原標(biāo)題：

A Review of Throttling Technology Development for Large-Thrust Liquid Rocket Engines

摘要：

大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流技術(shù)是當(dāng)前和未來(lái)空間發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，可以提高運(yùn)載火箭的任務(wù)適應(yīng)性，降低風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)火箭回收技術(shù)的發(fā)展。本文綜述了國(guó)內(nèi)外大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，推進(jìn)劑流量控制是調(diào)節(jié)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力的主要方式，而推進(jìn)劑流量控制系統(tǒng)和可調(diào)噴注器是推進(jìn)劑流量控制的主要措施。本文闡述了典型推進(jìn)劑流量控制系統(tǒng)和可調(diào)噴注器的工作原理，介紹了YF-100、RD-170和SSME等典型大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑流量控制的方案，總結(jié)了當(dāng)前可節(jié)流大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)。最后，討論了發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，包括低推力水平下推力室的燃燒穩(wěn)定性和可靠冷卻，渦輪泵的穩(wěn)定性，以及在各種工況下的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和精確控制。?

【1】介紹

大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是大多數(shù)現(xiàn)代運(yùn)載火箭和航天器的主要推進(jìn)系統(tǒng)。節(jié)流可用于完成各種不節(jié)流發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法完成的飛行功能，所以節(jié)流便成為了先進(jìn)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要特征。節(jié)流最常見的用途包括調(diào)整助推段飛行軌跡、減少飛行中空氣動(dòng)壓、減少載荷負(fù)擔(dān)和提高運(yùn)載能力。節(jié)流使火箭能夠在低推力水平的情況下進(jìn)行飛行前審查（中國(guó)有相當(dāng)一部分火箭是不使用火箭牽引裝置的，即推重比大于1就飛），以便在確認(rèn)所有系統(tǒng)正常運(yùn)行之前，火箭不會(huì)起飛。在發(fā)動(dòng)機(jī)即將關(guān)機(jī)時(shí)，節(jié)流可以減少停機(jī)時(shí)的后效沖量（后效沖量誤差是引起飛行彈道誤差的一個(gè)重要誤差源。簡(jiǎn)單來(lái)講，指的就是發(fā)動(dòng)機(jī)從關(guān)機(jī)瞬間開始，剩余的推進(jìn)力使推進(jìn)級(jí)獲得了計(jì)劃外的Δv。使軌道存在偏差，甚至引發(fā)事故。由于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)過程為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)瞬變過程，且受多種因素影響，同時(shí)考慮地面與飛行狀態(tài)的差異，難以準(zhǔn)確評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)高空條件下后效沖量，最典型的例子就是SpaceX的獵鷹一號(hào)運(yùn)載火箭的第三次發(fā)射。在其第三次發(fā)射時(shí)，一級(jí)的Merlin 1C發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有完全關(guān)閉，導(dǎo)致后效沖量過大，分離后一級(jí)獲得了太多的后效沖量，且二級(jí)還沒來(lái)得及點(diǎn)火，一級(jí)就“追尾了”，發(fā)射任務(wù)失敗。導(dǎo)彈的后效沖量控制的相當(dāng)精準(zhǔn)，這也是判斷某款火箭能不能改裝成導(dǎo)彈的重要因素之一），并降低分離時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于可重復(fù)使用的火箭來(lái)說，節(jié)流可有助于實(shí)現(xiàn)一級(jí)和助推器的垂直著陸和回收。

節(jié)流技術(shù)已成功應(yīng)用于許多大推力發(fā)動(dòng)機(jī)。Merlin 1D可以在額定水平75-100%之間調(diào)節(jié)推力（有一說法是45-100%）。通過安裝九個(gè)Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)，獵鷹九號(hào)可以實(shí)現(xiàn)一級(jí)的高精度回收。RD-180可以從額定推力的100%調(diào)整到47%。這種能力使阿特拉斯-V運(yùn)載火箭能夠精準(zhǔn)控制飛行過載并提高運(yùn)載能力。航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（即SSME，Space Shuttle Main Engine，最后一個(gè)版本是RS-25D）是一種可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)，推力調(diào)節(jié)范圍為65-109%。SSME在停機(jī)前推力會(huì)節(jié)流至65%，以降低后效沖量并保護(hù)推進(jìn)系統(tǒng)。在長(zhǎng)征八號(hào)的首飛中，成功地將節(jié)流技術(shù)應(yīng)用于1200kN推力的YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)上。

