陳銳達,劉昌國,關(guān) 亮

(1.上海空間推進研究所, 上海 201112;2.上海空間發(fā)動機工程技術(shù)研究中心, 上海 201112)

0 引言

深空探測器推進系統(tǒng)的質(zhì)量和體積是影響其成本和效率的重要指標。變推力液體火箭發(fā)動機可用于行星入軌和下降、空間交會、軌道機動、彈道導(dǎo)彈防御軌跡控制以及行星著陸期間的懸停和避障,持續(xù)地改變推力可以減少任務(wù)需求的推進劑總量,因而可以減輕探測器自身重量[1]。相比傳統(tǒng)雙組元變推力推進系統(tǒng),無水肼單組元變推力推進系統(tǒng)排氣中僅有少量的碳和水存在,排氣溫度低,而且可對整個推進系統(tǒng)加熱滅菌,減小對著陸區(qū)域土壤生物的破壞[2],因此可以用于行星生命探測任務(wù)。其中,單組元變推力發(fā)動機是整個推進系統(tǒng)的核心部件,其工作性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

1937年11月,德國Heinkel He 112飛機在飛行過程中使用了由Hellmuth Walter設(shè)計制造的TP-1 (Turbopump-1)火箭發(fā)動機,將80%濃度的過氧化氫溶液壓入燃燒室,并與催化劑(高錳酸鈉或高錳酸鈣水溶液)混合,控制先導(dǎo)式活塞氣動調(diào)節(jié)過氧化氫溶液進入燃燒室,成功實現(xiàn)了變推力[3],這是第一臺實現(xiàn)節(jié)流的單組元火箭發(fā)動機,最大推力為980 N,節(jié)流量未知[4-5]。

工程飛行應(yīng)用方面,僅美國為火星軟著陸研制了單組元變推力發(fā)動機。Rocket Research公司(現(xiàn)屬于Aerojet Redmond)研制了MR-80單組元變推力發(fā)動機,成功應(yīng)用于“海盜”號火星著陸器下降級推進系統(tǒng)[6-9],Aerojet公司在此基礎(chǔ)上改進設(shè)計了MR-80B單組元變推力發(fā)動機,成功應(yīng)用于“好奇”號下降級推進系統(tǒng)[10-13]。下降級推進系統(tǒng)為著陸器提供姿態(tài)控制、減速和懸停的推力。

本文主要介紹國外單組元變推力發(fā)動機在“海盜”號和“好奇”號火星著陸器下降級推進系統(tǒng)中的飛行應(yīng)用,并闡釋了單組元變推力發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理,總結(jié)了研制和改進過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 單組元變推力發(fā)動機應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 “海盜”號下降級推進系統(tǒng)

上世紀60～70年代美國開展了“海盜”號火星探測計劃,“海盜”一號于1975年8月20日發(fā)射,“海盜”二號于1975年9月9日發(fā)射,分別于7月20日和9月3日軟著陸于火星Chryse盆地旁[14]。

“海盜”號探測器均由軌道器和著陸器組成,著陸器由巡航級和下降級組成,巡航級和下降級均為無水肼單組元推進系統(tǒng),僅下降級推進系統(tǒng)采用了MR-80單組元變推力發(fā)動機[15],如圖1所示。3臺變推力發(fā)動機安裝于著陸器三角形基座的長邊,呈120°均布。由于“海盜”號探測器采用反沖制動和著陸緩沖支架的軟著陸方式,為了減少對火星表面灰塵的擾動和著陸區(qū)域的侵蝕、減小對著陸器上攝像機等其他設(shè)備的影響,MR-80發(fā)動機采用18個獨立噴管[16-17],每3個1組,分為6組,如圖2所示。在排氣羽流膨脹不足的情況下,沖擊的相互作用極大地消散了軸向羽流[18]。

圖1 “海盜”號著陸器下降級推進系統(tǒng)Fig.1 “Viking” lander descent stage propulsion system

圖2 MR-80發(fā)動機多噴管結(jié)構(gòu)Fig.2 Multiple nozzle configuration of MR-80 engine

1.2 “好奇”號下降級推進系統(tǒng)

