鄭大勇，王維彬，喬桂玉

（1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016；2.北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076）

新一代運(yùn)載火箭50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)展

鄭大勇1,2，王維彬2，喬桂玉2

（1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016；2.北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076）

50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是中國為新一代運(yùn)載火箭研制的首臺(tái)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)充分借鑒了中國以往的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)手段、極具特點(diǎn)的研制模式以及新材料新工藝技術(shù)，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，具有較高的可靠性和性能水平，可大幅提升中國進(jìn)入空間和利用空間的能力。

新一代運(yùn)載火箭；氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；長(zhǎng)征五號(hào)

0 引 言

新一代運(yùn)載火箭，即長(zhǎng)征五號(hào)（CZ-5）運(yùn)載火箭是中國新一代無毒、無污染、高性能的大型運(yùn)載火箭，采用120噸級(jí)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和9噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置[1]。50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是CZ-5運(yùn)載火箭的芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)是中國首臺(tái)地面點(diǎn)火啟動(dòng)的大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)[2，3]。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)概況

50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)，地面一次啟動(dòng)，由2臺(tái)獨(dú)立工作的單機(jī)通過機(jī)架并聯(lián)構(gòu)成，發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)地面推力52 t，真空推力70 t[4]。

50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)從正式立項(xiàng)開始，先后順利完成了燃?xì)獍l(fā)生器擠壓試驗(yàn)及渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入全系統(tǒng)試驗(yàn)考核階段，在完成兩次點(diǎn)火試驗(yàn)后，成功進(jìn)行了首次全系統(tǒng)50 s短程試驗(yàn)，同時(shí)完成了可靠性鑒定及抽檢驗(yàn)收試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程如圖1所示。

圖1 50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程

50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是中國第1臺(tái)地面點(diǎn)火啟動(dòng)的大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，與目前用于CZ-3系列火箭的8噸級(jí)上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)YF-75相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力量級(jí)和結(jié)構(gòu)尺寸均有大幅度提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)技術(shù)跨度較大。發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比情況如圖2所示。

圖2 50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和8噸級(jí)YF-75發(fā)動(dòng)機(jī)主要特性參數(shù)比較

發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，在充分借鑒中國以往氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)三維數(shù)字化樣機(jī)，大量采用了CAD、CFD、FEA及多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)等數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)總體及組件技術(shù)方案，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)量與類型，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)研制效率，縮短了研制時(shí)間[5～9]。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方案

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案

50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)由2臺(tái)獨(dú)立工作的單機(jī)并聯(lián)構(gòu)成，除控制系統(tǒng)為雙機(jī)共用外，每臺(tái)單機(jī)各有推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、點(diǎn)火啟動(dòng)系統(tǒng)、增壓與伺服機(jī)構(gòu)用氣供應(yīng)系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)等5個(gè)分系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

發(fā)動(dòng)機(jī)主要特點(diǎn)如下：

a）采用液氫/液氧作為推進(jìn)劑；

b）由兩臺(tái)單機(jī)通過雙機(jī)機(jī)架并聯(lián)而成，具備雙向搖擺能力；

c）采用單臺(tái)富氫燃?xì)獍l(fā)生器，燃?xì)獠⒙?lián)驅(qū)動(dòng)氫氧渦輪；

d）推力室為同軸直流噴嘴，身部為再生冷卻，噴管延伸段為排放冷卻；

e）燃燒裝置采用火藥點(diǎn)火器點(diǎn)火，火藥啟動(dòng)器起旋渦輪泵。

發(fā)動(dòng)機(jī)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要組件方案

發(fā)動(dòng)機(jī)主要組件包括推力室、燃?xì)獍l(fā)生器、氫渦輪泵、氧渦輪泵、閥門等。發(fā)動(dòng)機(jī)及各主要組件模裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)主要組件