未來(lái)多樣化的發(fā)射任務(wù)對(duì)運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力、適配能力和安全性提出了更高的要求。這些進(jìn)一步對(duì)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。為了提供低成本、安全、精準(zhǔn)的入軌服務(wù)，目前運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)更趨向于可重復(fù)使用?？芍貜?fù)使用火箭的一個(gè)主要方向就是通過垂直著陸回收一級(jí)或助推。安全可靠的著陸要求發(fā)動(dòng)機(jī)精確穩(wěn)定地將推力調(diào)節(jié)到較低水平，這需要深度節(jié)流技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。盡管節(jié)流技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但仍有一些關(guān)鍵問題需要深入研究和實(shí)際解決，以滿足實(shí)際需求。

【2】節(jié)流原理與方法

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力是噴射氣體的反作用力和作用在外表面的周圍大氣壓力的總和。它可以表示為：

式中，F(xiàn)是推力，qm是推進(jìn)劑的總質(zhì)量流量，Ve是噴嘴出口處的排氣速度，pa是所處位置的大氣壓，pe是噴嘴出口處的排氣壓力，Ae是噴嘴出口面積。排氣速度取決于推進(jìn)劑自身性質(zhì)、燃燒氣體的絕熱指數(shù)、噴管的壓力和噴嘴喉部面積。推進(jìn)劑性質(zhì)、絕熱指數(shù)和噴管壓力對(duì)推力的影響不顯著。通過改變喉部面積來(lái)改變推力通常用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但難以應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在實(shí)踐中，調(diào)整液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力的最有效方法是改變推進(jìn)劑的總質(zhì)量流量。因此，節(jié)流通常被用作推力調(diào)節(jié)的同義詞。

在大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，推進(jìn)劑由泵供給燃燒室，然后在燃燒室中燃燒產(chǎn)生推力。通常，有兩種調(diào)節(jié)推力的方法：改變渦輪功率或調(diào)節(jié)推力室中的噴注器。

2.1?改變渦輪功率

目前，節(jié)流閥、可變面積文丘里管和流量調(diào)節(jié)器是用于控制推進(jìn)劑流量的典型調(diào)節(jié)裝置。文丘里管通常用于小推力發(fā)動(dòng)機(jī)。節(jié)流閥相對(duì)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于大推力發(fā)動(dòng)機(jī)中。然而，它們的缺點(diǎn)是流量容易受到外部干擾的影響。與節(jié)流閥相比，流量調(diào)節(jié)器是一種自穩(wěn)定裝置，可在無(wú)需任何主動(dòng)控制的情況下，針對(duì)壓力擾動(dòng)自動(dòng)穩(wěn)定流量。美國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)通常使用節(jié)流閥和閉環(huán)控制系統(tǒng)的組合進(jìn)行節(jié)流，而俄羅斯和中國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)則更常用自穩(wěn)定流量調(diào)節(jié)器和開環(huán)控制系統(tǒng)的組合。

典型流量調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。流量由2控制，而2的面積又可以通過1進(jìn)行修改?；瑝K能夠響應(yīng)壓差和彈簧力，從而自動(dòng)調(diào)整6的面積。這樣就可以使流量穩(wěn)定在一定的數(shù)值內(nèi)。

流量調(diào)節(jié)器有兩個(gè)有利于節(jié)流的關(guān)鍵特性。首先，流量隨驅(qū)動(dòng)裝置角度線性變化。其次，流量可以在很大的壓降范圍內(nèi)精確地保持恒定。第一個(gè)特性使調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)單有效，而第二個(gè)特性使發(fā)動(dòng)機(jī)在大范圍的推力水平下更穩(wěn)定。

流量調(diào)節(jié)器已成功應(yīng)用于一些著名的發(fā)動(dòng)機(jī)，如RD-180、RD-0120和YF-100。在這些發(fā)動(dòng)機(jī)中，流量調(diào)節(jié)器安裝在預(yù)燃器供給管路中，即在富氧化劑預(yù)燃燒器的燃料供給管路中或在富燃料預(yù)燃燒器的氧化劑供給管路中。下圖顯示了1200kN推力的YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)組成。這樣，調(diào)節(jié)裝置的一個(gè)小動(dòng)作就可以產(chǎn)生汽輪機(jī)功率的顯著變化。渦輪功率的變化可以導(dǎo)致推力的大幅度變化，而混合比的偏差會(huì)很小。

