摘要

為降低一次性運載火箭發(fā)射成本,宇航界一直在致力于研制像飛機一樣可以多次自由進(jìn)出太空的重復(fù)使用運載器。占全箭成本三分之一的發(fā)動機,是重復(fù)使用運載器研究的重要部分。在已獲得的研究成果基礎(chǔ)上,分析國內(nèi)外重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展特點,指出液體火箭發(fā)動機是近期實現(xiàn)運載器重復(fù)使用的現(xiàn)實動力方案,并據(jù)此初步確立發(fā)動機重復(fù)使用技術(shù)指標(biāo)體系和推進(jìn)劑組合,提出發(fā)動機重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)。

引言

20世紀(jì)60年代開始,美國和俄羅斯開展登月競賽,兩大航天強國均制定了研制可重復(fù)使用運載器航天飛機的戰(zhàn)略。1981年重復(fù)使用的航天飛機登上太空舞臺。但航天飛機并沒有達(dá)到預(yù)期目的,發(fā)射成本居高不下,于2011年終止飛行,退出歷史舞臺。但低成本商業(yè)化需求[3-4]必將促使一次性火箭向重復(fù)使用方向發(fā)展。近期美國的SpaceX公司“獵鷹”9運載火箭一子級進(jìn)行多次受控精確著陸和回收嘗試并取得了成功,X—37B太空飛機回收后再次執(zhí)行飛行任務(wù)。2014年5月,英國廣播公司披露“云霄塔”計劃,其主發(fā)動機“佩刀”研制取得重大進(jìn)展,國家將其納入空間技術(shù)規(guī)劃。這些工作的進(jìn)展,尤其是其所帶來的低成本的愿景使得航天界再次掀起了重復(fù)使用運載器的研究浪潮。這些運載器所使用的動力可分為火箭發(fā)動機推進(jìn)和組合動力推進(jìn)。由于火箭發(fā)動機推進(jìn)擁有較豐富的經(jīng)驗,因此當(dāng)前兩級入軌、部分重復(fù)使用、火箭推進(jìn)方案受到普遍關(guān)注。國內(nèi)的重復(fù)使用技術(shù)尤其是發(fā)動機重復(fù)使用技術(shù)也在研究中。本文旨在依據(jù)運載器對重復(fù)使用火箭發(fā)動機的要求及發(fā)動機自身特點,確定初步技術(shù)指標(biāo)體系,提出需攻克的關(guān)鍵技術(shù),使研制更具有針對性,加快研制步伐。

國內(nèi)外重復(fù)使用技術(shù)研究現(xiàn)狀

重復(fù)使用運載器是可以多次往返于地球與空間軌道,在軌駐留執(zhí)行軌道服務(wù),可按需返回地面的航天飛行器。按外形布局,可分為帶翼外形和火箭外形; 按動力方式,可分為火箭發(fā)動機推進(jìn)和組合動力推進(jìn); 按起降方式,可分為垂直起降,如SpaceX公司的“獵鷹9”運載火箭、藍(lán)源公司“新謝帕德號”運載火箭; 垂直起飛/水平降落,如軌道級重復(fù)使用的美國/俄羅斯航天飛機、X—37B和亞軌道飛行器; 水平起降,如單級入軌(SSTO)、可完全重復(fù)使用的X—30/X—33/HOTOL和兩級入軌飛行器(TSTO)。

動力技術(shù)作為可重復(fù)使用運載器的核心技術(shù)之一,各國的技術(shù)方案也不盡相同。

美國是重復(fù)使用研究歷史最悠久、形式最多的國家,除著名的航天飛機外,在20世紀(jì)90年代后還開展了X—37B、DC—X/XA單級入軌等重復(fù)使用飛行器的研究工作。