2.2.1 推力室

推力室由頭部、身部和噴管延伸段組成。推力室頭部采用同軸直流式噴嘴，設(shè)置了隔板穩(wěn)定裝置防止高頻燃燒不穩(wěn)定。身部采用鋯銅銑槽內(nèi)壁與電鑄鎳外壁的再生冷卻通道結(jié)構(gòu)方式。噴管延伸段面積比為49，采用排放冷卻方式。推力室設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 推力室設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2 燃?xì)獍l(fā)生器

燃?xì)獍l(fā)生器由頭部和身部組成，采用了同軸直流式噴嘴，身部不冷卻。燃?xì)獍l(fā)生器混合比為0.9，燃?xì)獍l(fā)生器出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐粤己?，下游安裝火藥啟動(dòng)器。燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.3 渦輪泵

氫渦輪泵由兩級(jí)沖擊式超聲渦輪、誘導(dǎo)輪和兩級(jí)離心泵組成。氫渦輪泵轉(zhuǎn)子為柔性轉(zhuǎn)子，工作在二階與三階臨界轉(zhuǎn)速之間，采用兩組高DN值的混合式陶瓷球軸承支撐，通過彈性阻尼支承保證轉(zhuǎn)子工作穩(wěn)定性。氫渦輪泵設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 氫渦輪泵設(shè)計(jì)參數(shù)

氧渦輪泵轉(zhuǎn)速由兩級(jí)沖擊式超聲速渦輪、誘導(dǎo)輪和一級(jí)離心泵組成。氧渦輪泵轉(zhuǎn)子同樣為柔性轉(zhuǎn)子，工作在一階臨界轉(zhuǎn)速與二階臨界轉(zhuǎn)速之間，采用兩組雙列鋼軸承支撐，并通過彈性阻尼保證轉(zhuǎn)子工作穩(wěn)定性。氧渦輪泵設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

表5 氧渦輪泵設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.4 閥 門

發(fā)動(dòng)機(jī)液路、燃?xì)饴烽y門均為氣動(dòng)閥門。推力室氫/氧閥為球閥結(jié)構(gòu)，采用自動(dòng)抬座的球閥方案。為控制啟動(dòng)過程發(fā)動(dòng)機(jī)混合比，推力室氧閥應(yīng)具有兩級(jí)調(diào)節(jié)功能；發(fā)生器氫/氧閥、推進(jìn)劑、泄出閥均為菌閥結(jié)構(gòu)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)展

發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過程中，從發(fā)動(dòng)機(jī)組件到整機(jī)，從分系統(tǒng)到全系統(tǒng)，有針對(duì)性地策劃并開展了相對(duì)系統(tǒng)和完整的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中暴露的薄弱環(huán)節(jié)均得到有效解決，發(fā)動(dòng)機(jī)的固有可靠性得到進(jìn)一步提高。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)次數(shù)與試驗(yàn)時(shí)間情況如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)次數(shù)與試驗(yàn)時(shí)間曲線

3.1 推力室縮尺件試驗(yàn)

由于缺乏直接進(jìn)行全尺寸推力室擠壓熱試車的試驗(yàn)條件，因此發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了縮比推力室研究噴注器結(jié)構(gòu)參數(shù)，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)混器將液氫和常溫氣氫混合得到低溫氣氫，以模擬推力室頭部實(shí)際介質(zhì)溫度條件，縮比推力室采用水冷身部。整個(gè)推力室縮尺件試驗(yàn)共進(jìn)行了8次，通過試驗(yàn)研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴嘴特性，優(yōu)選并確定了全尺寸推力室噴注器方案?？s尺推力室試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 縮尺推力室試驗(yàn)

3.2 燃?xì)獍l(fā)生器擠壓試驗(yàn)

燃?xì)獍l(fā)生器在進(jìn)行擠壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生器室壓范圍為70%～110%，混合比范圍為0.62～1.1。通過燃?xì)獍l(fā)生器擠壓試驗(yàn)，驗(yàn)證了燃?xì)獍l(fā)生器的燃燒穩(wěn)定性和點(diǎn)火特性，確定了燃?xì)獍l(fā)生器的點(diǎn)火工作程序。燃?xì)獍l(fā)生器擠壓試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 燃?xì)獍l(fā)生器擠壓試驗(yàn)