下圖顯示了YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)中推力和混合比隨流量調(diào)節(jié)器運(yùn)作的變化。

2.2?調(diào)節(jié)推力室中的噴注器

整個(gè)噴注器的壓降對(duì)于燃燒室中推進(jìn)劑的有效霧化、混合和燃燒至關(guān)重要。通過剛度測(cè)量噴油器壓降的充分性，剛度定義為壓降Δp除以腔室壓力p。剛度應(yīng)大于5%，以防止燃燒不穩(wěn)定。剛度與氣體噴射器中的流速無(wú)關(guān)。相反，液體噴射器的剛度和流量成正比。這意味著額定推力下剛度為10%的噴油器在推力降至50%時(shí)將不穩(wěn)定?？勺兺屏Πl(fā)動(dòng)機(jī)的液體噴射器需要專門設(shè)計(jì)以避免這些問題。

確保低推力水平下噴注器剛度的一種方法是提高額定推力下規(guī)定的設(shè)計(jì)剛度值。該方法已成功應(yīng)用于RL10A-1系和SSME系發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，高壓降對(duì)渦輪泵提出了嚴(yán)格的要求，從而降低了額定推力下的性能。更實(shí)用的解決方案是可調(diào)噴注器，它可以在不同流速下改變壓降。

帶可移動(dòng)元件的可變面積樞軸噴注器是可調(diào)噴注器的典型示例。下圖顯示了可變面積樞軸噴油器的示意圖。

在低流速條件下，套筒向下移動(dòng)以縮小節(jié)流孔并增加壓降。樞軸噴油器的結(jié)構(gòu)也有利于推進(jìn)劑的霧化，從而提高燃燒穩(wěn)定性。

下圖是樞軸的噴霧區(qū)域結(jié)構(gòu)。從燃料孔噴入的橫向液膜與從氧化劑孔噴入的徑向液膜發(fā)生碰撞。碰撞形成一個(gè)噴霧扇，使推進(jìn)劑更好地混合。

可變面積樞軸噴注器最成功的應(yīng)用是阿波羅登月艙下降發(fā)動(dòng)機(jī)（LMDE，Lunar Module Descent Engine）。LMDE在噴注器系統(tǒng)中采用可變面積的空化文丘里管控制流量，實(shí)現(xiàn)了10:1的寬調(diào)節(jié)范圍。Merlin-1D發(fā)動(dòng)機(jī)是另一個(gè)十分有名的使用該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，同樣具有可變面積樞軸噴注器，能夠?qū)⑼屏档偷筋~定水平的75%（有一說法是45%）。

注氣是降低噴注器的流體密度的一種行之有效的方法。通過向推進(jìn)劑流中注入惰性氣體，可以在不影響推進(jìn)劑流量的情況下增加壓降。下圖顯示了在噴注器混合頭之前將氮?dú)鈬娙氲姆椒?。該方法已在改進(jìn)的RL10A-1發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，成功地消除了10:1調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的所有燃燒不穩(wěn)定因素。LMDE的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Rocketdyne SE-10發(fā)動(dòng)機(jī)也使用氦氣噴射實(shí)現(xiàn)深度節(jié)流。

當(dāng)使用渦流噴注器時(shí)，可通過降低流量來(lái)維持低流速下的壓降。在低流速下，閥門2關(guān)閉時(shí)，有效進(jìn)口面積減小，流量系數(shù)減小。2001年，在客座教授弗拉基米爾·巴扎羅夫（Vladimir Bazarov）的專家指導(dǎo)下，該方法在賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University）成功進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到了10:1的調(diào)節(jié)范圍。

【3】可節(jié)流大推力發(fā)動(dòng)機(jī)綜述

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)和其他國(guó)家成功開發(fā)了許多可節(jié)流的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)。下圖列出了一些知名的例子（有些數(shù)據(jù)是不對(duì)的）。

