趙曉慧，張金容，單 磊，孫海雨，王興錄

(西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，多星發(fā)射、深空探測(cè)以及軌道服務(wù)工程已成為當(dāng)前世界航天技術(shù)發(fā)展的主流。美國(guó)、俄羅斯、歐洲和日本等航天技術(shù)大國(guó)已將發(fā)展多星發(fā)射、深空探測(cè)以及軌道服務(wù)技術(shù)作為21世紀(jì)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。無論是多星發(fā)射、深空探測(cè)還是軌道服務(wù)技術(shù)，動(dòng)力系統(tǒng)均是其核心組成部分之一，高性能、輕質(zhì)量、小尺寸的動(dòng)力系統(tǒng)可以為整個(gè)任務(wù)節(jié)省更多的質(zhì)量和空間，從而增加有效載荷質(zhì)量。用于多星發(fā)射、深空探測(cè)或軌道服務(wù)的上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)一般由一臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)和多臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)組成，主發(fā)動(dòng)機(jī)用于變換母艙的方位、調(diào)整速度、校正軌道，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)用于母艙的俯仰、偏航和滾動(dòng)的姿態(tài)控制。

上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的典型方案主要有軌控/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)均為擠壓式的系統(tǒng)、軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用泵壓式帶起動(dòng)箱/姿控?cái)D壓式的系統(tǒng)、軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用泵壓式帶高壓貯箱起動(dòng)/姿控?cái)D壓式的系統(tǒng)、軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣動(dòng)泵壓式起動(dòng)/姿控?cái)D壓式的系統(tǒng)、姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)等。

一般總沖要求較高的上面級(jí)軌控動(dòng)力一般采用泵壓工作方式，姿控動(dòng)力一般采取擠壓工作方式。泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)通過渦輪泵做功將推進(jìn)劑輸送至推力室，不需要很高的貯箱強(qiáng)度，可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)，泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)推力室室壓較高，可實(shí)現(xiàn)較高的比沖及推力；擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑貯箱強(qiáng)度較高，在發(fā)動(dòng)機(jī)總沖小的情況下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，但在總沖較大時(shí)不利于有效載荷的提高。

國(guó)外對(duì)于空間上面級(jí)一體化技術(shù)已經(jīng)開展了較為廣泛的研究和工程應(yīng)用，典型代表為采用雙模式工作系統(tǒng)的11D442 發(fā)動(dòng)機(jī)、采用聯(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)的RD-866發(fā)動(dòng)機(jī)。11D442發(fā)動(dòng)機(jī)用于國(guó)際軌道服務(wù)“曙光”艙，共配套兩臺(tái)，推力模式下單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力為4.38 kN；轉(zhuǎn)注模式下氧化劑流量為0.87 kg/s，燃料流量為0.55 kg/s。RD-866液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也采用擠壓和泵壓推進(jìn)劑聯(lián)合供應(yīng)，由主發(fā)動(dòng)機(jī)、姿控發(fā)動(dòng)機(jī)、聯(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)組成，主發(fā)動(dòng)機(jī)可以20次啟動(dòng)。

國(guó)內(nèi)泵壓式上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)目前已實(shí)現(xiàn)了在遠(yuǎn)征系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用。動(dòng)力系統(tǒng)由主發(fā)動(dòng)機(jī)和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)組成，兩種發(fā)動(dòng)機(jī)有獨(dú)立的供應(yīng)系統(tǒng)。主發(fā)動(dòng)機(jī)采用泵壓工作方式，發(fā)動(dòng)機(jī)推力量級(jí)覆蓋5～13 kN，根據(jù)任務(wù)需求，可選擇固定推力或可調(diào)節(jié)推力，多次啟動(dòng)能力不低于9次，2次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)加速性(T90)不大于1.1 s，大于2次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)加速性(T90)時(shí)間約為5.1～11 s。因現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng)的主發(fā)動(dòng)機(jī)和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)二者獨(dú)立，分別設(shè)置推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)組件較多、質(zhì)量大、占用的空間大。

