趙 婷,劉昌國(guó),吳凌峰,倪維根

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

0 引言

針對(duì)某高軌衛(wèi)星雙組元落壓推進(jìn)系統(tǒng)任務(wù)需求,雙組元離心式10 N發(fā)動(dòng)機(jī)工作入口壓力范圍為0.8～2.2 MPa。根據(jù)國(guó)內(nèi)外同類發(fā)動(dòng)機(jī)研制經(jīng)驗(yàn),由于發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力和混合比變化范圍大,可能在高工況時(shí)因溫度過(guò)高,材料耐熱裕度不足導(dǎo)致可靠性下降;在低工況時(shí)頭部流阻偏低,可能會(huì)與供給系統(tǒng)產(chǎn)生低頻共振,此外低流阻引起的霧化程度不足也可能導(dǎo)致推力輸出不穩(wěn)定[1-8]。即10 N發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況的偏差會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖、混合比、燃燒室壁溫等產(chǎn)生較大變化。為了獲得10 N發(fā)動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)入口壓力范圍內(nèi)的偏工況工作性能,開(kāi)展10 N發(fā)動(dòng)機(jī)偏工況試驗(yàn)研究。

本文通過(guò)采用專用小流量噴霧試驗(yàn)臺(tái)和42 km 高空模擬試驗(yàn)臺(tái),對(duì)10 N發(fā)動(dòng)機(jī)偏工況條件下的冷態(tài)性能及熱試性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,該型發(fā)動(dòng)機(jī)可以滿足較寬的入口壓力工況,額定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖為2 881 N·s/kg,入口壓力為0.6～2.5 MPa下,發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作61.8萬(wàn)次,累計(jì)工作時(shí)間32.7 h,發(fā)動(dòng)機(jī)性能及壽命均完全覆蓋使用要求。

1 國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品偏工況試驗(yàn)情況

歐洲EADS公司經(jīng)過(guò)改性設(shè)計(jì)的10 N發(fā)動(dòng)機(jī)(S10-18型),采用離心式噴注器,可在恒壓下或落壓下用于長(zhǎng)程穩(wěn)態(tài)工作和脈沖模式工作。推進(jìn)劑為N2O4、MON-1或MON-3/MMH,推力范圍6.0～12.5 N、在額定推力10 N、混合比1.65時(shí),真空比沖為2 844 N·s/kg,當(dāng)推力增加時(shí),真空比沖也增加(真空推力12.5 N時(shí),真空比沖達(dá)到了2 942 N·s/kg),該發(fā)動(dòng)機(jī)鑒定試驗(yàn)時(shí)單次最長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間15 h,累計(jì)點(diǎn)火時(shí)間70 h,脈沖工作100萬(wàn)次[1]。

英國(guó)Atlantic Research Coporation(ARC)用于衛(wèi)星位置保持的22 N發(fā)動(dòng)機(jī)(LEROS 20),采用無(wú)涂層的Pt/Rh合金,為了改善穩(wěn)態(tài)和脈沖工作性能,專門設(shè)計(jì)了噴注器,推進(jìn)劑選用MON-3/MMH組合,發(fā)動(dòng)機(jī)額定流量7.8 g/s,額定混合比1.65,燃燒室壓力0.888 MPa,穩(wěn)態(tài)比沖2 903 N·s/kg;室壓1.5 MPa下,推力27 N,比沖達(dá)2 962 N·s/kg。發(fā)動(dòng)機(jī)可適用于混合比1.0～2.1、供應(yīng)壓力0.96～2.76 MPa的偏工況[6,9]。

印度宇航研究組織的液體推進(jìn)系統(tǒng)中心(LPSC of ISRO)研制的10 N雙組元發(fā)動(dòng)機(jī),采用MON-3/MMH為推進(jìn)劑,離心式噴嘴結(jié)構(gòu),混合比1.65,額定工況真空比沖2 844 N·s/kg。隨著入口壓力的增加,霧化質(zhì)量更好,真空比沖也增加。真空推力從7～11 N時(shí),真空比沖增加近147 N·s/kg[2]。

美國(guó)Marquardt公司研制的R-53 8.9N發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑為N2O4/MMH,1對(duì)直流互擊式噴嘴和液膜輻射冷卻身部,邊區(qū)冷卻流量20%,身部為C103鈮合金及硅化物涂層,試驗(yàn)中在1 500 ℃工作溫度下,真空比沖2 893 N·s/kg,偏工況適應(yīng)真空推力范圍為8.5～9.3 N[3]。