RD-170是一臺(tái)分級(jí)燃燒循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。由安裝在富氧預(yù)燃室的燃料供給管路中的流量調(diào)節(jié)器控制，這是通過流量調(diào)節(jié)器的“小動(dòng)作”獲得寬調(diào)節(jié)范圍的最有效方法，如上面第2.1節(jié)所述。RD-180和RD-191是RD-170的衍生物，使用相同的節(jié)流解決方案。YF-100采用了與RD-170系列類似的系統(tǒng)方案和調(diào)節(jié)方法。此外，RD-191使用了一個(gè)雙位閥作為氧化劑主閥，并在預(yù)燃器燃料閥之前添加了一個(gè)節(jié)流閥。在低推力水平下，將預(yù)燃器燃油閥前的節(jié)流閥調(diào)整到高阻力位置，以防止由于噴油器壓降較低而導(dǎo)致給水系統(tǒng)和預(yù)燃器的耦合振蕩。隨著推力進(jìn)一步減小，雙位置氧化劑閥隨后切換到高阻力位置，以防止預(yù)燃燒器溫度過低。這些措施使RD-191能夠?qū)⑼屏档偷筋~定水平的32%。

RD-0120是一臺(tái)分級(jí)燃燒循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)推力由預(yù)燃室的氧化劑管路中的流量調(diào)節(jié)器控制，可降低至額定水平的50%。SSME（RS-25）也是一種分級(jí)燃燒循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，但采用不同的系統(tǒng)方案和節(jié)流方法。在該發(fā)動(dòng)機(jī)中，氧和氫由兩個(gè)單獨(dú)的渦輪泵總成供應(yīng)至推力室。因此，由于兩個(gè)渦輪泵單獨(dú)工作，使得節(jié)流更加復(fù)雜?？刂葡到y(tǒng)感測(cè)燃料和氧化劑流速以及燃燒室壓力，并通過調(diào)節(jié)兩個(gè)預(yù)燃燒器的氧化劑閥精確控制推力和混合比。另一個(gè)控制回路限制渦輪進(jìn)口處的溫度。在低推力水平下，腔室冷卻液閥切換至半開位置，以調(diào)整冷卻劑流速。在液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)中，推進(jìn)劑通常作為超臨界流體注入推力室，不受上述剛度限制。該特性允許液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)通過固定幾何形狀的噴油器實(shí)現(xiàn)更深的節(jié)流。SSME和RD-0120都在地面試驗(yàn)中證明了大約6:1的節(jié)流。

在過去的十年中，SpaceX已成為先進(jìn)節(jié)流技術(shù)領(lǐng)域的崛起新力量。SpaceX開發(fā)的獵鷹九號(hào)是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)軌道級(jí)火箭一級(jí)回收的運(yùn)載火箭。獵鷹九號(hào)一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)是Merlin 1D，這是一種具有深度節(jié)流能力的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。由燃?xì)獍l(fā)生器中的節(jié)流閥和推力室中的可變面積樞軸噴注器協(xié)調(diào)控制的推力可降低至額定水平的75%（有一說是45%）。獵鷹九號(hào)一級(jí)的垂直著陸是通過九個(gè)Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)作實(shí)現(xiàn)的。Raptor是一種液氧甲烷全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。富氧預(yù)燃室和氧化劑渦輪泵組件安裝在燃燒室進(jìn)口上方，而富燃預(yù)燃室和燃料渦輪泵組件安裝在與推力室平行的軸上。由于推進(jìn)劑以氣體形式注入推力室，因此推力室具有固有的良好燃燒穩(wěn)定性，即使它使用固定幾何形狀的噴射器。由于該特性，全流分級(jí)燃燒循環(huán)比其他循環(huán)產(chǎn)生更寬的調(diào)節(jié)范圍。猛禽已經(jīng)演示了節(jié)流至40%推力，但其設(shè)計(jì)節(jié)流范圍為25%至100%。