本文提出了一種基于差動(dòng)氣動(dòng)增壓裝置(以下簡(jiǎn)稱為氣動(dòng)增壓裝置)的多次啟動(dòng)泵壓式姿軌控一體化動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)由主發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、一體化供應(yīng)系統(tǒng)等組成。主發(fā)動(dòng)機(jī)采用泵壓工作方式，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)采用擠壓工作方式，兩種發(fā)動(dòng)機(jī)共用推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)姿軌控一體化，采用差動(dòng)氣動(dòng)增壓裝置實(shí)現(xiàn)了主發(fā)動(dòng)機(jī)的多次啟動(dòng)。姿軌控一體化系統(tǒng)不僅具有泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)高性能、質(zhì)量小、外廓尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，而且兼顧了擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)；其一體化貯箱不僅為主發(fā)動(dòng)機(jī)提供啟動(dòng)時(shí)燃?xì)獍l(fā)生器的推進(jìn)劑供應(yīng)，還作為姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的貯箱，為姿控發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑，節(jié)省了姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)，有效降低了動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)省了空間，進(jìn)行泵壓式姿軌控一體化技術(shù)研究具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，提出了一種基于氣動(dòng)增壓裝置的多次啟動(dòng)泵壓式姿軌控一體化動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)原理圖如圖1所示，由主發(fā)動(dòng)機(jī)、姿控發(fā)動(dòng)機(jī)、一體化系統(tǒng)等組成。

圖1 泵壓式姿軌控一體動(dòng)力系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the pump-feed dynamical system integrated with the orbit and attitude control

主發(fā)動(dòng)機(jī)由推力室、燃?xì)獍l(fā)生器、渦輪泵、啟動(dòng)系統(tǒng)、閥門及管路組成，用于軌道控制；姿控發(fā)動(dòng)機(jī)由雙組元推力室、高壓貯箱、電磁閥等組成，用于姿態(tài)控制；一體化系統(tǒng)主要由姿控高壓貯箱轉(zhuǎn)注與主機(jī)啟動(dòng)控制組件組成，包括氣動(dòng)增壓裝置、轉(zhuǎn)注控制閥、轉(zhuǎn)注控制器等，用于實(shí)現(xiàn)姿軌控一體化供應(yīng)。

1.2 工作原理

該動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理、主要工作過程如下：

1)主機(jī)工作過程。需要主機(jī)工作提供軌控動(dòng)力時(shí)，氣動(dòng)增壓裝置氣路控制閥打開，增壓氣瓶?jī)?nèi)氣體為氣動(dòng)增壓裝置提供作動(dòng)氣，主貯箱內(nèi)推進(jìn)劑通過氣動(dòng)增壓裝置后壓力升高，供應(yīng)燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生燃?xì)獯祫?dòng)渦輪泵啟動(dòng)，當(dāng)泵后壓力高于氣動(dòng)增壓裝置出口壓力時(shí)，氣動(dòng)增壓裝置停止工作，燃?xì)獍l(fā)生器工作所需的推進(jìn)劑轉(zhuǎn)由渦輪泵提供，此時(shí)通向推力室的主閥為打開狀態(tài)，通向高壓貯箱的轉(zhuǎn)注控制閥為關(guān)閉狀態(tài)，主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。

