王愛華，陳陽春，丁衛(wèi)華

(1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112；2．上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112)

0　引言

空間實(shí)驗(yàn)室軌控發(fā)動(dòng)機(jī)為衛(wèi)星用一代490 N發(fā)動(dòng)機(jī)[1-5]的改型設(shè)計(jì)，均采用2臺(tái)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作進(jìn)行軌道控制[6]。應(yīng)用于衛(wèi)星的一代490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的加熱器為鎧裝加熱絲，存在高溫絕緣性能差、常溫絕緣阻值容易在受潮后下降、安裝性能差、電能利用率低等缺點(diǎn)[7]。490 N發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間加長后，頭部溫度升高，需暫時(shí)停機(jī)以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)組件。針對(duì)上述問題，對(duì)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)熱控進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，利用仿真分析和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1　空間實(shí)驗(yàn)室490 N發(fā)動(dòng)機(jī)熱控設(shè)計(jì)

空間實(shí)驗(yàn)室490 N軌控發(fā)動(dòng)機(jī)在艙體上的布局如圖1所示，圖中A1和A2為發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)。該發(fā)動(dòng)機(jī)熱控采用以自動(dòng)控溫的主動(dòng)電加熱為主的方式，輔助以隔熱墊片、多層隔熱材料等被動(dòng)熱控措施的熱控方案。發(fā)動(dòng)機(jī)頭部法蘭采用新型片式加熱器，發(fā)動(dòng)機(jī)閥門采用聚酰亞胺薄膜型加熱片，發(fā)動(dòng)機(jī)管路采用聚酰亞胺薄膜型加熱帶。控溫指標(biāo)如下：①閥門溫度為0～60 ℃；②點(diǎn)火前發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度不低于0 ℃。

圖1　490 N發(fā)動(dòng)機(jī)布局Fig.1　Layout of 490 N engine

1.1　發(fā)動(dòng)機(jī)頭部法蘭加熱方法

為改進(jìn)頭部鎧裝加熱絲的不足之處，提高加熱器的性能、可靠性以及安裝性，提出了片式加熱器加熱方法[7]，如圖2所示，新型片式加熱器為雙圓弧平板狀。

圖2　490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部上的加熱器Fig.2　Heater on the head of 490 N engine

1.2　被動(dòng)熱控措施

490 N頭部法蘭盤上新型片式加熱器安裝在噴管一側(cè)，外面用20單元揉皺的雙面鍍鋁聚酰亞胺薄膜多層隔熱材料包覆，并用鈦箔壓住，再通過鈦箔條點(diǎn)焊方式將鈦箔固定在法蘭盤上。測(cè)溫傳感器安裝于法蘭盤閥門一側(cè)。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝法蘭與機(jī)架安裝面采用5 mm厚酚醛樹脂層壓布板作為隔熱墊片。

管路和閥門上，在安裝好相應(yīng)的加熱器和溫度傳感器后，在外面用5單元聚脂薄膜和滌綸絲網(wǎng)構(gòu)成的多層包覆。

1.3　加熱功率和控溫回路設(shè)計(jì)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部及電磁閥的溫度分布進(jìn)行仿真時(shí)，假定發(fā)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝底板及艙內(nèi)的最低溫度為-10℃，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管輻射的空間環(huán)境溫度為4 K[8]，未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)組所受的外熱流影響，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)尺寸建模，490 N軌控發(fā)動(dòng)機(jī)頭部主加熱片功率為20.0 W，單個(gè)電磁閥加熱片功率為1.0 W，分析結(jié)果見圖3和圖4。

圖3　490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部仿真溫度 Fig.3　Simulation temperature of 490 N engine head

圖4　490 N發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥仿真溫度Fig.4　Simulation temperature of solenoid valves of 490 N engine

從圖3和圖4可以看出：頭部溫度范圍為0.9～35.4 ℃、電磁閥溫度范圍為12.2～17.5℃。仿真表明，加熱功率可以滿足要求，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火前頭部和閥門溫度超過0 ℃。

