黃 兵，李 東，張樹杰，于子文

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

引 言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種噴氣推進(jìn)裝置，比沖是衡量其推進(jìn)性能的重要指標(biāo)[1]。而推進(jìn)劑的能量特性是決定比沖的重要因素?；诖?，高能量的液氫、液氧低溫推進(jìn)劑被國(guó)內(nèi)外主流的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所采用[2]，其推進(jìn)劑組合或采用液氫/液氧，如美國(guó)的RS68、日本的LE-7A、LE-5B、中國(guó)的YF-75D、YF-77，或采用液氧/煤油，如美國(guó)的“阿特拉斯”（Atlas）RD-180、俄羅斯“安加拉”（Angara）RD-191、RD-170、中國(guó)的YF-100、YF-115。

低溫發(fā)動(dòng)機(jī)由于低溫特性也帶來(lái)了許多獨(dú)特的維護(hù)和使用問(wèn)題[3]。低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其增壓輸送系統(tǒng)進(jìn)行充分預(yù)冷。如不預(yù)冷，或預(yù)冷不充分，管路及泵組件的溫度就要比液體推進(jìn)劑的溫度高很多，這樣，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，推進(jìn)劑就會(huì)以氣相或氣、液兩相混合流體的狀態(tài)進(jìn)入管路和泵等組件。發(fā)動(dòng)機(jī)和泵在這種條件下不能正常工作，會(huì)引起泵的氣蝕、飛轉(zhuǎn)，或延長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間和推力爬升時(shí)間，導(dǎo)致壓力和流量的波動(dòng)、失速運(yùn)行、富氧燃燒等現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至可以使起動(dòng)完全失敗。國(guó)內(nèi)外目前對(duì)于低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前的預(yù)冷方式主要采用浸泡預(yù)冷、排放預(yù)冷和循環(huán)預(yù)冷3種[4]。其中，循環(huán)預(yù)冷又分為自然循環(huán)預(yù)冷和強(qiáng)迫循環(huán)預(yù)冷。

低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷方式很大程度上決定了一枚火箭射前操作程序的復(fù)雜性和推遲發(fā)射的適應(yīng)性，具體選擇哪一種預(yù)冷方式需要綜合考慮。本文首先介紹了3種預(yù)冷方式的優(yōu)缺點(diǎn)，然后基于AMESim的兩相流庫(kù)[5]建立了一個(gè)氫循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)，對(duì)影響預(yù)冷的3個(gè)因素進(jìn)行研究，揭示其對(duì)預(yù)冷的影響規(guī)律，為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 3種預(yù)冷方式比較