航天飛機主發(fā)動機SSME采用了氫氧推進(jìn)劑的分級燃燒循環(huán),5架航天飛機執(zhí)行了135次飛行任務(wù)。航天飛機最初的設(shè)計目標(biāo)是重復(fù)使用100次,但實際執(zhí)行下來,最多的1臺重復(fù)使用了39次?！矮C鷹”9運載火箭一子級可重復(fù)使用,主動力為液氧/煤油發(fā)動機“隼1D”,可2次重啟減速?！矮C鷹”9運載火箭設(shè)計之初就考慮了通用性,全箭用一種型號發(fā)動機,2017年發(fā)射回收成功,并于同年再次使用,發(fā)射間隔平均為3個多月。美國空軍研制的X—37B軌道試驗飛行器為可重復(fù)使用技術(shù)的驗證機,使用一次性火箭宇宙神5發(fā)射入軌,已完成了可重復(fù)使用飛行試驗,主動力是過氧化氫/煤油發(fā)動機。

在單級入軌方面,美國麥道公司提出了由火箭發(fā)動機提供動力、單級入軌、垂直起降、完全重復(fù)使用的“德爾塔快帆”(delta clipper)方案。DC—X/XA是2架技術(shù)驗證機,使用4臺RL10A—5氫氧膨脹循環(huán)火箭發(fā)動機,通過各個發(fā)動機推力的調(diào)節(jié)實現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制、平飛和掉頭。在降落的時候,通過調(diào)節(jié)發(fā)動機的推力,實現(xiàn)懸停、下降和垂直降落。在1993—1996年的3年時間里,進(jìn)行了12次飛行試驗,獲得了大量的試驗數(shù)據(jù),驗證了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。其驗證機所用的膨脹循環(huán)RL10發(fā)動機在重復(fù)使用研究過程中,被證明可以起動75次而不需要分解檢查或更換部件。

聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司通過“明智模塊式自主返回技術(shù)”來實現(xiàn)“火神”火箭第一級發(fā)動機的重復(fù)使用,選用藍(lán)源公司的BE—4液氧/甲烷發(fā)動機。該發(fā)動機采用分級燃燒循環(huán),推力達(dá)240 t,實現(xiàn)100次以上復(fù)用。

英國提出的重復(fù)使用云霄塔運載器,采用帶預(yù)冷器的組合動力方案。其佩刀發(fā)動機采用雙模式工作,一種是吸氣模式,一種是火箭發(fā)動機模式,利用大氣環(huán)境中的空氣作為推進(jìn)劑,減少自身攜帶的推進(jìn)劑,提高有效運載能力。

俄羅斯正在研制以200 t液氧/甲烷發(fā)動機RD—0162為芯級及助推的聯(lián)盟5火箭(見表1),計劃用于現(xiàn)有聯(lián)盟2、天頂號、質(zhì)子號火箭,并將作為亞軌道太空飛機MRKS[17]可重復(fù)使用火箭助推器。動力機械生產(chǎn)科研聯(lián)合體在2013—2014年同樣進(jìn)行了RD—0192液氧甲烷發(fā)動機的研制。

日本JAXA已經(jīng)研制出可重復(fù)使用LOX/LH2火箭發(fā)動機,將作為可重復(fù)使用探空火箭的主發(fā)動機。RSR的飛行時序如圖1所示。在2014年6月到2015年2月期間進(jìn)行了54次發(fā)動機點火試驗,累計142次點火。

針對天地往返運輸,我國專家在“十一五”期間對重復(fù)使用運載器開展論證,提出到2030年從部分重復(fù)使用到完全重復(fù)使用、從火箭動力到組合動力的“三步走”發(fā)展設(shè)想,如圖2所示。

我國在氫氧發(fā)動機研制基礎(chǔ)上開展了液氧甲烷發(fā)動機重復(fù)使用技術(shù)研究,獲得了一定的成果,部分組件可重復(fù)使用30次以上。

綜上,可以獲知重復(fù)使用運載器技術(shù)發(fā)展趨勢:

1)火箭動力是現(xiàn)實選擇,吸氣式組合動力是未來方向。

2)火箭動力在國外皆是液體環(huán)保動力,主要是液氧/液氫、液氧/煤油、液氧/甲烷[21]這3類綠色環(huán)保型組合推進(jìn)劑。

3)垂直起降、垂直起飛/水平返回是當(dāng)前兩大主要研究方向; 單級入軌、水平起降是遠(yuǎn)期的終極目標(biāo)。

4)降低全壽命周期費用,并進(jìn)一步提高可靠性和任務(wù)適應(yīng)性。

5)重復(fù)使用運載器對發(fā)動機的需求:①長壽命、高可靠; ②多次點火、漸進(jìn)式起動; ③大范圍變推力; ④重復(fù)使用與維護(hù); ⑤環(huán)保; ⑥高安全性; ⑦高推質(zhì)比。