2009年NASA實施了“火星科學(xué)實驗室”計劃,“好奇”號探測器于2011年11月26日發(fā)射,并于2012年8月6日軟著陸于火星蓋爾隕石坑。

基于“海盜”號著陸器下降級設(shè)計,“好奇”號下降級也采用了無水肼單組元變推力推進系統(tǒng)[19],主要由2個高壓氦氣瓶、3個推進劑貯箱、8臺單組元變推力發(fā)動機、8臺單組元250 N姿控發(fā)動機、1個壓力控制組件和3個推進劑控制組件組成,結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,單組元250 N發(fā)動機僅用于巡航級分離后和大氣進入階段的姿態(tài)控制,單組元變推力發(fā)動機用于動力減速和著陸階段的三軸姿態(tài)控制、減速和懸停。

圖3 “好奇”號下降級推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic of “Curiosity” descent stage propulsion system

組裝中的“好奇”號下降級推進系統(tǒng)如圖4所示,在2001年NASA設(shè)立的“火星焦點技術(shù)項目”的支持下[20],噴氣推進實驗室設(shè)計了MR-80B單組元變推力發(fā)動機。另外,為適應(yīng)大流量變比的工作要求,各個研制單位進行了新型Moog節(jié)流閥[21]、大流量壓力調(diào)節(jié)器[22]、輕質(zhì)大流量過濾器、大流量常閉Y型電爆閥[23]、鈦合金金屬膜片(AFE-322)貯箱、復(fù)合材料氣瓶、雙金屬(鈦-不銹鋼)過渡管制造[24]等一系列技術(shù)改進和驗證。

圖4 組裝中的“好奇”號下降級推進系統(tǒng)Fig.4 Structure of “Curiosity” propulsion systemunder integration

2 單組元變推力發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)

單組元發(fā)動機工作時,推進劑由噴注器進入催化床,經(jīng)催化分解為高溫燃氣,高溫的混合氣體經(jīng)噴管膨脹產(chǎn)生推力[25-30]。MR-80和MR-80B單組元變推力發(fā)動機為了實現(xiàn)大推力化設(shè)計和大流量變比范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,攻克了徑向雙層夾套催化床設(shè)計、徑向噴注器設(shè)計、流量穩(wěn)定調(diào)節(jié)技術(shù)、催化床空穴控制等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 徑向雙層夾套催化床設(shè)計

推力室中的催化床是用來承載催化劑的,床載荷是其設(shè)計中一個非常重要的參數(shù),指單位時間內(nèi)通過催化床單位橫截面積的推進劑流量。床載荷過大會增加催化床流阻,增加催化劑破損率,縮短發(fā)動機工作壽命。常規(guī)1～1 000 N單組元推力室采用軸向流動催化床結(jié)構(gòu),由于床載荷限制,隨著推力增加,催化床直徑急劇增加,結(jié)構(gòu)效率降低[31]。

MR-80發(fā)動機采用了徑向雙層夾套催化床設(shè)計,如圖5所示。由于增大了橫截面積,徑向催化床在相同的結(jié)構(gòu)尺寸下可以有效降低床載荷,減小催化劑破損率,最大床載荷為4.926 g/cm2·s。徑向采用夾套設(shè)計,發(fā)動機中心鏤空,有效降低了結(jié)構(gòu)重量,改善了發(fā)動機工作過程中噴注面溫度過高等問題[32-34]。而且,徑向結(jié)構(gòu)存在大量的增壓空間,可為18個噴管入口提供更均勻的壓力分布。

圖5 MR-80單組元發(fā)動機Fig.5 MR-80 monopropellant engine

為了保持催化劑,催化床圓柱筒上包有網(wǎng)。推進劑進入節(jié)流閥并通過多層燒結(jié)網(wǎng)制成的多孔材料噴注器流向催化床,然后經(jīng)過25～30目的Shell-405催化前床和14～18目的LCH-101催化后床噴出。催化劑是組成催化床的主體部分,前床Shell-405為含銥量31.4%的自發(fā)型催化劑,試車前比表面積(單位質(zhì)量催化劑具有的面積)為133 m2/g,孔容(單位質(zhì)量催化劑具有的內(nèi)孔容積)為0.12 cm3/g,裝填密度為1.61 g/cm3;載體是三結(jié)晶水氧化鋁,比表面積為258 m2/g,孔容為0.22 cm3/g,載體的比表面積和孔容越大,則催化劑的比表面積越大。

催化劑的活性主要取決于活性金屬銥的活性高低和催化劑的比表面積大小,活性越好,催化效率越高,保證催化劑快速分解,提高啟動加速性、關(guān)閉減速性等性能,而且床內(nèi)不易因產(chǎn)生積液而引起不均勻分解。前床Shell-405催化劑顆粒較細,具有較大的流阻,起到抑制壓力脈動的作用;后床LCH-101催化劑活性較低,顆粒較粗,可以減少催化床壓降、穩(wěn)定室壓并降低成本[35-36],催化床流阻為0.48～0.62 MPa。