每臺(tái)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部加熱共有3個(gè)加熱回路，1個(gè)是主加熱回路，功率為20.0 W；另一個(gè)是備份加熱回路，功率為10.0 W；第3個(gè)是遙控強(qiáng)制加熱回路，功率為10.0 W。2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)閥門上的薄膜式加熱片構(gòu)成主備兩個(gè)加熱回路，每個(gè)加熱回路的功率4.0 W，含4個(gè)控溫傳感器。

1.4　控溫策略

發(fā)動(dòng)機(jī)頭部和閥門上的加熱回路(頭部的2路強(qiáng)制加熱回路除外)由推進(jìn)管理器根據(jù)三控溫點(diǎn)(T1,T2,T3)進(jìn)行自動(dòng)控溫，這里T1≤T2≤T3。當(dāng)加熱回路中的最低溫度控溫點(diǎn)的溫度低于T3時(shí)，主加熱回路打開，否則關(guān)閉主加熱回路，在短控溫周期內(nèi)(2 s)要對(duì)控溫測(cè)點(diǎn)溫度巡檢一次；當(dāng)加熱回路中的最低控溫點(diǎn)的溫度低于T2時(shí)，則備加熱回路打開，否則關(guān)閉備加熱回路，在短控溫周期內(nèi)，要對(duì)控溫測(cè)點(diǎn)溫度巡檢一次；當(dāng)加熱回路中的最低控溫點(diǎn)的溫度低于T1時(shí)，同時(shí)打開主備加熱回路，并且在長控溫周期(30 s)內(nèi)，要對(duì)控溫測(cè)點(diǎn)溫度巡檢一次。強(qiáng)制加熱回路可在主備回路失效時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作前30 min時(shí)刻由遙控指令打開，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作前5 min時(shí)刻關(guān)閉，以保證在主備控溫回路失控的意外情況下，仍具備加熱手段。

1.5　耐溫能力評(píng)估及發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)策略

熱敏電阻耐溫上限為350 ℃。熱敏電阻引線為鍍銀導(dǎo)線AF46-200 0.22，其絕緣層耐溫上限為250 ℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)頭部安裝的新型片式加熱器的額定工作溫度范圍為-20～300 ℃。溫度交變鑒定試驗(yàn)?zāi)艹惺茏罡邷囟葹?50 ℃。該加熱器采用金屬螺栓固定安裝在頭部法蘭盤的扇形安裝槽內(nèi)。加熱器引線為Fy1-2型聚酰亞胺薄膜導(dǎo)線，可經(jīng)受不超過250 ℃的環(huán)境溫度。

熱敏電阻和新型片式加熱器的外引線焊接方式為繞焊，焊點(diǎn)保護(hù)方式為雙層2 751玻璃纖維套管加聚酰亞胺薄膜纏繞包覆，焊點(diǎn)不與頭部法蘭盤直接接觸。熱敏電阻引線固定于相鄰的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門上或者與閥門相連的導(dǎo)管上。

490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部法蘭盤外包覆20單元揉皺的單面鍍鋁聚酰亞胺薄膜，通過鈦帶與鈦箔和法蘭盤的點(diǎn)焊將多層及鈦箔固定于法蘭盤上。聚酰亞胺薄膜長期使用溫度范圍為-196～+250 ℃，短期使用溫度范圍為不大于400 ℃(30 min內(nèi)為短期)。隔熱墊片采用酚醛層壓布板，其耐溫上限為250℃。

星用490 N發(fā)動(dòng)機(jī)在軌運(yùn)行情況表明，頭部溫度在250 ℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)仍能夠長時(shí)間正常工作。因此，250 ℃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)自身的工作性能(推力、比沖、流量、混合比等)和可靠性無影響。如圖1所示，空間實(shí)驗(yàn)室變軌機(jī)架上共有2臺(tái)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)架為桿系結(jié)構(gòu)，通過8根直徑20 mm壁厚2 mm的6A02鋁合金桿支撐2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所在的平面。假定當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)鋁合金桿支撐桿的溫度也達(dá)到250 ℃。計(jì)算表明，在250 ℃時(shí)支撐桿應(yīng)力約為0.23 MPa，經(jīng)查支撐桿在250 ℃下的屈服極限為127 MPa，前者為后者的1.8‰。因此，機(jī)架具有足夠的結(jié)構(gòu)性能裕度保證發(fā)動(dòng)機(jī)的有效支撐。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)及其熱控組件的耐溫能力，制定發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)策略為“當(dāng)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度達(dá)到250 ℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)”。