按照最優(yōu)進(jìn)入空間方式,發(fā)展組合動力是最佳選擇。但組合動力技術(shù)還不成熟,距離實際應(yīng)用還有關(guān)鍵技術(shù)需要時間攻克。液體火箭發(fā)動機技術(shù)相對成熟,已成功應(yīng)用于一次性運載火箭和部分重復(fù)使用的航天飛機上。采用低溫液體火箭動力構(gòu)建重復(fù)使用天地往返運輸系統(tǒng),是近期較為現(xiàn)實的發(fā)展目標(biāo)。

國內(nèi)低溫液體火箭發(fā)動機重復(fù)使用技術(shù)研究

新一代無毒無污無腐蝕推進(jìn)劑組合是液體火箭重復(fù)使用發(fā)動機的保障。尤其是液氧/液氫、液氧/甲烷、液氧/煤油3種推進(jìn)劑組合能夠滿足重復(fù)使用發(fā)動機基本需求,而且在國外重復(fù)使用發(fā)動機研究中皆取得了一定的成果。使用液氧/煤油推進(jìn)劑的SpaceX梅林發(fā)動機已經(jīng)獲得了多次飛行回收成功。重復(fù)使用發(fā)動機鼻祖SSME發(fā)動機就采用了液氧/液氫推進(jìn)劑,使用液氧/液氫推進(jìn)劑的BE-3和RL10發(fā)動機也獲得了成功回收。液氧/甲烷推進(jìn)劑的發(fā)動機因其成本低、性能適中、結(jié)焦少、與液氧沸點接近,利于深空探測飛行,頗受國內(nèi)外航天同行青睞,均傾力研制。我國的液氧/液氫、液氧/煤油發(fā)動機均在CZ-3A系列火箭和新一代火箭發(fā)射中成功參加了飛行,液氧/甲烷發(fā)動機尚在研制過程中,也已經(jīng)完成了全系統(tǒng)試車。

我國重復(fù)使用液體火箭發(fā)動機的研制,可劃分為3個階段:①以目前的液體火箭發(fā)動機為平臺,開展發(fā)動機一機多試和校準(zhǔn)試車不分解交付飛行; ②以氫氧發(fā)動機為平臺,研究低成本液氧甲烷發(fā)動機重復(fù)使用技術(shù); ③以重復(fù)使用液體火箭發(fā)動機設(shè)計理念為指導(dǎo),研制低溫液體發(fā)動機。

【1】一機多試和校準(zhǔn)試車不分解交付技術(shù)

20世紀(jì)初,在高密度發(fā)射需求牽引下,為降低成本、縮短周期、保留校準(zhǔn)試車后的信息,使氫氧發(fā)動機由單臺組裝轉(zhuǎn)向批量組裝,某型發(fā)動機采用了液體火箭發(fā)動機校準(zhǔn)試車不分解方案。圖3為發(fā)動機分解交付和不分解交付流程圖。

為評估發(fā)動機校準(zhǔn)試車后健康狀態(tài),保證交付后產(chǎn)品質(zhì)量可靠,從發(fā)動機性能和振動雙角度進(jìn)行評價。建立了故障模式庫,其中裝入28種故障模式(見圖4)。通過與故障模式進(jìn)行比對,評價發(fā)動機各組合件及整體參數(shù)校準(zhǔn)試車后健康狀態(tài),用于決策發(fā)動機再次進(jìn)行點火工作的可靠性,以及能否交付飛行。

截至目前已有近50臺發(fā)動機采取了不分解交付措施后交付,飛行任務(wù)完成良好。

對于多次全程工作,液體火箭發(fā)動機也獲得了較豐富的經(jīng)驗。為試驗不分解交付和可靠性驗證,采取了地面考核不下臺連續(xù)試車的方式,俗稱一機多試。氫氧發(fā)動機、液氧/煤油發(fā)動機[26]均采取了同樣的方案,并在實踐過程中獲得了較豐富的試驗后健康狀態(tài)檢測、維修與再試驗的基礎(chǔ)措施、方法和再試驗使用評估標(biāo)準(zhǔn)。如地面試驗后、產(chǎn)品交付后、靶場飛行試驗前發(fā)動機檢測項目、內(nèi)腔潔凈度判斷指標(biāo)、故障判斷、部分組件更換維修等技術(shù)。其中某膨脹循環(huán)發(fā)動機試驗壽命目前達(dá)到5460s,重復(fù)起動16次無異常。