在MR-80發(fā)動機的設(shè)計基礎(chǔ)上,Aerojet公司研制了MR-80B單組元變推力發(fā)動機[37-38],兩者結(jié)構(gòu)對比如圖6所示。MR-80B發(fā)動機采用了單噴管簡化設(shè)計,并應(yīng)用了Moog節(jié)流閥和單段隔熱罩。催化床方面采用了激光打孔,提高了加工精度和質(zhì)量,前床采用新型S-405催化劑,具有更大的裝填密度,床層孔隙率降低[39-41],但是床層更容易受到細粉堵塞,導(dǎo)致催化床流阻增加,推進劑損耗增大,催化劑粒子形狀和尺寸分布會對細粉堵塞的敏感性產(chǎn)生重大影響,因此改進了S-405的制造工藝,嚴格控制工藝參數(shù),如載體將氧化金屬還原為活性態(tài)過程中的溫度和氣流、剩余溶液殘留銥含量等[42-43]。

圖6 MR-80和MR-80B發(fā)動機對比Fig.6 Comparison of MR-80 and MR-80B engine

MR-80B發(fā)動機點火熱試車如圖7所示。試驗中發(fā)現(xiàn)推進劑溫度對催化床壽命有非常顯著的影響[44],推進劑為氣態(tài)時,流阻小,單位時間內(nèi)與催化劑的接觸面積增大,且能均勻地與催化劑接觸,因而催化分解速度加快;推進劑或者催化床溫度低,催化分解速度慢,一部分推進劑以液相與催化劑接觸。由于毛細作用,液態(tài)推進劑滲入催化劑粒子內(nèi)部的微孔中,分解為氣體膨脹升壓,在粒子內(nèi)外產(chǎn)生很大的壓力梯度,當(dāng)壓力超過催化劑粒子強度時,粒子便爆炸破碎,使得催化床孔隙率減小,床流阻隨之增加,催化床壓降上升速率加快,而且催化分解不均勻,嚴重影響發(fā)動機的性能和工作壽命[45-50]。因此,飛行任務(wù)要求發(fā)動機點火時推進劑的溫度控制在25 ℃以上,并增加一個冗余的催化床加熱器,在30 V提供6.3 W加熱功率。

圖7 MR-80B發(fā)動機點火試車Fig.7 Hot fire test of MR-80B engine

2.2 徑向噴注器設(shè)計

噴注器是推力室組件中十分重要的元件,為滿足推進劑徑向均勻噴注要求,MR-80發(fā)動機噴注器沿推力室軸向布置,如圖8所示。推進劑通過輸運管路經(jīng)由徑向6個噴注器支路元件進入噴注器通道,進行流量的初分配,然后結(jié)合合理的流道截面設(shè)計,保證不同流量推進劑在流動過程中的均勻分配,經(jīng)由多孔材料噴注器形成均勻的液滴噴注,保證推進劑與催化劑均勻接觸和穩(wěn)定分解。

圖8 MR-80發(fā)動機徑向噴注器Fig.8 Radial injector of MR-80 engine

噴注器壓降是關(guān)鍵設(shè)計參數(shù),壓降過低會導(dǎo)致推力室工作不穩(wěn)定,室壓粗糙度增加并易產(chǎn)生低頻振蕩,因此噴注器壓降應(yīng)在可允許范圍內(nèi)高一點,而對于單組元變推力發(fā)動機,噴注器壓降應(yīng)相對更高一點,才能保證發(fā)動機在低工況下穩(wěn)定工作[51]。

2.3 流量穩(wěn)定調(diào)節(jié)技術(shù)

MR-80單組元變推力發(fā)動機通過調(diào)節(jié)流量的方式實現(xiàn)變推力,采用Montek節(jié)流閥,通過線性可變差動變壓器監(jiān)控針栓位置,扭矩電機和滾珠絲杠驅(qū)動器線性移動針栓控制節(jié)流閥流孔面積,改變推進劑的流量,可實現(xiàn)275～2 835 N變推力調(diào)節(jié),推力變比為10∶1,比沖為205 s。