2　飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

2016年9月進(jìn)行了空間實(shí)驗(yàn)室的飛行試驗(yàn)。圖5～圖6給出了三軸對(duì)地在軌測(cè)試階段達(dá)到熱平衡后，490 N發(fā)動(dòng)機(jī)未工作，發(fā)動(dòng)機(jī)頭部、閥門溫度測(cè)點(diǎn)在3個(gè)周期內(nèi)的溫度變化情況。圖中DTz157和TTb113為A1發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度測(cè)點(diǎn)，前者為MF61，后者為MF51；DTz166和TTb114為A2發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度測(cè)點(diǎn)，同樣前者為MF61，后者為MF51。DTz91、92分別為A1發(fā)動(dòng)機(jī)燃閥和氧閥溫度；DTz115、116分別為A2發(fā)動(dòng)機(jī)燃閥和氧閥溫度。490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度可控制在15～30 ℃范圍內(nèi)；490 N發(fā)動(dòng)機(jī)閥門溫度可控制在19～22 ℃范圍內(nèi)。在三軸對(duì)地姿態(tài)下，加熱回路的占空比為0，各測(cè)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)和軌道周期同頻率的周期性變化。

圖7～圖8給出了發(fā)動(dòng)機(jī)未工作，連續(xù)偏航姿態(tài)下達(dá)到熱平衡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部、閥門溫度測(cè)點(diǎn)在3個(gè)周期內(nèi)的溫度變化。由于490 N發(fā)動(dòng)機(jī)所在的資源艙尾部始終無太陽熱流入射，發(fā)動(dòng)機(jī)各部位溫度不斷下降，觸發(fā)加熱回路啟動(dòng)。在控溫點(diǎn)為(4，8，8)情況下，頭部溫度可控制在5.05～9.71 ℃，主備加熱回路均啟動(dòng)，占空比為0.094，平均加熱功率為3.05 W。閥門溫度可控制在16.55～21.38 ℃，此時(shí)閥門加熱回路占空比為0.179，閥門加熱回路平均加熱功率約為1.4 W。

圖5　三軸對(duì)地姿態(tài)下490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度Fig.5　Head temperature of 490 N engine under the attitude of three-axis earth oriented

圖6　三軸對(duì)地姿態(tài)下490 N發(fā)動(dòng)機(jī)閥門溫度Fig.6　Valve temperature of 490 N engine under the attitude of three-axis earth oriented

圖7　連續(xù)偏航姿態(tài)下490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度Fig.7　Head temperature of 490 N engine under continuous yawing attitude

圖9給出了第13圈變軌490 N發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，頭部溫度傳感器下傳的數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)時(shí)長為438.994 s。A1發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度TTb113最大值為152.11 ℃，DTz157最大值為148.19 ℃。A2發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度TTb114最大值為136.12 ℃，DTz166最大值為169 ℃。溫度傳感器DTz157和DTz166均有兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值是由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作前30 min遙控強(qiáng)制加熱回路啟動(dòng)所致，此處峰值達(dá)到79.85 ℃。溫度傳感器TTb113和TTb114沒有明顯的雙峰是因?yàn)槠渑c加熱器距離較遠(yuǎn)所致。測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)表明，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱功率具有較充足的裕度，測(cè)溫傳感器能有效監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度。飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了490 N發(fā)動(dòng)機(jī)熱控設(shè)計(jì)的有效性和正確性。

3　結(jié)論

1)采用新型片式加熱器實(shí)現(xiàn)對(duì)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部加熱方法的改進(jìn)，利用熱分析軟件仿真了發(fā)動(dòng)機(jī)頭部溫度場，確定了單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部主份加熱功率為20.0 W，發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)電磁閥主份加熱功率1.0 W。

2)分析了熱控組件及發(fā)動(dòng)機(jī)支架的耐溫能力，提出了飛控過程中490 N發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的溫度判據(jù)為250 ℃。

3)天宮二號(hào)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)在軌飛行試驗(yàn)正常，溫度測(cè)控?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證了熱控設(shè)計(jì)的有效性和正確性。