2)轉(zhuǎn)注工作過程。高壓貯箱液位低于轉(zhuǎn)注控制閾值下限時(shí)，轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)注指令，氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)，主貯箱內(nèi)推進(jìn)劑通過氣動(dòng)增壓裝置后增壓，供應(yīng)燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生燃?xì)獯祫?dòng)渦輪泵啟動(dòng)，當(dāng)泵后壓力高于氣動(dòng)增壓裝置出口壓力時(shí)，氣動(dòng)增壓裝置停止工作，燃?xì)獍l(fā)生器工作所需的推進(jìn)劑轉(zhuǎn)由渦輪泵提供，此時(shí)通向推力室的主閥為關(guān)閉狀態(tài)，通向高壓貯箱的轉(zhuǎn)注控制閥為打開狀態(tài)，轉(zhuǎn)注過程開始，當(dāng)高壓貯箱液位高于轉(zhuǎn)注控制閾值的上限時(shí)，關(guān)閉轉(zhuǎn)注控制閥，轉(zhuǎn)注結(jié)束。轉(zhuǎn)注期間貯箱氣腔通過泄壓以保持貯箱內(nèi)壓力。

3)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程。需要姿控模塊工作以提供姿控動(dòng)力時(shí)，完成高壓貯箱增壓，通過控制電磁閥使姿控推力室工作。

1.3 主要性能參數(shù)

以某上面級(jí)6.5 kN多次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一體化動(dòng)力系統(tǒng)驗(yàn)證樣機(jī)，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)選擇某型成熟應(yīng)用產(chǎn)品25 N、200 N發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓貯箱的容積選取為10 L。姿軌控一體化動(dòng)力系統(tǒng)驗(yàn)證樣機(jī)主要性能參數(shù)見表1。

表1 一體化驗(yàn)證樣機(jī)主要參數(shù)

1.4 功能及特點(diǎn)

1)一體提供軌控動(dòng)力以及姿控動(dòng)力；

2)主機(jī)工作及轉(zhuǎn)注啟動(dòng)氣源與姿控發(fā)動(dòng)機(jī)高壓貯箱共用氣源，氣源一體化供應(yīng)；

3)設(shè)置轉(zhuǎn)注功能，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)與主發(fā)動(dòng)機(jī)共用主貯箱內(nèi)推進(jìn)劑，推進(jìn)劑一體化供應(yīng)；

4)主發(fā)動(dòng)機(jī)采用差動(dòng)氣動(dòng)增壓裝置進(jìn)行多次啟動(dòng)，理論上不限啟動(dòng)次數(shù)；

5)高壓姿控貯箱設(shè)置位移傳感器，控制對(duì)高壓貯箱進(jìn)行推進(jìn)劑的轉(zhuǎn)注時(shí)間；

6)將轉(zhuǎn)注時(shí)的推進(jìn)劑混合比與姿控模塊消耗時(shí)混合比設(shè)置為相同，避免充填不同步；

7)理論上轉(zhuǎn)注不限次數(shù)，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間越長(zhǎng)，相比非一體化動(dòng)力系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)減質(zhì)越明顯。

2 系統(tǒng)特性驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 概況

對(duì)基于差動(dòng)氣動(dòng)增壓裝置的多次啟動(dòng)姿軌控一體化動(dòng)力系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行了研究，本文主要針對(duì)氣動(dòng)增壓裝置的啟動(dòng)特性、主機(jī)多次啟動(dòng)性能、一體化供應(yīng)工作特性的研究結(jié)果進(jìn)行了分析。

2.2 氣動(dòng)增壓裝置的啟動(dòng)特性

2.2.1 氣動(dòng)增壓裝置的工作原理

氣動(dòng)增壓裝置安裝在主發(fā)動(dòng)機(jī)副系統(tǒng)，用于供應(yīng)主機(jī)啟動(dòng)過程中的渦輪工質(zhì)。主機(jī)啟動(dòng)時(shí)，氣動(dòng)增壓裝置從主貯箱吸入低壓推進(jìn)劑，并將增壓后的推進(jìn)劑供給至發(fā)生器，產(chǎn)生燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪泵，當(dāng)泵出口壓力高于氣動(dòng)增壓裝置出口壓力時(shí)，氣動(dòng)增壓裝置自動(dòng)關(guān)閉不再輸出流量，發(fā)生器介質(zhì)轉(zhuǎn)由泵后供給，主機(jī)啟動(dòng)完成。