3種預(yù)冷系統(tǒng)原理圖如圖1所示。浸泡預(yù)冷的系統(tǒng)原理圖如圖1（a）所示，低溫推進(jìn)劑沿輸送管進(jìn)入低溫渦輪泵，泵后低溫閥處于關(guān)閉狀態(tài)，低溫推進(jìn)劑在輸送管和低溫泵構(gòu)成的半封閉空間中產(chǎn)生局部自然對(duì)流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪泵的冷卻。由于受外界因素影響較大，浸泡預(yù)冷是一種被動(dòng)預(yù)冷方式，也因此而很少應(yīng)用。如圖1（b）所示，排放預(yù)冷[6]是通過(guò)排放低溫推進(jìn)劑對(duì)渦輪泵系統(tǒng)進(jìn)行冷卻的一種方式，與浸泡預(yù)冷的最大不同是低溫推進(jìn)劑流過(guò)低溫泵后排出，根據(jù)使用的驅(qū)動(dòng)力可分為依靠自身液位高度的自流預(yù)冷和依靠外加壓力的增壓排放預(yù)冷。前者是一種被動(dòng)預(yù)冷，貯箱與外界大氣相通為常壓，受系統(tǒng)特性、外界條件等因素影響較大；后者為主動(dòng)預(yù)冷方式，貯箱排氣閥關(guān)閉，通過(guò)地面供氣系統(tǒng)主動(dòng)給貯箱增壓，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但對(duì)射前流程和推進(jìn)劑消耗量影響比較大。循環(huán)預(yù)冷[7-8]可分為自然循環(huán)預(yù)冷和強(qiáng)迫循環(huán)預(yù)冷，是根據(jù)需要在泵后設(shè)置預(yù)冷管路，使之形成預(yù)冷循環(huán)回路，從而達(dá)到預(yù)冷要求的一種方式。與排放預(yù)冷最大的不同在于循環(huán)預(yù)冷中冷卻低溫泵后的推進(jìn)劑最終經(jīng)過(guò)回流閥回到貯箱，而排放預(yù)冷中推進(jìn)劑冷卻低溫泵后直接排到外界。自然循環(huán)預(yù)冷是通過(guò)外界漏熱導(dǎo)致的低溫推進(jìn)劑密度差形成循環(huán)回流，其流動(dòng)特性由外界條件和系統(tǒng)管路特性所決定，屬于被動(dòng)預(yù)冷方式。強(qiáng)迫循環(huán)預(yù)冷在回流路或者入口管路上設(shè)置動(dòng)力裝置，如氣體注入裝置或者循環(huán)泵，通過(guò)外能源輸入強(qiáng)迫系統(tǒng)內(nèi)形成循環(huán)流動(dòng)，是一種主動(dòng)預(yù)冷方式。氣體注入主要是通過(guò)注入的高速氣體與推進(jìn)劑發(fā)生動(dòng)量交換，產(chǎn)生引射作用從而加速預(yù)冷回路的流動(dòng)，因此這種預(yù)冷方式叫做引射循環(huán)預(yù)冷。循環(huán)泵主要是通過(guò)提高預(yù)冷推進(jìn)劑的壓力從而加速預(yù)冷回路的流動(dòng)。需要說(shuō)明的是，一方面循環(huán)泵方案中系統(tǒng)的流量主要由循環(huán)泵特性來(lái)實(shí)現(xiàn)和保證，其受外界變化的影響較小，相對(duì)實(shí)現(xiàn)較為容易，而另一方面由于循環(huán)泵需要設(shè)置外能源，且裝置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，除了液氫系統(tǒng)外，其余低溫推進(jìn)劑較少應(yīng)用。

對(duì)3種預(yù)冷方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，如表1所示。由于浸泡預(yù)冷一般發(fā)動(dòng)機(jī)很難適應(yīng)，因此其應(yīng)用可行性最小，但一旦滿足，其在各方面都具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于排放預(yù)冷，除增加了箭上系統(tǒng)復(fù)雜程度外，循環(huán)預(yù)冷都具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。從世界主要運(yùn)載火箭的預(yù)冷方式（表2）也可以看出循環(huán)預(yù)冷的應(yīng)用較為廣泛。

表1 3種預(yù)冷方式的比較Table 1 Comparison of three precooling methods

表2 世界主要運(yùn)載火箭預(yù)冷方式Table 2 Precooling methods of rockets worldwide

2 氫循環(huán)預(yù)冷仿真分析

低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由于技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，射前流程和操作一般都較為復(fù)雜，尤其對(duì)于大推力液體運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)，預(yù)冷方式對(duì)射前流程的影響和對(duì)推遲發(fā)射的適應(yīng)性至關(guān)重要，因此，一般都選擇循環(huán)預(yù)冷方式。本文對(duì)氫系統(tǒng)在循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)下的強(qiáng)迫循環(huán)預(yù)冷進(jìn)行仿真研究。

2.1 管路流動(dòng)均相流模型

循環(huán)預(yù)冷的本質(zhì)是通過(guò)充分利用低溫推進(jìn)劑的氣化潛熱來(lái)最大程度地減少對(duì)推進(jìn)劑的消耗量，因此，循環(huán)預(yù)冷過(guò)程中將始終伴隨著兩相流動(dòng)狀態(tài)。

在20世紀(jì)50—60年代，人們提出一些計(jì)算和分析兩相流動(dòng)的模型，主要有均相模型、分相模型和滑移流模型。均相模型是兩相流分析模型中最簡(jiǎn)單的一種，把兩相看作均勻混合體，只關(guān)注平均參數(shù)，不考慮兩相分界面上的不連續(xù)性。該方法在前期開展的低溫液體火箭循環(huán)預(yù)冷研究中得到了成功應(yīng)用和驗(yàn)證[4,9]，在本文的研究中也采用均相模型。