【2】液氧/甲烷發(fā)動機技術(shù)

液氧/甲烷發(fā)動機是我國乃至國際航天界正在大力發(fā)展的方向。甲烷是一種被廣泛利用的清潔能源,具有燃燒熱值高、資源豐富和環(huán)保等優(yōu)點。與液氧組合作為火箭推進(jìn)劑時,比沖性能介于液氧/液氫推進(jìn)劑和液氧/煤油推進(jìn)劑之間,且其具有較高的密度比沖[29],利于提高運載器運載能力。液氧甲烷發(fā)動機是所有烴類燃料組合中,最不容易結(jié)焦和積碳的,為未來能夠?qū)崿F(xiàn)清潔環(huán)保、可重復(fù)使用的火箭發(fā)動機打下了堅實的基礎(chǔ)。從長遠(yuǎn)角度出發(fā),科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)諸如火星、土衛(wèi)六等星球上存在液體甲烷“海洋”,如果未來做星際航行,甚至可以從目標(biāo)星球直接汲取液體甲烷做燃料。液氧和甲烷溫度相近,可以設(shè)計成共底貯箱,降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量和復(fù)雜度。

目前國際上對于液氧/甲烷發(fā)動機還沒有研制成功飛行的先例,但研制歷程已達(dá)幾十年。其中俄羅斯以液氧/煤油發(fā)動機RD—0110MD和液氧/液氫發(fā)動機KVD-1作為演示樣機,開展了甲烷工作研究。液氧/煤油發(fā)動機有70%～80%的組件可以借用。NASA將RS—18改造為月球著陸器下降級液氧/甲烷發(fā)動機,開展了高空模擬試車和推進(jìn)劑在月球表面的長期貯存模擬試驗研究。

十一五期間,以重復(fù)使用亞軌道飛行器為背景,以某氫氧發(fā)動機為平臺,開展了60 t級燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧/甲烷發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)研究。該發(fā)動機為燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán),發(fā)動機地面推力60 t,地面比沖285s。研究期間經(jīng)過組件級試驗、分系統(tǒng)試驗以及1臺液氧/甲烷發(fā)動機原理型樣機,完成了4次累計67s的全系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成演示驗證試驗,實現(xiàn)了液氧/甲烷發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)的全面突破。探索出以氫氧發(fā)動機為平臺研究液氧甲烷技術(shù)的途徑。

此外還基于某膨脹循環(huán)發(fā)動機,開展了上面級甲烷發(fā)動機研制,分別進(jìn)行了3t和8t的深度推力調(diào)節(jié)膨脹循環(huán)甲烷發(fā)動機研制。完成了以甲烷火炬電點火試驗200多次,與噴注器縮比試驗件聯(lián)試點火28次、10:1深度節(jié)流噴注器縮比件試驗為代表的各類組件級試驗。

三型甲烷發(fā)動機均取得了重大進(jìn)展,尤其是8 t液氧甲烷發(fā)動機(見圖5)和60t級甲烷發(fā)動機(見圖6)研制過程中均采用了氫氧發(fā)動機直接換甲烷推進(jìn)劑方案,證明了各種循環(huán)方式的氫氧發(fā)動機均可實現(xiàn)與甲烷發(fā)動機同料加工、同線生產(chǎn)、同臺試驗、產(chǎn)品通用,為重復(fù)使用運載器提供性能更優(yōu)、功能更強的發(fā)動機奠定基礎(chǔ)。

【3】重復(fù)使用低溫液體火箭發(fā)動機技術(shù)

目前的重復(fù)使用除航天飛機的SSME發(fā)動機在設(shè)計之初就按重復(fù)使用的理念進(jìn)行設(shè)計外,其余的均是一次性液體火箭發(fā)動機直接移植,在現(xiàn)有的設(shè)計基礎(chǔ)上增加使用次數(shù)。