3.3 渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)

渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)前，泵葉輪、動(dòng)密封、軸承、彈性支撐等渦輪泵核心組件通過了相應(yīng)的地面臺(tái)架考核試驗(yàn)。燃?xì)獍l(fā)生器與氧渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)共進(jìn)行了2次，第1次為氧泵介質(zhì)采用液氮試驗(yàn)；第2次為氧泵介質(zhì)采用液氧試驗(yàn)。2次試驗(yàn)均獲得成功。燃?xì)獍l(fā)生器與氫渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)只進(jìn)行了1次，由于受液氫安全排放的限制，因此氫泵介質(zhì)采用液氮，試驗(yàn)順利完成。

通過渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，獲得了氫/氧渦輪泵的啟動(dòng)特性和不同工況下的性能特性，燃?xì)獍l(fā)生器和渦輪泵的工作協(xié)調(diào)性得到考核，發(fā)動(dòng)機(jī)具備全系統(tǒng)試驗(yàn)研究條件。燃?xì)獍l(fā)生器與渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 燃?xì)獍l(fā)生器與渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)

3.4 原理性樣機(jī)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)組件及分系統(tǒng)試驗(yàn)后期，首臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)原理性樣機(jī)完成總裝，具備試驗(yàn)條件。發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行冷調(diào)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)介質(zhì)采用液氫/液氧，除未安裝噴管延伸段外，發(fā)動(dòng)機(jī)其他狀態(tài)與全系統(tǒng)狀態(tài)一致。發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到預(yù)冷啟動(dòng)條件后，火藥啟動(dòng)器、推力室點(diǎn)火工作，但燃?xì)獍l(fā)生器不工作。冷調(diào)試驗(yàn)獲得了真實(shí)狀態(tài)下推力室冷卻夾套的預(yù)冷參數(shù)，幫助確定了推力室在箱壓下的點(diǎn)火時(shí)序，同時(shí)考核了試驗(yàn)臺(tái)低溫氫氣安全排放處理系統(tǒng)，試驗(yàn)獲得圓滿成功。

冷調(diào)試驗(yàn)后，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)情況，制定了發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)原理性樣機(jī)首次點(diǎn)火啟動(dòng)程序。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全系統(tǒng)點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間10 s，工況達(dá)到90%，啟動(dòng)參數(shù)平穩(wěn)，混合比控制合理，試驗(yàn)獲得圓滿成功。在進(jìn)行50 s短程試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到主級(jí)額定設(shè)計(jì)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)首臺(tái)原理性樣機(jī)試驗(yàn)獲得圓滿成功。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)首臺(tái)原理性樣機(jī)試驗(yàn)研究，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及各組件的工作協(xié)調(diào)性得到初步考核，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、關(guān)機(jī)工作程序，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。發(fā)動(dòng)機(jī)原理性樣機(jī)試驗(yàn)情況如圖10所示。

圖10 原理性樣機(jī)試驗(yàn)情況

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)

原理性樣機(jī)試驗(yàn)后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)開展了可靠性考核試驗(yàn)，策劃并實(shí)施了一系列針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)飛行任務(wù)剖面、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)裕度、工作極限邊界的研究性試驗(yàn)，大幅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)固有可靠性。

3.5.1 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)裕度試驗(yàn)

由于生產(chǎn)加工及測(cè)量誤差，發(fā)動(dòng)機(jī)部件特性存在一定偏差，這種偏差通過誤差傳遞的原理影響著發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能；同時(shí)，火箭飛行過程中，由于外界條件的變化也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能出現(xiàn)相應(yīng)的偏差，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)偏差及火箭飛行任務(wù)包線工況要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)開展了性能參數(shù)設(shè)計(jì)裕度試驗(yàn)研究，發(fā)動(dòng)機(jī)推力工況范圍為88%～110%、混合比為83%～116%，試驗(yàn)參數(shù)覆蓋火箭飛行工況，表明發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)具有較大的設(shè)計(jì)裕度。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)參數(shù)包絡(luò)示意如圖11所示。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)參數(shù)包絡(luò)

