè)計(jì)室壓為7 MPa,設(shè)計(jì)工況下身部夾套溫升不小于230 K 。針對較高的溫升要求,推力室身部在繼承了我國YF-75D的槽式冷卻方案基礎(chǔ)上,為提高換熱量在內(nèi)壁圓柱段設(shè)置了增強(qiáng)換熱縱向肋,同時采用了全流量氫逆流冷卻方案以降低流阻。頭部設(shè)計(jì)采用了兩腔三底方案,為適應(yīng)大范圍變工況要求,噴嘴采用了各圈不等長度的氣氫液氧同軸方案,噴嘴與二底采用3D打印一體化設(shè)計(jì)制造,大幅減少頭部焊縫數(shù)量。噴管為出口面積比達(dá)160的兩段組合固定式輕質(zhì)碳陶復(fù)合材料輻射冷卻噴管。

身部的詳細(xì)設(shè)計(jì)中采用了冷卻通道變肋高變肋寬變槽數(shù)多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、單通道傳熱流阻仿真和全通道燃燒-傳熱-流動耦合仿真,對不同加肋結(jié)構(gòu)方案的增強(qiáng)換熱效果進(jìn)行對比分析,確定了身部冷卻通道及增強(qiáng)換熱肋的具體結(jié)構(gòu)方案。制造了1:2.6的帶有量熱式身部的縮比推力室,開展了60～100設(shè)計(jì)室壓下的累計(jì)10次熱試驗(yàn),獲取了頭部流量特性以及身部在內(nèi)壁加肋、不加肋狀態(tài)的換熱特性,試驗(yàn)分析結(jié)果表明加肋比不加肋狀態(tài)的推力室總換熱量增加約9.2,氣壁溫雖相對有所增加但仍在銅合金材料的使用范圍內(nèi)。根據(jù)縮比試驗(yàn)驗(yàn)證的方案設(shè)計(jì)生產(chǎn)了全尺寸推力室,并通過2次全尺寸推力室擠壓熱試驗(yàn)獲取了全尺寸推力室的流量特性、燃燒特性、冷卻通道的流阻和溫升。兩次試驗(yàn)工況分別為60和100,結(jié)果表明在兩工況下燃燒均穩(wěn)定可靠,內(nèi)壁無燒蝕,100工況下身部夾套的溫升為260 K,達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。試驗(yàn)照片見圖2。

2 渦輪泵

根據(jù)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)仿真分析,氫渦輪泵效率是影響發(fā)動機(jī)推力實(shí)現(xiàn)的次要影響因素,氫渦輪泵設(shè)計(jì)效率要求值為不低于0.48,泵出口壓力達(dá)到24 MPa。經(jīng)多方案選擇確定氫泵為帶誘導(dǎo)輪的兩級離心泵,氫渦輪為雙級反力式軸流渦輪,轉(zhuǎn)子為工作在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間的柔性轉(zhuǎn)子,額定轉(zhuǎn)速為80 000 r/min。在氫泵和氫渦輪的詳細(xì)設(shè)計(jì)中均采用了CFD多方案仿真與流固耦合有限元強(qiáng)度分析結(jié)合進(jìn)行三維扭曲葉片的優(yōu)化,減少流動損失并控制轉(zhuǎn)動件應(yīng)力,同時采用了比強(qiáng)度較高的鈦合金材料。通過氫泵水力試驗(yàn)、渦輪葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)獲取了流場及壓力實(shí)際分布。通過對兩級粉末冶金鈦合金離心輪和鈦合金鍛件電火花渦輪盤開展的最高轉(zhuǎn)速達(dá)92 000 r/min的常溫超轉(zhuǎn)試驗(yàn),驗(yàn)證了轉(zhuǎn)動件的強(qiáng)度。氫渦輪泵研制過程中還完成了3×106?DN值氫渦輪泵軸承的設(shè)計(jì)和生產(chǎn),搭建了渦輪驅(qū)動低溫軸承試驗(yàn)臺,并開展了80 000 r/min軸承液氮臺架試驗(yàn)。氫渦輪泵已完成整機(jī)生產(chǎn),并通過兩次低溫介質(zhì)試驗(yàn)獲取了覆蓋發(fā)動機(jī)60～100變工況范圍的氫渦輪泵效率和泵壓升特性,試驗(yàn)分析結(jié)果表明氫渦輪泵工作平穩(wěn),額定點(diǎn)效率為49,泵出口壓力為24.3 MPa,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。研制中的照片見圖3。