氣動(dòng)增壓裝置液路入口為低壓推進(jìn)劑，采用自吸式增壓方案，主氣缸和輔氣缸分別在活塞兩側(cè)，液缸在中間，原理圖如圖2所示。通過控制對(duì)主氣缸充氣、放氣，然后對(duì)輔氣缸充氣、放氣，交替工作，兩側(cè)氣缸的壓差推動(dòng)中間活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，提高進(jìn)入液腔的低壓推進(jìn)劑的壓力。

圖2 氣動(dòng)增壓裝置原理示意圖Fig.2 Schematic diagram for the pneumatic apparatus

2.2.2 氣動(dòng)增壓裝置工作仿真特性

地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平密切影響著居民的收入水平相互影響，而居民的收入水平與價(jià)格水平息息相關(guān)。便也間接決定了居民的可支配收入水平。經(jīng)濟(jì)水平上升，整體商品房?jī)r(jià)格也會(huì)有上升趨勢(shì)。相反則會(huì)呈現(xiàn)出低水平的整體商品房?jī)r(jià)格。從這一點(diǎn)看，和改革初期相比，40年后的今天價(jià)格指數(shù)明顯存在巨額增長(zhǎng)，也就是說，國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的結(jié)果與收入水平等經(jīng)濟(jì)因素緊密關(guān)聯(lián)。當(dāng)下而言，沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)一、二線城市與普通城市之間商品住宅價(jià)格水平有很大的差異。這種差異便是源于這些城市在這些經(jīng)濟(jì)因素上的顯著差異。

根據(jù)氣動(dòng)增壓裝置工作原理，使用AMESim軟件建立仿真模型，計(jì)算結(jié)果表明在活塞換向過程中輸出壓力存在瞬間降低。以氣動(dòng)增壓裝置為核心，建立由控制氣源、推進(jìn)劑源、氣動(dòng)增壓裝置、管路等組成的系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 氣動(dòng)增壓裝置推進(jìn)劑出口壓力曲線Fig.3 Outlet pressure curve of the pneumatic apparatus

圖4 氣動(dòng)增壓裝置推進(jìn)劑出口流量曲線Fig.4 Outlet flow curve of the pneumatic apparatus

圖3和圖4結(jié)果表明：①氣動(dòng)增壓裝置隨著活塞的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出壓力和流量呈現(xiàn)周期性變化，輸出壓力、流量的變化頻率為活塞運(yùn)動(dòng)頻率的2倍；②當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)至最大行程時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)方向改變，瞬時(shí)速度為0，氣動(dòng)增壓裝置輸出壓力和流量均達(dá)到向下的尖峰；③在推進(jìn)劑入口壓力0.5 MPa，控制氣壓力3 MPa下，氣動(dòng)增壓裝置出口壓力約為3.8 MPa。后面通過氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證其周期性波動(dòng)與發(fā)生器工作的匹配性。

2.2.3 氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)試驗(yàn)特性

氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。采用氣動(dòng)增壓裝置對(duì)渦輪泵前推進(jìn)劑進(jìn)行增壓，供應(yīng)燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火工作，產(chǎn)生燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪泵，對(duì)氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)的系統(tǒng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中共進(jìn)行了4次氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)。4次啟動(dòng)試驗(yàn)中，改變了兩氣動(dòng)增壓裝置液路入口壓力(先后為0.5 MPa、0.65 MPa、0.26 MPa、0.5 MPa)和兩氣動(dòng)增壓裝置增壓控制氣的壓力(先后為3 MPa、3 MPa、3 MPa、2.5 MPa)，考察不同工況對(duì)啟動(dòng)特性的影響。

圖5 氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)試驗(yàn)原理圖Fig.5 Experiment system for start-up characteristics of the pneumatic apparatus

氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，-2 s時(shí)刻氣源加載氣動(dòng)增壓裝置，0 s燃料氣動(dòng)增壓裝置出口控制閥打開，1.2 s時(shí)刻，氧化劑氣動(dòng)增壓裝置出口控制閥打開。4次啟動(dòng)試驗(yàn)中氣動(dòng)增壓裝置、渦輪泵、燃?xì)獍l(fā)生器的性能參數(shù)變化情況見圖6，燃?xì)獍l(fā)生器流量特性曲線即氣動(dòng)增壓裝置出口流量特性曲線見圖7。其中：、分別為燃料、氧化劑氣動(dòng)增壓裝置出口壓力；為渦輪入口壓力；、分別為渦輪泵燃料、氧化劑出口壓力；、分別為進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器的燃料路流量、氧化路流量。

圖6 氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)試驗(yàn)中系統(tǒng)性能特性曲線Fig.6 Experimental characters for the start-up performance of the pneumatic apparatus

圖7 氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)生器流量特性曲線Fig.7 Experimental flow characters of the generators

氣源加載氣動(dòng)增壓裝置后，氣動(dòng)增壓裝置出口很快建壓至穩(wěn)定值；燃料氣動(dòng)增壓裝置、氧化劑氣動(dòng)增壓裝置出口的控制閥門先后開啟，氧化劑氣動(dòng)增壓裝置出口無明顯掉壓，原因是氧化劑啟動(dòng)控制閥出口設(shè)置了小尺寸限流圈；氣動(dòng)增壓裝置開始動(dòng)作向下游容積充填推進(jìn)劑，2種推進(jìn)劑都到達(dá)燃?xì)獍l(fā)生器后渦輪入口壓力開始建立，氧化劑啟動(dòng)控制閥開啟0.3 s后燃?xì)獍l(fā)生器、氣動(dòng)增壓裝置均達(dá)到穩(wěn)態(tài)工況，氣動(dòng)增壓裝置出口流量、燃?xì)獍l(fā)生器流量均達(dá)到穩(wěn)態(tài)；2 s時(shí)刻，主泵出口壓力已經(jīng)超過氣動(dòng)增壓裝置出口壓力。

1)4次啟動(dòng)試驗(yàn)中，氣動(dòng)增壓裝置穩(wěn)態(tài)工作時(shí)其輸出呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，其中氧化劑氣動(dòng)增壓裝置的工作頻率約為0.6 Hz，輸出壓力約為3.5～4 MPa，燃料氣動(dòng)增壓裝置的工作頻率約為4 Hz，輸出壓力約為3.5～4 MPa，氣動(dòng)增壓裝置的工作頻率、輸出壓力情況與仿真計(jì)算結(jié)果是基本吻合的。

2)4次試驗(yàn)利用氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)能夠使兩泵出口壓力達(dá)到4～5.5 MPa，高于氣動(dòng)增壓裝置出口壓力，能夠使渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到25 000～28 000 r/min，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)工況向渦輪泵泵壓工況的穩(wěn)定接力。

4)從試驗(yàn)曲線看，4次啟動(dòng)中各參數(shù)變化規(guī)律基本一致，說明氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)在試驗(yàn)工況下啟動(dòng)特性穩(wěn)定，第3、4次啟動(dòng)中入口壓力或控制氣壓力的減小導(dǎo)致氣動(dòng)增壓裝置輸出壓力發(fā)生小幅度降低，其輸出特性的小幅度化不影響啟動(dòng)工況向渦輪泵泵壓工況的接力。

2.3 主機(jī)多次啟動(dòng)工作特性

2.3.1 多次啟動(dòng)能力

進(jìn)行了不含推力室的姿軌控一體化動(dòng)力系統(tǒng)半系統(tǒng)熱試車試驗(yàn)，與全系統(tǒng)(見圖1)相比，泵后推進(jìn)劑通過節(jié)流降壓后流至回收罐，在泵出口設(shè)置了穩(wěn)壓器。試車中共進(jìn)行了20次主發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下的啟動(dòng)，啟動(dòng)過程中主機(jī)渦輪泵均采用氣動(dòng)增壓裝置進(jìn)行啟動(dòng)。