在MR-80的基礎(chǔ)上,MR-80B發(fā)動機采用了Moog公司設(shè)計和制造的新型節(jié)流閥控制流量大范圍變比穩(wěn)定調(diào)節(jié),外形結(jié)構(gòu)和控制原理如圖9所示。Moog節(jié)流閥的顯著特點是汽蝕文氏管設(shè)計,推進劑在喉部發(fā)生汽蝕,并在下游恢復(fù)壓力,使得流量不受催化床壓降的影響,僅與針栓位置和入口壓力有關(guān),可提供精準的節(jié)流控制;同時,有效避免了下游的壓力擾動傳遞到供給系統(tǒng)。閥體和針栓的外形輪廓對下游壓力的恢復(fù)程度至關(guān)重要[21]。

圖9 Moog節(jié)流閥Fig.9 Moog throttle valve

通過控制針栓的移動,推進劑流量在0.015～1.5 kg/s內(nèi)大范圍變化,MR-80B發(fā)動機可產(chǎn)生31～3 603 N的真空推力,推力變比提高至100∶1,比沖范圍為204～223 s,允許推進劑入口壓力變化范圍為4.14～5.24 MPa,兩者主要技術(shù)指標對比如表1所示。

表1 MR-80B與MR-80發(fā)動機技術(shù)指標對比

Tab.1 Comparison of MR-80B and MR-80engine technical parameters

技術(shù)指標MR-80BMR-80推力/N31～3 603275～2 835推力變比100∶110∶1比沖/s204～223205催化劑前床25～30目S-405后床14～18目LCH-101前床25～30目Shell-405后床14～18目LCH-101質(zhì)量/kg97.67響應(yīng)時間/ms5080允許入口壓力/MPa4.14～5.241.65～3.31推進劑肼肼噴管個數(shù)118應(yīng)用“好奇”號“海盜”一號、“海盜”二號

2.4 催化床空穴控制技術(shù)

由于催化劑損耗等原因,催化床常產(chǎn)生空穴,床下游的空穴對性能影響很小,而床上游空穴的存在使催化床易產(chǎn)生積液而出現(xiàn)爆燃式分解。當(dāng)催化劑損失超過10%時,會出現(xiàn)大的壓力脈動[51]。

MR-80發(fā)動機在催化床內(nèi)放置了隔網(wǎng),有效防止了空穴在前后床之間的游動,并采用了多孔材料噴注器,其覆蓋面積大,局部流強小,噴射速度相對較低,因而催化劑損耗小,前床不易產(chǎn)生空穴。但是,MR-80發(fā)動機在進行水平試驗啟動過程中由于催化劑的局部熱膨脹差異以及催化床壓降作用導(dǎo)致床層破壞、再分布,最終形成了空穴,引起壓力突然漂移和床層的進一步破壞[52]。

MR-80發(fā)動機進行垂直和水平試驗時空穴形成過程如圖10所示。垂直試驗時由于空穴在催化床冷端形成,造成的室壓粗糙度較小,而進行水平試驗時,空穴在催化床熱端形成,導(dǎo)致積液腔容積過大,熱分解時出現(xiàn)大的壓力脈動。后續(xù)對其進行了改進設(shè)計,當(dāng)裝有催化劑的金屬圓柱筒隨著溫度的升高而徑向膨脹時,通過凸輪或斜坡作用以保持與噴注器的緊密接觸,從而消除了空穴,并通過了試驗驗證。

圖10 催化床空穴形成Fig.10 Catalyst bed void formation

3 結(jié)語

單組元變推力發(fā)動機的研制是單組元變推力推進系統(tǒng)應(yīng)用首要解決的問題。國外單組元變推力發(fā)動機成功完成了“海盜”號和“好奇”號著陸器在火星表面的軟著陸任務(wù),代表其單組元變推力技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟。

我國在發(fā)展單組元變推力技術(shù)時,可以合理借鑒徑向雙層夾套催化床設(shè)計、徑向噴注器支路、多孔材料噴注器和汽蝕文氏管調(diào)節(jié)等技術(shù)方案。另外,大推力化和大推力變比對單組元變推力發(fā)動機的設(shè)計和推進系統(tǒng)的變推力控制和調(diào)節(jié)都提出了更高的要求,制造和工藝水平的提高對設(shè)計優(yōu)化有很大的促進作用,應(yīng)充分利用先進的加工方法和設(shè)計理念,從設(shè)計方法、技術(shù)方案、催化劑選型、生產(chǎn)工藝、試驗驗證等方面綜合考慮,從而實現(xiàn)變推力。