北京控制工程研究所研制的10 N雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)采用的推進(jìn)劑為MON-1/MMH,額定工況下真空比沖2 844 N·s/kg,入口壓力適用0.9～2.0 MPa,對(duì)應(yīng)真空推力8～12 N[10]。

2 10 N發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案

10 N發(fā)動(dòng)機(jī)由推力室和兩只推進(jìn)劑控制閥通過(guò)緊固件、密封件連接組成,產(chǎn)品外形圖1所示。

圖1 雙組元離心式噴注器10 N發(fā)動(dòng)機(jī)外形Fig.1 Profile of a 10 N bipropellant thruster

推力室由切向進(jìn)口離心式噴注器頭部和單壁輻射冷卻身部組成。推力室身部由鈮合金基體噴涂并熔滲“056”高溫抗氧化涂層,身部的擴(kuò)張段采用Rao氏噴管型面,噴管面積比為100,整個(gè)身部整體加工,避免了由于焊接造成變形對(duì)推力矢量的影響。推進(jìn)劑控制閥采用獨(dú)立作動(dòng)式雙閥座雙密封方案,即閥腔內(nèi)采用兩套獨(dú)立的閥芯閥座,構(gòu)成兩道串聯(lián)的密封副,保證了長(zhǎng)期在軌密封可靠性。發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑為MON-1/MMH,額定入口壓力1.58 MPa、額定混合比1.65、額定真空推力10 N,額定工況真空比沖優(yōu)于2 881 N·s/kg[11],可以適應(yīng)入口壓力工況變化范圍為0.6～2.5 MPa。

離心式噴注器性能直接影響10 N發(fā)動(dòng)機(jī)性能[12-14],通過(guò)采用一組雙組元外混合離心式噴嘴,氧化劑和燃料在燃燒室壁面附近混合燃燒,突出優(yōu)點(diǎn)是具有兩層象傘一樣的液體推進(jìn)劑保護(hù)膜,有效防止燃燒火焰的輻射、傳導(dǎo)和燃?xì)饣亓?從而保護(hù)噴注器面[15]。

3 試驗(yàn)研究方案

3.1 冷流試驗(yàn)

通過(guò)專用小流量噴霧試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的霧化性能冷流試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)組成示意圖如圖2所示,包括模擬氧化劑和燃料供應(yīng)系統(tǒng)、流量和壓降測(cè)試系統(tǒng)、噴霧粒徑測(cè)試系統(tǒng)和集水系統(tǒng)等部分組成。模擬氧化劑和燃料供應(yīng)系統(tǒng)采用高純氮?dú)鈱?duì)去離子水增壓后供應(yīng);流量和壓降測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量不同推力工況對(duì)應(yīng)的流量條件下的模擬液通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的壓降,并通過(guò)攝像機(jī)獲得噴霧錐角,從而得到不同流量下的頭部壓降及噴霧錐角;噴霧粒徑測(cè)試系統(tǒng)中光學(xué)測(cè)量裝置為相位多普勒粒子分析儀(PDA),主要包括激光發(fā)生器、接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)、坐標(biāo)架及控制器等幾個(gè)部分,根據(jù)粒子通過(guò)激光光束時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)測(cè)粒徑[16-17]。

圖2 冷流實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成示意圖Fig.2 Sketchmap of cold flow test facility

試驗(yàn)臺(tái)供應(yīng)管路由不銹鋼制成,在與產(chǎn)品連接管路入口均設(shè)置過(guò)濾器,氧化劑路和燃料路在同一系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),流量的測(cè)量精度優(yōu)于0.5,壓強(qiáng)的測(cè)量精度優(yōu)于0.2。測(cè)定頭部氧化劑路和燃料路各工況對(duì)應(yīng)水當(dāng)量的壓降、噴霧扇完整情況、漩流穩(wěn)定情況及噴霧錐角、噴霧粒徑分布等。

此外,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)節(jié)流孔板調(diào)定后,進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)落壓工況下的冷流試驗(yàn),以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的混合比隨入口壓力變化情況。

3.2 高模試驗(yàn)

高空模擬熱試驗(yàn)在42 km高空模擬試車臺(tái)上進(jìn)行,采用10 N穩(wěn)態(tài)推力架,推力軸線方向垂直向下。高模試車程序主要包括額定工況及偏工況穩(wěn)態(tài)、脈沖性能程序。并針對(duì)在軌長(zhǎng)壽命工作需求,進(jìn)行了脈沖可靠性試車和長(zhǎng)程可靠性試車。