總之，目前的可節(jié)流大推力發(fā)動(dòng)機(jī)通常可以將推力調(diào)節(jié)到40-60%，只有一些發(fā)動(dòng)機(jī)可以節(jié)流至20-30%。大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用分級(jí)燃燒循環(huán)來(lái)滿足額定性能要求，并通過改變渦輪泵的功率來(lái)調(diào)節(jié)推力。俄羅斯和中國(guó)開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)通常使用流量調(diào)節(jié)器來(lái)控制推力。美國(guó)開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用不同的方法，通過節(jié)流閥和控制系統(tǒng)的組合來(lái)控制推力。大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用固定幾何噴油器以確保額定性能。采取了具體措施，以防止液體噴注器上的低壓降在低推力水平下產(chǎn)生振蕩。全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)固有地具有更寬的調(diào)節(jié)范圍，因?yàn)槠錃怏w噴射器在低推進(jìn)劑流速下不會(huì)受到燃燒不穩(wěn)定性的影響。然而，由于兩個(gè)獨(dú)立渦輪泵的復(fù)雜功率重新分配，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的控制會(huì)很困難。

【4】節(jié)流的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)額定性能始終是主要關(guān)注點(diǎn)，而通過節(jié)流改善任務(wù)適應(yīng)性則被視為額外需求。因此，部件主要設(shè)計(jì)用于額定條件，在節(jié)流施加的非額定條件下運(yùn)行時(shí)可能會(huì)引發(fā)故障，這些問題對(duì)于深度節(jié)流尤其嚴(yán)重。當(dāng)前的技術(shù)挑戰(zhàn)集中于平衡高性能和寬范圍適應(yīng)性。鑒于對(duì)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流能力的需求不斷增加，一些關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步開發(fā)。

4.1?低推力水平下的燃燒穩(wěn)定性

如第2.2節(jié)所述，噴油器對(duì)氣體發(fā)生器和燃燒室的燃燒穩(wěn)定性至關(guān)重要。在低推力水平下，噴注器壓降不足，無(wú)法提供足夠的霧化以獲得良好的性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。在這些條件下，即使是小規(guī)模的粗糙燃燒也會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中引起振動(dòng)。長(zhǎng)時(shí)間的系統(tǒng)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致管道斷裂、推進(jìn)劑泄漏等問題。對(duì)于分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中常用的開口式渦流噴油器，當(dāng)壓力升高時(shí)，渦流室中的液膜變厚，氣芯與液膜的相互作用引起耦合振蕩，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，影響渦輪泵的運(yùn)行。下圖顯示了旋流噴油器的內(nèi)部流動(dòng)和噴霧過程。在節(jié)流過程中，特別是在深度節(jié)流過程中，預(yù)燃室的推進(jìn)劑流量和混合比變化很大。在低推力水平下，預(yù)燃燒器中的混合比很大程度上偏離額定值。這種混合比導(dǎo)致的溫度過低是預(yù)燃燒器運(yùn)行不穩(wěn)定的另一個(gè)原因。

抑制燃燒不穩(wěn)的一種方法是改進(jìn)噴注器的結(jié)構(gòu)。可變軸針式噴油器是目前各種可調(diào)噴油器中最成功的，而氣體噴射和多歧管渦流式噴注器仍需進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于渦流噴注器，通過改變噴注器結(jié)構(gòu)來(lái)改變耦合頻率可以有效地降低耦合振蕩。燃燒不穩(wěn)定性也可以通過調(diào)節(jié)推進(jìn)劑注入系統(tǒng)來(lái)抑制，例如通過改變推進(jìn)劑注入管路中的阻力來(lái)增加壓降，或者通過調(diào)節(jié)氧化劑和燃料流量來(lái)修正混合比偏差。

4.2?渦輪泵的大范圍運(yùn)行穩(wěn)定性

在泵頭與流量軸速比Q/n的曲線中，正斜率表明泵的性能不穩(wěn)定。如果頭部曲線具有駝峰區(qū)域，則表示坡度為正Q/n值較低時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流時(shí)，泵將進(jìn)入不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。下圖顯示了渦輪泵的溫度場(chǎng)。為確保在各種運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性，需要擴(kuò)大泵壓頭曲線中的負(fù)斜率區(qū)域，這可以通過優(yōu)化泵結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一種提高運(yùn)行穩(wěn)定性的方法是在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)方案時(shí)，通過減小Q/n的變化范圍來(lái)避開駝峰區(qū)域。智能算法和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展將使未來(lái)的設(shè)計(jì)師能夠創(chuàng)造出具有更窄駝峰區(qū)域的創(chuàng)新泵結(jié)構(gòu)。此外，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真的進(jìn)展將有助于揭示泵特性和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)之間的相互作用，從而探索具有更穩(wěn)定泵運(yùn)行區(qū)域的調(diào)節(jié)方案。