2.3.2 主機(jī)工作啟動(dòng)特性

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)段，各次啟動(dòng)的參數(shù)曲線是幾乎重合的，因此，任選1次啟動(dòng)對(duì)主發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)工作特性進(jìn)行分析，主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程參數(shù)變化見圖8。

圖8 主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程參數(shù)變化Fig.8 Performance parameters of the main engine during the start-up process

如圖8(a)所示，6.3 s氧化劑和燃料啟動(dòng)閥打開，氣動(dòng)增壓裝置開始為推進(jìn)劑增壓并供應(yīng)燃?xì)獍l(fā)生器，氣動(dòng)增壓裝置由于其工作特性，出口壓力呈周期性波動(dòng)，8.1 s氣動(dòng)增壓裝置出口壓力停止周期性變化，表明此時(shí)渦輪泵出口穩(wěn)壓器開始工作，啟動(dòng)過程中氣動(dòng)增壓裝置工作時(shí)間約為1.8 s(6.3～8.1 s)，穩(wěn)壓器的設(shè)置有效抑制了泵后壓力波動(dòng)。

如圖8(b)所示，6.3～8.1 s燃?xì)獍l(fā)生器相關(guān)壓力呈現(xiàn)與氣動(dòng)增壓裝置波動(dòng)一致的周期性波動(dòng)，此后轉(zhuǎn)由泵后推進(jìn)劑對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行供應(yīng)。

如圖8(c)、圖8(d)所示，泵后壓力、穩(wěn)壓器出口壓力及渦輪轉(zhuǎn)速在爬升過程中有一個(gè)不明顯的斜率變化，與圖7(a)對(duì)比分析后認(rèn)為，該斜率變化點(diǎn)為啟動(dòng)接力點(diǎn)，之前為氣動(dòng)增壓裝置供應(yīng)發(fā)生器啟動(dòng)工況，之后為泵后推進(jìn)劑供應(yīng)發(fā)生器啟動(dòng)工況，接力穩(wěn)定。啟動(dòng)接力后，氣動(dòng)增壓裝置出口壓力、發(fā)生器相關(guān)壓均呈現(xiàn)線性爬升，直至穩(wěn)態(tài)工況。如圖8(d)所示，從氧化劑和燃料啟動(dòng)控制閥打開至達(dá)到渦輪轉(zhuǎn)速為90%額定工況的時(shí)間約為3.0 s(6.3～9.3 s)。

2.3.3 主機(jī)啟動(dòng)加速性、穩(wěn)態(tài)工作特性

各次啟動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)速變化曲線如圖9所示，可統(tǒng)計(jì)主發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)工況90%的時(shí)間在2.8～4.3 s，其中第1次啟動(dòng)4.3 s和第2次啟動(dòng)3.9s，后續(xù)3～20次起動(dòng)均在2.8～3.2 s之間，反映了啟動(dòng)加速性較好的一致性。主機(jī)穩(wěn)態(tài)工作過程中渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，幾乎呈現(xiàn)一條直線，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速滿足額定工況。

圖9 主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程渦輪轉(zhuǎn)速參數(shù)變化Fig.9 Rotational speed change of the main engine

2.4 一體化供應(yīng)工作特性

該動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)與主發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑一體化供應(yīng)的主要原理是設(shè)置轉(zhuǎn)注功能，高壓貯箱推進(jìn)劑消耗至液位低于轉(zhuǎn)注控制閾值下限時(shí)，打開轉(zhuǎn)注控制閥，主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)將主貯箱內(nèi)推進(jìn)劑通過渦輪泵增壓后供應(yīng)給高壓貯箱，高壓貯箱通過擠壓方式供應(yīng)推進(jìn)劑給姿控發(fā)動(dòng)機(jī)提供姿控動(dòng)力。轉(zhuǎn)注過程詳見1.2節(jié)。