發(fā)動(dòng)機(jī)的主要測(cè)量參數(shù)有：真空推力(Fv)、氧化劑流量(qmo)、燃料流量(qmf)、燃燒室壓強(qiáng)(pc)、氧化劑進(jìn)口壓強(qiáng)(pio)、燃料進(jìn)口壓強(qiáng)(pif)。推力室高溫區(qū)為身部圓柱段和喉部,安裝兩個(gè)紅外溫度測(cè)點(diǎn)Tt、Tb,頭身焊縫處溫度用四個(gè)均布的熱電偶測(cè)試。其中,推力單位為N,流量單位為g/s,壓強(qiáng)單位為 MPa,溫度測(cè)量單位為 ℃。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 冷流試驗(yàn)

4.1.1 頭部噴注器冷試

噴霧邊界上最大體積通量所在點(diǎn)和噴嘴出口連線的夾角即為噴霧錐角,在試驗(yàn)壓力范圍內(nèi),推進(jìn)劑單路工作及兩路同時(shí)工作時(shí)均能保證噴霧扇完整、漩流穩(wěn)定;噴注器在推力工況偏低的條件下,噴霧錐角更小,隨著推力工況增加,冷試測(cè)得的噴嘴壓降和噴霧錐角相應(yīng)增大。典型噴霧錐角測(cè)試照片如圖3所示。

圖3 10 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部典型工況噴霧錐角Fig.3 Typical spray cone angle of a 10 N thruster

圖4 10 N發(fā)動(dòng)機(jī)頭部噴注器在不同推力工況對(duì)應(yīng)的流量下液霧SMD 沿徑向分布Fig.4 Radial distribution of SMD of a 10 N thruster at different thrust conditions

由圖4可見(jiàn),在噴注器中心軸線附近噴霧液滴的SMD 都很小,并沿徑向尺寸的增加而增加,在噴霧錐邊緣處達(dá)到最大,然后減小。隨著推力工況增加,噴霧液滴的SMD 明顯減小,霧化質(zhì)量更好。

4.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷試

10 N發(fā)動(dòng)機(jī)分別對(duì)每路入口壓力為2.537～0.560 MPa下的流量值和混合比進(jìn)行了測(cè)試,試驗(yàn)時(shí)氧化劑和燃料兩路入口壓力保持一致,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 10 N發(fā)動(dòng)機(jī)落壓冷試數(shù)據(jù)Tab.1 Cold test data of a 10 N thruster down pressure

由表1可見(jiàn),當(dāng)入口壓力從2.537 MPa落壓工作至0.560 MPa時(shí),混合比呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì),入口壓力2.537 MPa時(shí)混合比為1.648,入口壓力在2.116 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的混合比最大為1.664,入口壓力在0.643 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)混合比最小為1.626,入口壓力在額定1.578下,混合比為1.656;該變化趨勢(shì)與噴嘴的流量特性規(guī)律一致,可以滿足0.8～2.2 MPa入口壓力全過(guò)程平均混合比在1.65±0.05范圍內(nèi)。

4.2 高模試車

4.2.1 試車工況

高模試車主要針對(duì)氧燃兩路入口壓力同步從0.6 MPa逐步增加至2.5 MPa,此時(shí)相應(yīng)的真空推力從4.7 N逐步增大至14 N,混合比穩(wěn)定在約1.65。此外,試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)對(duì)氧燃兩路入口壓力不同步拉偏,獲得了真空推力分別在4.7 N，10 N，14 N時(shí),混合比為1.2和2.1的雙偏工況下的性能。實(shí)測(cè)入口壓力、混合比和真空推力的包絡(luò)范圍如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)工況包絡(luò)范圍Fig.5 Envelope range of test conditions

4.2.2 比沖性能

隨著入口壓力的提高,發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力隨之增大,由入口壓力0.6 MPa下的4.7 N增加到入口壓力2.5 MPa 下的14 N。不同入口壓力下真空推力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示,可見(jiàn)真空推力隨入口壓力基本呈線性變化,擬合公式為Fv=2.236 65+4.860 42×pio(相關(guān)系數(shù)R=0.991 32)。

發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖也隨著入口壓力的提高而增大,由入口壓力0.6 MPa 下4.7 N對(duì)應(yīng)的約2 600 N·s/kg 增加到入口壓力2.5 MPa 下14 N對(duì)應(yīng)的約2 956 N·s/kg。不同入口壓力下穩(wěn)態(tài)真空比沖Isv實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示,可見(jiàn)真空比沖隨入口壓力基本呈對(duì)數(shù)形態(tài)變化,擬合公式為Isv=2 873.529 2+125.937 2×ln(pio-0.480 28)(相關(guān)系數(shù)R=0.990 03)。結(jié)合冷流試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為,隨著入口壓力的提高,液霧粒徑更小、更均勻,即液滴霧化質(zhì)量更好,燃燒更充分,從而真空比沖也隨之顯著增加。