3.5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)次數(shù)和累計(jì)秒數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的重要參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為地面一次啟動(dòng)，最大工作時(shí)間為520 s的火箭芯一級(jí)動(dòng)力裝置。在研制過程中，多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了多次重復(fù)啟動(dòng)試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)不少于6次，其中1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)啟動(dòng)達(dá)15次，累計(jì)工作時(shí)間近6000 s無故障，表明發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的多次重復(fù)使用性能。發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用情況如圖12所示。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用情況

3.5.3 發(fā)動(dòng)機(jī)極限邊界試驗(yàn)

根據(jù)火箭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求及發(fā)動(dòng)機(jī)自身特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)策劃并實(shí)施了一系列極限邊界試驗(yàn)考核，包括長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)預(yù)冷試驗(yàn)、軸承高溫啟動(dòng)試驗(yàn)、渦輪泵真實(shí)介質(zhì)汽蝕試驗(yàn)、飛行過載適應(yīng)性試驗(yàn)等。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)首次開展了渦輪泵真實(shí)介質(zhì)下的汽蝕特性試驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)主級(jí)工作過程中，通過降低貯箱壓力的方法迫使渦輪泵進(jìn)入汽蝕狀態(tài)，在汽蝕狀態(tài)進(jìn)一步向惡劣情況發(fā)展前中止試驗(yàn)，以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)和試車臺(tái)。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵汽蝕試驗(yàn)共進(jìn)行了4次，產(chǎn)品無異常情況，試驗(yàn)成功獲得了渦輪泵在液氫、液氧真實(shí)介質(zhì)下的汽蝕特性。

通過極限邊界試驗(yàn)，一方面獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)裕度，另一方面暴露出了發(fā)動(dòng)機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，通過對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)的改進(jìn)設(shè)計(jì)—試驗(yàn)驗(yàn)證—再次改進(jìn)的迭代過程，有效地拓寬了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用范圍，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體可靠性。發(fā)動(dòng)機(jī)極限邊界試驗(yàn)情況如圖13所示。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)極限邊界試驗(yàn)情況

4 結(jié)束語

經(jīng)過40多年的發(fā)展，從首臺(tái)5噸級(jí)上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)YF-73到50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，目前中國已經(jīng)基本形成了一套相對(duì)完整的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)的研發(fā)體系，在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是目前中國推力最大、綜合性能水平較高的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，與其他火箭動(dòng)力一起奠定了中國航天動(dòng)力的基礎(chǔ)，可為未來重大航天活動(dòng)的開展提供堅(jiān)實(shí)可靠的動(dòng)力支持，對(duì)提升中國進(jìn)入空間和利用空間的能力具有重要意義。

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Progress of the 50t Class Oxygen/Hydrogen Engine for New Generation Launch Vehicle

Zheng Da-yong1,2, Wang Wei-bing2, Qiao Gui-yu2
(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016; 2. Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076)

The 50t class Oxygen/Hydrogen engine is the first large-thrust Hydrogen/Oxygen engine in China for new generation launch vehicle. The engine is based on China’s cryogenic engine development legacy and makes use of the technical experiences acquired through prior engines. Furthermore, a wide array of numerical analysis and design tools are implemented, which progressing the development project and shortening the development time. Being the first large cryogenic LOX/LH2engine in China, the 50t class Oxygen/Hydrogen engine program is a key element of China accessing and using space in future, and it gives the potential to perform a broad array of missions.

New generation launch vehicle; LOX/LH2engine; CZ-5

V42

A

1004-7182(2016)05-0011-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20160503

2015-11-19；

2016-07-28

鄭大勇（1978-），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)