從當(dāng)前一次性使用發(fā)動機技術(shù)水平來看,將其簡單“移植”到重復(fù)使用飛行器上,其壽命上限最多達(dá)到50次。根據(jù)重復(fù)使用航天器經(jīng)濟模型測算,復(fù)飛80次后才能收回成本,因此,提出100次重復(fù)使用指標(biāo)。

以重復(fù)使用設(shè)計理念為指導(dǎo)開展低溫液體火箭發(fā)動機設(shè)計是減少彎路,實現(xiàn)重復(fù)使用的有效方法。針對低溫液體發(fā)動機壽命薄弱的組件渦輪泵、燃燒室等,從壽命、功能、檢測與診斷以及性能方面進(jìn)行分析、設(shè)計。比如渦輪葉片疲勞壽命的提高要從渦輪葉片損傷模式與損傷機理上開展研究后納入設(shè)計規(guī)范中。燃燒裝置壽命提高要從熱防護(hù)上開展設(shè)計等。

圍繞重復(fù)使用運載器的動力需求,開展了60 t級液氧/甲烷發(fā)動機重復(fù)使用優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究,從循環(huán)方式、檢測可達(dá)性、模塊化設(shè)計、快速測發(fā)能力、維修性、考核方案等方面完善產(chǎn)品重復(fù)使用的設(shè)計理念,從設(shè)計根源上提高發(fā)動機重復(fù)使用能力。

經(jīng)過研究和試驗,60t液氧/甲烷發(fā)動機在重復(fù)使用上獲得了如下成果:

1)大熱流推力室身部熱防護(hù)技術(shù)通過了30次重復(fù)使用熱試驗。

2)渦輪泵軸承經(jīng)過低溫臺架試驗,壽命可以達(dá)到80次以上。

3)渦輪泵動密封經(jīng)過臺架試驗,壽命達(dá)到80次以上。

4)燃?xì)忾y經(jīng)過高溫試驗考核,動作達(dá)到1000次。

5)通過整機試驗,驗證了液氧/甲烷發(fā)動機簡單、安全、快捷的地面檢測維護(hù)處理流程。

液體火箭發(fā)動機重復(fù)使用指標(biāo)體系

采用傳統(tǒng)一次性航天器的研發(fā)和經(jīng)營模式,不可能降低宇航運輸成本。從60t液氧/甲烷發(fā)動機研制,到SpaceX火箭回收和重復(fù)使用的實施路徑,可以看出,把技術(shù)成熟的一次性宇航產(chǎn)品作為“母機”,逐步實施可重復(fù)技術(shù)改造,才能降低研發(fā)成本,將一次性使用的發(fā)動機“蛻變”為重復(fù)使用發(fā)動機。

由此可見,借鑒航空發(fā)動機技術(shù),識別和建立重復(fù)使用發(fā)動機專用技術(shù)體系是當(dāng)務(wù)之急。液氧/液氫、液氧/煤油、液氧/甲烷這三類組合作為推進(jìn)劑的液體火箭發(fā)動機均具有可重復(fù)使用的基礎(chǔ)。但哪種發(fā)動機重復(fù)使用能實現(xiàn)較高的壽命、降低成本、獲得更大的利益則需要依據(jù)重復(fù)使用指標(biāo)體系進(jìn)一步分析。從目前研制進(jìn)展上看,液氧/甲烷潛力最大,但卻要面臨發(fā)動機從無到有的研制歷程; 液氧/液氫發(fā)動機由于性能高、可檢測維修、推進(jìn)劑潔凈無結(jié)焦、返航后易處理、推重比高、燃燒穩(wěn)定性好等易于實現(xiàn)重復(fù)使用,但推進(jìn)劑、制造、貯存成本高; 液氧煤油發(fā)動機成本低、推重比高,但由于煤油易結(jié)焦,返航后處理復(fù)雜。按目前研制的進(jìn)展,不論哪種推進(jìn)劑組合都需要開展技術(shù)攻關(guān)。

根據(jù)不同飛行模式和推進(jìn)層級,在壽命型、功能型、性能型、維修型和檢測診斷型框架下,梳理辯識各項技術(shù),構(gòu)建重復(fù)使用發(fā)動機技術(shù)體系(見圖7)。