2.2 系統(tǒng)模型

通過(guò)圖1中的循環(huán)泵強(qiáng)迫循環(huán)原理圖可以看出，預(yù)冷用液氫取自貯箱，自箱底流出經(jīng)過(guò)一臺(tái)循環(huán)泵后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔，分為兩支：一支經(jīng)過(guò)氫泵、副系統(tǒng)的預(yù)冷泄出閥，稱為主預(yù)冷路；另一支經(jīng)過(guò)渦輪泵內(nèi)腔流道對(duì)軸承進(jìn)行冷卻，最后經(jīng)由軸承冷泄閥與主預(yù)冷路匯集，經(jīng)由回流閥而回到貯箱。在氫泵中通過(guò)使氦隔離密封腔維持一定的壓力阻斷液氫經(jīng)渦輪腔流出發(fā)動(dòng)機(jī)外，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全。結(jié)合強(qiáng)迫循環(huán)預(yù)冷的基本特性，采用AMESim兩相流庫(kù)[5]，以循環(huán)泵提供流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力建立了如圖2所示的循環(huán)泵強(qiáng)迫循環(huán)預(yù)冷仿真系統(tǒng)模型，推進(jìn)劑選擇為液氫。

圖2 基于AMESim的氫循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)模型Fig. 2 Hydrogen circulation pre-cooling system based on AMESim

需要特別指出的是，AMESim自帶的兩相流庫(kù)只能夠?qū)崿F(xiàn)同種物質(zhì)不同相態(tài)之間的仿真分析，為了解決地面吹除氦氣吹除進(jìn)入軸承冷泄路后的流動(dòng)等效問(wèn)題，根據(jù)文獻(xiàn)[10]提出的利用不同氣體之間的質(zhì)量流量近似等效關(guān)系方法，將實(shí)際中的地面常溫氦氣吹除改為常溫氫氣吹除，即在同樣的溫度和壓力下，氫氣的密度為氦氣密度的二分之一，在兩相流等效處理中等效氫氣的質(zhì)量流量應(yīng)設(shè)置為氦氣的二分之一。

2.3 循環(huán)泵模型

循環(huán)泵是一種離心泵，泵特性采用Suter模型，揚(yáng)程函數(shù)WH和扭矩函數(shù)WT如下

其中：h為無(wú)量綱的揚(yáng)程；v為無(wú)量綱的體積流量；α為無(wú)量綱轉(zhuǎn)速；β為無(wú)量綱扭矩。計(jì)算式如下

3 結(jié)果與討論

發(fā)動(dòng)機(jī)完全預(yù)冷的條件一般為氫渦輪泵軸承壁溫降到設(shè)計(jì)值以下，這就需要軸承冷泄路通過(guò)足夠的冷卻介質(zhì)，能夠帶走氫渦輪泵的漏熱，因此，氫軸承冷泄路的流量對(duì)于預(yù)冷至關(guān)重要。通過(guò)分析循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)的特性可知，影響氫軸承冷泄路流量的因素有3個(gè)，分別是貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離密封腔壓力。下面將對(duì)這3個(gè)因素對(duì)循環(huán)預(yù)冷的影響進(jìn)行分析。分析方法為設(shè)置兩個(gè)因素為額定工況，分別對(duì)第3個(gè)因素在低工況、高工況下相對(duì)額定工況的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。各工況條件具體如表3所示。在各工況的數(shù)值模擬中，貯箱液氫溫度都設(shè)為21 K，各管路中填充21 K液氫，貯箱液柱高度都設(shè)為15 m，環(huán)境溫度設(shè)為298 K，地面吹除氣體溫度設(shè)為298 K。

表3 各工況具體條件Table 3 Detailed conditions in simulation

3.1 額定工況

選取貯箱氣枕壓力0.15 MPa、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速10 000 rpm和氦隔離密封腔壓力0.5 MPa的額定工況進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果如圖3～6所示。從仿真結(jié)果可以看出，隨著循環(huán)泵在0 s起動(dòng)，經(jīng)過(guò)約0.5 s后，整個(gè)氫預(yù)冷系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，之后循環(huán)泵的揚(yáng)程和流量保持穩(wěn)定，循環(huán)泵工作狀態(tài)良好。從圖5和圖6可以看出，在循環(huán)泵穩(wěn)定之前，循環(huán)泵出口壓力較低時(shí)，地面吹除氣體會(huì)進(jìn)入上游，造成初始階段軸承冷泄路含氣率明顯突增，由于地面吹除氣體為常溫，所以也伴隨溫度升高，此后循環(huán)泵出口壓力增大到抑制地面吹除氣體向上游擴(kuò)散，含氣率降為0，軸承冷泄路入口全部變?yōu)橐簹?；但是軸承冷泄路的出口一直含氣，溫度約為21.6 K。這正確反映了循環(huán)泵和地面吹除供氣的調(diào)節(jié)匹配過(guò)程。