圖6 真空推力隨入口壓力的變化Fig.6 Variation of vacuum thrust with inlet pressure

圖7 真空比沖隨入口壓力的變化Fig.7 Variation of vacuum specific impulse with inlet pressure

發(fā)動(dòng)機(jī)額定入口壓力下,混合比為1.656;落壓試車過(guò)程中,兩路入口壓力同步變化,10 N發(fā)動(dòng)機(jī)混合比隨入口壓力變化情況如圖8所示。

圖8 混合比隨入口壓力的變化Fig.8 Variation of mixing ratio with inlet pressure

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)落壓工作時(shí),混合比先緩慢減小后急劇下降,入口壓力2.5～1.0 MPa,混合比為1.67～1.63;入口壓力1.0～0.6 MPa,混合比為1.63～1.44。對(duì)比冷流數(shù)據(jù)可見(jiàn),熱試車過(guò)程中在較低入口壓力下混合比變化比冷試結(jié)果減小更多,初步認(rèn)為此現(xiàn)象與推進(jìn)劑低壓下的密度、黏性等物理性質(zhì)與水存在一定差異,同時(shí)低壓下離心式噴嘴兩路的推進(jìn)劑流速均較低,且流動(dòng)狀態(tài)處于低雷諾數(shù)下流量系數(shù)急劇變化區(qū)間相關(guān),具體差異產(chǎn)生的量化機(jī)理分析尚需進(jìn)一步開(kāi)展研究。

4.2.3 溫度特性

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁溫隨著入口壓力的增大而增大,由0.6 MPa 入口壓力下4.7 N對(duì)應(yīng)的低于800 ℃增加到2.5 MPa 入口壓力下14 N對(duì)應(yīng)的約1 275 ℃。不同推力工況下的穩(wěn)態(tài)性能程序中燃燒室壁溫測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 燃燒室壁溫隨真空推力的變化Fig.9 Variation of combustor wall temperature with vacuum thrust

4.2.4 工作可靠性

發(fā)動(dòng)機(jī)兩路入口壓力相同,依次在2.2 MPa，2.0 MPa，1.8 MPa，1.7 MPa，1.6 MPa，1.5 MPa，1.4 MPa，1.2 MPa，1.0 MPa，0.8 MPa及0.6 MPa等11個(gè)不同入口壓力工況下各進(jìn)行50 000次脈沖及10 000 s長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)程序的偏工況工作可靠性考核熱試車。

在考核的各工況下10 000 s長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)程序工作過(guò)程中,入口壓力2.2 MPa時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁溫最高,該工況下點(diǎn)火全程壁溫曲線見(jiàn)圖10,喉部壁溫約1 200 ℃,身部壁溫約1 100 ℃。

圖10 入口壓力2.2 MPa長(zhǎng)程工作燃燒室壁溫曲線Fig.10 Combustor wall temperature under long-time operation with inlet pressure of 2.2 MPa

試驗(yàn)結(jié)果表明,各偏工況長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)程序工作過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁溫均得到了有效控制,遠(yuǎn)低于當(dāng)前成熟鈮合金材料抗高溫氧化涂層長(zhǎng)壽命許用溫度(1 450 ℃)[19-20]。最終10 N發(fā)動(dòng)機(jī)順利完成了61.8萬(wàn)次脈沖和累計(jì)32.7 h穩(wěn)態(tài)程序,表明該發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的在軌長(zhǎng)壽命工作特性。

5 結(jié)論

通過(guò)采用專用小流量噴霧試驗(yàn)臺(tái)和42 km高空模擬試驗(yàn)臺(tái),對(duì)10 N發(fā)動(dòng)機(jī)偏工況條件下的冷態(tài)性能、熱試性能及工作可靠性進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)論如下：

1)10 N發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的落壓工作能力,入口壓力從2.5 MPa到0.6 MPa,對(duì)應(yīng)真空推力從14 N到4.7 N,落壓比達(dá)到3。

2)在試驗(yàn)入口壓力范圍內(nèi),隨著入口壓力的增大發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖也增大,由入口壓力0.6 MPa 下2 600 N·s/kg 增加到入口壓力2.5 MPa 下2 956 N·s/kg,1.58 MPa額定入口壓力下真空比沖2 881 N·s/kg以上,達(dá)到國(guó)際上同類發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖性能水平。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)偏工況條件下燃燒室壁溫控制在遠(yuǎn)低于燃燒室材料許用溫度范圍內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性高,可滿足雙組元落壓推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命需求。