氧渦輪泵設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為20 000 r/min。氧泵為帶誘導(dǎo)輪的單級離心泵。氧渦輪為單級反力式軸流渦輪。轉(zhuǎn)子為工作在一階臨界轉(zhuǎn)速以內(nèi)的剛性轉(zhuǎn)子。兩軸承均采用液氧冷卻,液氧與渦輪端高壓氣氫采用氦氣及多道新型動密封隔離。氧渦輪泵研制過程中已通過軸承液氮臺架試驗(yàn)、各道動密封的低溫介質(zhì)或氦氣試驗(yàn)、氧泵水力試驗(yàn)和氧轉(zhuǎn)子動特性試驗(yàn)等完成了全部零組件級的設(shè)計(jì)考核,如圖4所示。首臺氧渦輪泵已完成裝配,近期將開展介質(zhì)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

推力調(diào)節(jié)閥和混合比調(diào)節(jié)閥采用相同結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)閥為斜交套筒式結(jié)構(gòu),采用直流電機(jī)驅(qū)動,具備大角度無級調(diào)節(jié)能力。由于發(fā)動機(jī)推力、混合比高度耦合,因此在推力大范圍調(diào)節(jié)時要同步對混合比進(jìn)行調(diào)控。針對調(diào)節(jié)需求分別研制了調(diào)節(jié)閥、作動器和控制器,并通過模型在環(huán)數(shù)學(xué)仿真和硬件在環(huán)驗(yàn)證試驗(yàn),驗(yàn)證了發(fā)動機(jī)在推力和混合比雙PI閉環(huán)控制方案下能夠?qū)崿F(xiàn)60～100推力的平穩(wěn)、快速調(diào)節(jié)。在電動調(diào)節(jié)閥氣流試驗(yàn)和氫渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)中,分別針對調(diào)節(jié)閥后氣體壓力、氫渦輪泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行了閉環(huán)控制調(diào)節(jié),試驗(yàn)結(jié)果表明對不同參數(shù)均能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制,進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)協(xié)調(diào)性和閉環(huán)控制邏輯的正確性,電動調(diào)節(jié)閥氣流試驗(yàn)和發(fā)動機(jī)推動調(diào)節(jié)仿真與硬件在環(huán)曲線見圖5。

4 點(diǎn)火系統(tǒng)

25tf膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)采用氣氫液氧的低壓火炬電點(diǎn)火方案。點(diǎn)火電路裝置由電激勵器、點(diǎn)火電纜、點(diǎn)火電嘴組成,電激勵器采用雙路輸出,同時供兩路電嘴使用實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火冗余。點(diǎn)火室設(shè)計(jì)室壓0.22 MPa,總混合比2.0,氫氧噴嘴為同軸式噴嘴,液氧通過中心噴嘴進(jìn)入點(diǎn)火室與一路氣氫混合由兩個點(diǎn)火電嘴點(diǎn)燃并燃燒,另一路氣氫經(jīng)冷卻氫入口孔分流對點(diǎn)火室和引火管進(jìn)行冷卻。針對點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了共計(jì)43次地面環(huán)境低壓點(diǎn)火試驗(yàn),其中包括連續(xù)12次點(diǎn)火、額定混合比持續(xù)工作1 175 s,以及混合比分別偏差到最小0.13和最大4.5的試驗(yàn)工況,額定工況點(diǎn)火試驗(yàn)照片見圖6,試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)方案在各種極限工況下均能可靠點(diǎn)火。

結(jié)語

經(jīng)過近5年的研制,25 tf膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī)主要組件及子系統(tǒng)方案均已經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,影響發(fā)動機(jī)能否實(shí)現(xiàn)最大推力的兩個最主要因素(推力室冷卻通道的溫升和氫渦輪泵效率)已通過試驗(yàn)證明達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,發(fā)動機(jī)的整機(jī)方案實(shí)現(xiàn)已不存在技術(shù)障礙。2022年將完成首臺發(fā)動機(jī)短噴管狀態(tài)整機(jī)生產(chǎn)并開展熱試車驗(yàn)證,進(jìn)一步對相關(guān)技術(shù)方案進(jìn)行集成驗(yàn)證。通過相關(guān)技術(shù)的研究不僅將使我國的上面級氫氧發(fā)動機(jī)具備高可靠、高比沖、大范圍變推力以及多次點(diǎn)火等能力,也可推廣用于現(xiàn)役氫氧發(fā)動機(jī)提升能力、拓展應(yīng)用方向,推動我國航天運(yùn)載能力提升。

搬運(yùn)件完畢

原標(biāo)題：25t膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)研制進(jìn)展

編寫人員：褚寶鑫,趙海龍,陳旭揚(yáng),龔杰峰(北京航天動力研究所,北京100076)

文件翻譯：無翻譯內(nèi)容

文件校對：Falcon 9

搬運(yùn)件出版方：ASPT-航天科普小組

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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

出版時間：當(dāng)?shù)貢r間2022

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