圖3 循環(huán)泵出口壓力和入口壓力曲線Fig. 3 Outlet pressure and inlet pressure of circulating pump curve

圖4 各流道流量曲線Fig. 4 Mass flow rate of flowing routes curve

圖5 軸承冷泄路入口溫度和含氣率Fig. 5 Inlet temperature and gas mass fraction of bearing route

圖6 軸承冷泄路出口溫度和含氣率Fig. 6 Outlet temperature and gas mass fraction of bearing route

3.2 貯箱氣枕壓力

循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離密封腔壓力設(shè)為額定工況，分別對(duì)貯箱氣枕壓力在低工況、額定工況和高工況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7～11所示。隨著貯箱氣枕壓力的升高，循環(huán)泵的入口壓力升高，流量增大，盡管出口壓力升高，但是揚(yáng)程降低，變化規(guī)律符合泵的揚(yáng)程–流量曲線，具體結(jié)果如表4所示。由于主預(yù)冷路上游為循環(huán)泵，下游為貯箱，所有主預(yù)冷路的流量取決于循環(huán)泵的揚(yáng)程，循環(huán)泵的揚(yáng)程越大，主預(yù)冷路的流量越大，具體如圖9所示。軸承冷泄路上游為循環(huán)泵，中間受氦隔離密封腔壓力的抑制影響，因此軸承冷泄路的流量與循環(huán)泵的出口壓力和氦隔離密封腔的壓差有關(guān)系，在氦隔離密封腔壓力保持不變時(shí)，軸承冷泄路的流量與循環(huán)泵的出口壓力正相關(guān)，如圖10所示。因此，提高循環(huán)泵的出口壓力有利于達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷好條件。與此同時(shí)，貯箱氣枕壓力升高，循環(huán)泵的出口壓力升高，氦隔離密封腔與泵出口壓差減小，導(dǎo)致吹除氣體的流量減小。

圖7 循環(huán)泵流量曲線Fig. 7 Flow rate of circulating pump curve

圖8 循環(huán)泵出口壓力曲線Fig. 8 Outlet pressure of circulating pump curve

圖9 主預(yù)冷路流量曲線Fig. 9 Flow rate of main precooling circuit curve

圖10 軸承冷泄路流量曲線Fig. 10 Flow rate used to cool the bearing curve

圖11 吹除氣體流量曲線Fig. 11 Flow rate of gas for blowing curve

表4 循環(huán)泵揚(yáng)程特性Table 4 Head characteristics of circulating pump

3.3 循環(huán)泵轉(zhuǎn)速

貯箱氣枕壓力和氦隔離腔壓力設(shè)為額定工況，分別對(duì)循環(huán)泵在低轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖12～16所示。隨著循環(huán)泵轉(zhuǎn)速提高，循環(huán)泵的出口壓力、揚(yáng)程以及流量都會(huì)提高。如前所述，主預(yù)冷路的流量取決于循環(huán)泵的揚(yáng)程。轉(zhuǎn)速高、揚(yáng)程大導(dǎo)致主預(yù)冷路的流量增大。軸承冷泄路的流量取決于循環(huán)泵的出口壓力和氦隔離密封腔的壓差。在氦隔離密封腔壓力保持不變的條件下，轉(zhuǎn)速高、出口壓力大導(dǎo)致軸承冷泄路的流量大，有利于達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷好的條件。相應(yīng)地，由于轉(zhuǎn)速高、循環(huán)泵出口壓力大，因此吹除氣體流量與循環(huán)泵轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)。