此外，渦輪泵的軸向力在節(jié)流過程中可能會(huì)發(fā)生顯著變化，從而對(duì)渦輪泵的軸承造成嚴(yán)重影響。下圖顯示了渦輪泵中的一組軸承。需要具有寬工作范圍的軸向力自平衡系統(tǒng)和尺寸合適的密封臺(tái)肩，以將所有推力水平下的殘余軸向力限制在可接受范圍內(nèi)。

4.3?燃燒室的冷卻

大型推力發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室通過再生冷卻來(lái)保護(hù)其免受強(qiáng)熱流的影響。下圖顯示了用于再生冷卻的通道。可以采取多種措施確保推力室的可靠冷卻，包括調(diào)整流速，通過節(jié)流推進(jìn)劑流速降低混合比和溫度等。

實(shí)施這些措施的困難不僅在于相關(guān)部件和設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，還在于系統(tǒng)復(fù)雜性的增加以及對(duì)額定性能可能產(chǎn)生的不利影響。3D打印等制造和材料技術(shù)的進(jìn)步將產(chǎn)生能夠在低流速下提供更有效冷卻的通道。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真技術(shù)的進(jìn)步將有助于探索更好的平衡腔室冷卻和系統(tǒng)穩(wěn)定性的解決方案。

4.4?穩(wěn)定調(diào)節(jié)和精確大范圍控制推力

如上所述，節(jié)流范圍受到各種部件（如噴注器、渦輪泵和燃燒室）的不穩(wěn)定性限制。因此，單一部件的作用無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)的穩(wěn)定節(jié)流。相反，它需要多個(gè)設(shè)備的協(xié)調(diào)。下圖顯示了一個(gè)在多級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中使用流量調(diào)節(jié)器和雙位置氧化劑主閥的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)示例。推力通過使用流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)富氧預(yù)燃室的燃料流量來(lái)控制。為防止在低推力水平下溫度過低，當(dāng)推力降低到額定水平的58%時(shí)，雙位氧化劑主閥轉(zhuǎn)到其高阻力位置。當(dāng)氧化劑泵的負(fù)荷增加時(shí)，對(duì)于相同的推力水平，預(yù)燃燒器的燃料流量增加，使預(yù)燃燒器的溫度恢復(fù)到可接受的水平。

目前，大多數(shù)調(diào)節(jié)裝置由電液伺服系統(tǒng)控制。與電液伺服系統(tǒng)相比，機(jī)電伺服系統(tǒng)具有更高的精度和更快的響應(yīng)速度，可以進(jìn)一步提高推力控制的精度。隨著高能量密度伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電系統(tǒng)將逐漸取代電液系統(tǒng)成為伺服控制的主流選擇。由于其簡(jiǎn)單性，通常首選開環(huán)控制。面對(duì)日益增長(zhǎng)的可重用性和適應(yīng)性需求，能夠提高推力控制精度和魯棒性的閉環(huán)控制系統(tǒng)將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。然而，開環(huán)控制和自穩(wěn)定調(diào)節(jié)裝置的結(jié)合仍然是一條有效的技術(shù)路線，需要進(jìn)一步發(fā)展。

【5】結(jié)論

可節(jié)流大推力發(fā)動(dòng)機(jī)為多樣化的空間活動(dòng)和可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭提供了廣闊的前景。LM-8的首次成功發(fā)射表明，中國(guó)已初步掌握了大型推力發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流技術(shù)。然而，仍有許多問題需要解決。尤其需要更精確的調(diào)節(jié)裝置、可提供更好燃燒穩(wěn)定性的可調(diào)噴油器、穩(wěn)定運(yùn)行范圍更廣的渦輪泵以及更可靠的推力室冷卻措施。人工智能、數(shù)字設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真和其他使能技術(shù)的快速發(fā)展將極大地促進(jìn)更穩(wěn)定的調(diào)節(jié)方案和更精確的控制方法的發(fā)展。此外，我們還期待創(chuàng)新的解決方案。未來(lái)，更大范圍、更精確、更穩(wěn)定的節(jié)流技術(shù)的發(fā)展將把空間運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展推向一個(gè)新時(shí)代。

搬運(yùn)件完畢

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出版時(shí)間：當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021.08

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