重復(fù)使用發(fā)動機最重要的指標(biāo)是壽命。壽命是指在給定的可靠性指標(biāo)下,發(fā)動機以額定工況完成特定任務(wù)剖面時,提供安全、完備和準(zhǔn)確功能的時間度量。

相對于以千秒為單位計壽命的一次性使用發(fā)動機,工作壽命要以小時為單位計將是發(fā)動機技術(shù)指標(biāo)體系的跨越式提升。這將顛覆傳統(tǒng)設(shè)計理念、驗證考核、制造工藝。

【1】可靠性設(shè)計和驗證

一次性發(fā)動機只考慮各零部件或分系統(tǒng)相互獨立完成功能,以簡單的串聯(lián)方式建立可靠性模型。而重復(fù)使用發(fā)動機就應(yīng)依據(jù)載荷-強度干涉理論按系統(tǒng)級或系統(tǒng)層的建模方法開展可靠性設(shè)計和驗證(見圖8和圖9)。

在工程實踐中,葉片強度及壽命分析具有不確定性,隨機因素主要是:

1)載荷:氣動激勵載荷、溫度載荷及離心載荷;

2)材料參數(shù):彈性模量、泊松比、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等;

3)幾何尺寸:加工誤差、工作變形使敏感部位的幾何尺寸產(chǎn)生變化,而影響疲勞壽命。

【2】熱力環(huán)境設(shè)計

高熱流對結(jié)構(gòu)沖刷產(chǎn)生高周疲勞和低周疲勞是熱力件失效的主要原因,因此,該指數(shù)是影響發(fā)動機壽命的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

SSME的主燃燒室、噴管可達(dá)到40次、預(yù)壓泵20余次,而高壓渦輪泵僅6次,以葉片損傷為主。高周疲勞和低周疲勞共同造成了葉片疲勞裂紋和損傷,熱載荷對渦輪葉片大約貢獻(xiàn)20%的應(yīng)力。

膨脹循環(huán)中渦輪工質(zhì)為常溫氣氫或甲烷,渦輪工作環(huán)境明顯優(yōu)于其他動力循環(huán)。

燃燒室的壽命與高溫蠕變、低周疲勞相關(guān),而高溫蠕變與所處熱力環(huán)境相關(guān),因此冷卻推進(jìn)劑的選擇和冷卻設(shè)計是重要環(huán)節(jié)。液氫、甲烷、煤油作為冷卻劑,結(jié)合各自特性設(shè)計熱防護(hù)結(jié)構(gòu),重點控制燃燒室氣壁溫度,減少溫度應(yīng)力。同時輔以氣膜冷卻是較好的方式。

【3】起動沖擊

起動次數(shù)與壽命指標(biāo)具有強關(guān)聯(lián)性。為了計入這種沖擊載荷對壽命的影響,就應(yīng)在壽命指標(biāo)框架下建立載荷作用次數(shù)的可靠性分析、評估和設(shè)計模型。獲得疊加在靜載、動載上的沖擊次數(shù),獲得在強度退化條件下,發(fā)動機可靠性或失效率的變化規(guī)律。

點火機械沖擊:強烈的點火沖擊對結(jié)構(gòu)造成的損傷是引起發(fā)動機出現(xiàn)故障主要原因,如某試車的推力室頭部振動沖擊達(dá)49 000m/s2,穩(wěn)定段的振動僅784m/s2(見圖 10)。這是傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動機點火方式的固有特性,采用調(diào)時序、頭腔吹除、優(yōu)化點火混合比等常規(guī)技術(shù),不能從根本上避免對結(jié)構(gòu)的沖擊。

大熱流沖擊:T90為毫秒級或秒級的加速起動性要求使傳統(tǒng)冷卻技術(shù)(再生冷卻、幅射冷卻、液膜冷卻等)難以確保熱結(jié)構(gòu)能經(jīng)受上百次大流量、高熱流的沖擊。熱起動瞬態(tài)過程的極大熱應(yīng)力使渦輪材料的低周疲勞壽命也大為降低,會導(dǎo)致渦輪產(chǎn)生裂紋。