圖12 循環(huán)泵流量曲線Fig. 12 Flow rate of circulating pump curve

圖13 循環(huán)泵出口壓力曲線Fig. 13 Outlet pressure of circulating pump curve

圖14 主預(yù)冷路流量曲線Fig. 14 Flow rate of main precooling circuit curve

圖15 軸承冷泄路流量曲線Fig. 15 Flow rate used to cool the bearing curve

圖16 吹除氣體流量曲線Fig. 16 Flow rate of gas for blowing curve

3.4 氦隔離密封腔壓力

貯箱氣枕壓力和循環(huán)泵轉(zhuǎn)速按照額定工況設(shè)置，對(duì)氦隔離密封腔低壓、額定壓力和高壓工況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖17～21所示。通過(guò)圖2系統(tǒng)模型可知，氦隔離密封腔布置在氫泵軸承冷泄路上，氦隔離密封腔的壓力通過(guò)影響軸承冷泄路對(duì)這個(gè)循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)造成影響。氦隔離密封腔的壓力對(duì)軸承冷泄路的流動(dòng)起抑制作用。隨著氦隔離密封腔壓力的增大，進(jìn)入軸承冷泄路的吹除流量增大，通過(guò)軸承冷泄路的冷卻液氫減少，不利于達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷好條件。并且，軸承冷泄路阻力增大導(dǎo)致循環(huán)泵出口壓力升高，根據(jù)循環(huán)泵特性，循環(huán)泵的流量相應(yīng)減小。但是，由于氦隔離密封腔壓力升高，導(dǎo)致循環(huán)泵出口壓力升高，在貯箱氣枕壓力保持不變的條件下，循環(huán)泵的揚(yáng)程增大，導(dǎo)致主預(yù)冷路的流量增大。

圖17 循環(huán)泵流量曲線Fig. 17 Flow rate of circulating pump curve

圖18 循環(huán)泵出口壓力曲線Fig. 18 Outlet pressure of circulating pump curve

圖19 主預(yù)冷路流量曲線Fig. 19 Flow rate of main precooling circuit

圖20 軸承冷泄路流量曲線Fig. 20 Flow rate used to cool the bearing

圖21 吹除氣體流量曲線Fig. 21 Flow rate of gas for blowing

通過(guò)對(duì)貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離密封腔壓力對(duì)循環(huán)預(yù)冷的影響分析發(fā)現(xiàn)，貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離腔密封壓力主要是通過(guò)影響循環(huán)泵出口壓力與氦隔離腔密封壓力之差來(lái)影響軸承冷泄路的預(yù)冷流量，提高貯箱氣枕壓力、提高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速或者降低氦隔離密封腔壓力都會(huì)提高軸承冷泄路流量，有利于軸承冷泄路預(yù)冷。

4 結(jié) 論

本文介紹了低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常見的3種預(yù)冷方式，并基于AMESim兩相流庫(kù)對(duì)氫系統(tǒng)在循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)下的強(qiáng)迫循環(huán)預(yù)冷進(jìn)行仿真研究，揭示了貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離密封腔壓力等3個(gè)因素對(duì)預(yù)冷效果的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）貯箱氣枕壓力、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和氦隔離腔密封壓力對(duì)軸承冷泄路的預(yù)冷流量有影響，三者相互耦合作用通過(guò)改變循環(huán)泵出口壓力與氦隔離腔密封壓力之差來(lái)實(shí)現(xiàn)；

2）高貯箱氣枕壓力、高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和低氦隔離腔密封壓力有利于提高軸承冷泄路的預(yù)冷流量，使發(fā)動(dòng)機(jī)更容易達(dá)到預(yù)冷好條件；

3）這3個(gè)因素相互耦合，在工程應(yīng)用中需綜合考慮：高貯箱壓力下有利于起動(dòng)循環(huán)泵，但考慮安全因素，氦隔離腔密封壓力也要提高，又阻礙了軸承冷泄路的液氫流動(dòng)，同時(shí)貯箱長(zhǎng)時(shí)間高壓影響推進(jìn)劑品質(zhì)；循環(huán)泵在高轉(zhuǎn)速下起動(dòng)更易氣蝕，并且提高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速后，循環(huán)泵出口壓力也同步增大，為避免氫泄漏，需要提高氦隔離密封腔壓力，也阻礙了軸承冷泄路的液氫流動(dòng)。