自身箱壓起動:雖然箱壓起動技術(shù)涉及到一次任務(wù)剖面多次起動能力,與重復(fù)使用次數(shù)無直接關(guān)聯(lián),但是實現(xiàn)漸進(jìn)式起動可降低傳統(tǒng)外能源起動方式產(chǎn)生的沖擊載荷(見圖 11)。

【4】自潔凈性

推進(jìn)劑種類及其組合決定發(fā)動機的自潔凈性。新一代采用無毒無污無腐蝕低溫推進(jìn)劑是重復(fù)使用發(fā)動機基礎(chǔ)。燃燒產(chǎn)物結(jié)焦降低重復(fù)使用性。

自蒸發(fā)能力:發(fā)動機腔內(nèi)推進(jìn)劑能否在常溫常壓下蒸發(fā)如初,從根本上決定了發(fā)動機復(fù)飛前處理的快捷簡易性。具有雙組元低溫特性的液氧/液氫或液氧/甲烷組合的自蒸發(fā)能力要優(yōu)于液氧煤油。

結(jié)焦性:氫氧發(fā)動機不存在結(jié)焦,因此,其重復(fù)使用性最佳。烷類燃料中的碳原子使液氧/甲烷和液氧/煤油發(fā)動機存在結(jié)焦問題。其燃燒產(chǎn)物凝結(jié)在噴嘴或面板上,對燃燒性能產(chǎn)生累積影響。作為冷卻劑,經(jīng)高溫加熱,積碳沉積在夾套內(nèi)壁使推力室身部傳熱能力下降,進(jìn)而也影響燃燒性能。甲烷結(jié)焦溫度高,約1 200 K,適用于重復(fù)使用推力室。富燃方案燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)焦少,但隨氧含量的增加,結(jié)焦亦增加。

從單臺60 t液氧/甲烷發(fā)動機累計13次試車情況來看(見圖 12),甲烷的自潔凈性較好,經(jīng)產(chǎn)品復(fù)溫吹除,少量結(jié)焦自行脫落。另外,各次試車夾套流阻和溫升穩(wěn)定。

【5】可檢測性及維修性

可檢測性是對發(fā)動機工作前狀態(tài)的檢查與測試。一次使用發(fā)動機的外場檢測目的是確認(rèn)產(chǎn)品質(zhì)量,而重復(fù)使用發(fā)動機的可檢測性是對發(fā)動機健康狀態(tài)實施評價,應(yīng)包含直測式參數(shù)門檻、黑匣子飛行數(shù)據(jù)處理判據(jù)、關(guān)鍵件探傷孔設(shè)置及氣密性檢漏等技術(shù),提高發(fā)動機復(fù)飛可檢測性。校準(zhǔn)試車不分解交付的實施,提高了一次使用發(fā)動機的測試可達(dá)性,而重復(fù)使用發(fā)動機復(fù)飛前,不可能返廠進(jìn)行熱點火測試,因此,需要重復(fù)使用飛行器的動力系統(tǒng)在發(fā)射臺上具備低工況點火熱測試。

維修性包含了發(fā)動機保養(yǎng)(含返廠大修)、維護(hù)可操作性及總體優(yōu)化布局、模塊化裝配設(shè)計等技術(shù)。維修性好也會極大地降低發(fā)動機成本。

低溫液體火箭重復(fù)使用發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合重復(fù)使用飛行器對發(fā)動機的要求、重復(fù)使用發(fā)動機研制規(guī)劃和重復(fù)使用指標(biāo)體系,低溫液體火箭發(fā)動機重復(fù)使用技術(shù)涉及如下關(guān)鍵技術(shù)。

【1】壽命型可靠性設(shè)計、驗證和評估模型

1)構(gòu)建壽命型技術(shù)體系及量化指標(biāo);

2)形成組件級壽命型設(shè)計方法和驗證方法;

3)以組件級壽命指標(biāo)為離散型輸入變量,形成發(fā)動機壽命概率分布,包括組件強度分布、載荷譜、強度退化曲線、可靠性與載荷作用變化關(guān)系。

【2】非沖擊起動技術(shù)

1)頭腔霧化積存機理及點火能量優(yōu)化;

2)點火方式優(yōu)化與改進(jìn);

3)低壓微量噴注及燃燒轉(zhuǎn)級;

4)箱壓載荷譜及箱壓起動。

【3】長壽命材料仿真優(yōu)化

面對高低溫條件下,百量級循環(huán)載荷譜作用,突顯出傳統(tǒng)材料屬性的不確定性,主要有彈性模量、密度、泊松比、屈服強度等。

目前的認(rèn)識是:材料的不均勻?qū)е虏牧蠈傩缘牟淮_定性,使其彈性模量和泊松比對結(jié)構(gòu)的強度應(yīng)力分布產(chǎn)生了影響,進(jìn)而影響疲勞壽命。為此,需要以百量級循環(huán)載荷為輸入,開展對現(xiàn)有材料仿真研究,對材料冶煉成形和均化處理提出相關(guān)要求。

【4】電驅(qū)技術(shù)應(yīng)用

1)流體集成IVF技術(shù)可利用低溫推進(jìn)劑的蒸發(fā)特性增強箭上供電持續(xù)能力;

2)電機技術(shù)的發(fā)展,為發(fā)動機無級調(diào)節(jié)提供新的應(yīng)用前景。

【5】狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷的工程應(yīng)用

目前,狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷技術(shù)的工程應(yīng)用水平,僅限于多參數(shù)聯(lián)判的地面試車緊急關(guān)機。該技術(shù)的成熟應(yīng)用是研制重復(fù)使用發(fā)動機的先決條件。與其他運輸工具的發(fā)動機相比,液體火箭發(fā)動機的應(yīng)用水平差距很大。無論是傳統(tǒng)的一次性使用,還是將來的重復(fù)使用發(fā)動機,該技術(shù)的應(yīng)用研究應(yīng)高度重視,加大投入。

1)研制在線記錄器(黑匣子)及離線信號處理;

2)開展發(fā)動機系統(tǒng)和組件半實物(故障)仿真;

3)建立故障庫,包括實發(fā)故障案例的采集和仿真案例的錄入。

總之,真正意義的可重復(fù)使用航天發(fā)動機的研制,還需要突破一些關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)借助傳統(tǒng)一次性宇航運輸體系,在不影響飛行成功率的前提下,采用搭載方式開展關(guān)鍵技術(shù)的工程驗證,漸進(jìn)式完成從一次性向重復(fù)使用發(fā)動機的蛻變。國內(nèi)以某型發(fā)動機為平臺突破了60t級液氧/甲烷重復(fù)使用發(fā)動機部分關(guān)鍵技術(shù)、SpaceX的一級或助推回收復(fù)飛,都是這種思想的工程實踐。

結(jié)束語

在重復(fù)使用運載器發(fā)展過程中,相比組合動力,液體火箭發(fā)動機是近期運載器實現(xiàn)重復(fù)使用的較為現(xiàn)實的動力技術(shù)方案。從氫氧發(fā)動機校準(zhǔn)試車不分解交付飛行,到液氧/甲烷發(fā)動機研究的工程實踐,通過技術(shù)指標(biāo)體系分析,可以得到如下結(jié)論:

1)新一代無毒無污無腐蝕推進(jìn)劑組合是液體火箭重復(fù)使用發(fā)動機的保障。綜合比較,液氧甲烷推進(jìn)劑組合是重復(fù)使用發(fā)動機的最佳選擇。

2)一次性使用發(fā)動機簡單移植為重復(fù)使用發(fā)動機不能解決壽命問題。識別和建立重復(fù)使用發(fā)動機專用技術(shù)體系是當(dāng)務(wù)之急。

3)利用一次性使用發(fā)動機作為母機,突破100次重復(fù)使用的關(guān)鍵技術(shù),降低全壽命周期成本,實現(xiàn)從一次性使用發(fā)動機向重復(fù)使用發(fā)動機的蛻變。

搬運件完畢

原標(biāo)題：低溫液體火箭發(fā)動機重復(fù)使用技術(shù)分析

編寫人員：張楠，孫慧娟（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

搬運件出版方：ASPT-航天科普小組

搬運件版權(quán)所有：搬運件出版方無版權(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)及其編寫人員

出版時間：當(dāng)?shù)貢r間2020

原文地址：http://hjtjnew.paperopen.com/upload/html/202006001.html