在上述姿軌控一體化動(dòng)力半系統(tǒng)熱試車試驗(yàn)中，進(jìn)行了2次高壓貯箱轉(zhuǎn)注試驗(yàn)，對(duì)該系統(tǒng)的一體化供應(yīng)工作特性進(jìn)行研究與分析。

首先通過姿控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火消耗高壓貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑，當(dāng)貯箱液位達(dá)到控制下限時(shí)，轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)注工作啟動(dòng)指令，主機(jī)渦輪泵啟動(dòng)，并為高壓貯箱轉(zhuǎn)注推進(jìn)劑，當(dāng)高壓貯箱液位達(dá)到控制上限時(shí)，轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)機(jī)指令，停止轉(zhuǎn)注，轉(zhuǎn)注持續(xù)時(shí)間為5.2 s。轉(zhuǎn)注過程高壓貯箱液位傳感器參數(shù)變化見圖10，實(shí)際液位與傳感器參數(shù)變化呈反比。

圖10 轉(zhuǎn)注過程高壓貯箱液位變化Fig.10 Level change in the high-pressure tank of the transfusing process

1)0～67.2 s，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作逐漸消耗高壓貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑；67.2 s關(guān)機(jī)，推進(jìn)劑停止消耗，轉(zhuǎn)注程序啟動(dòng)。

2)67.2～69.9 s，轉(zhuǎn)注程序已啟動(dòng)，但是管路的充填、泵后壓力的升高需要一定時(shí)間，只有當(dāng)泵后壓力高于貯箱背壓，且壓差足以打開轉(zhuǎn)注單向閥的時(shí)候，才能向高壓貯箱內(nèi)轉(zhuǎn)注推進(jìn)劑，因此在一個(gè)較短的時(shí)間(2.7 s)內(nèi)，高壓貯箱的液位未發(fā)生變化。

3)69.9～75.1 s，氧化劑和燃料貯箱的液位大致呈現(xiàn)線性下降，表明轉(zhuǎn)注過程中的流量較為穩(wěn)定；75.1 s后，轉(zhuǎn)注停止，貯箱液位不再變化。在關(guān)機(jī)指令發(fā)出后，由于泵后壓力不會(huì)立刻降低至箱壓以下，在轉(zhuǎn)注控制閥關(guān)閉前還會(huì)繼續(xù)充填。

試驗(yàn)過程表明：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)注供應(yīng)特性穩(wěn)定，采用轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)輔助實(shí)現(xiàn)了主機(jī)工作與轉(zhuǎn)注工作的過程轉(zhuǎn)換。高壓貯箱轉(zhuǎn)注過程中主機(jī)渦輪泵也采用氣動(dòng)增壓裝置進(jìn)行啟動(dòng)，轉(zhuǎn)注模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、關(guān)機(jī)及穩(wěn)態(tài)工作特性與主機(jī)啟動(dòng)相同；姿控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作過程中，高壓貯箱壓力變化范圍在3.0～3.05 MPa之間，箱壓穩(wěn)定，工作正常，姿控工作特性穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文針對(duì)多次啟動(dòng)、高性能、輕質(zhì)量、小尺寸的動(dòng)力需求，提出了一種基于差動(dòng)氣動(dòng)增壓裝置的姿軌控一體化動(dòng)力系統(tǒng)。并以某上面級(jí)6.5 kN多次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)該動(dòng)力系統(tǒng)的氣動(dòng)增壓裝置啟動(dòng)特性、主機(jī)多次啟動(dòng)工作特性、一體化供應(yīng)工作特性等進(jìn)行了研究。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)火箭總體需求采用其他推力量級(jí)的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)與姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。

研究結(jié)果表明，該姿軌控一體化動(dòng)力系統(tǒng)采用差動(dòng)氣動(dòng)增壓裝置可以實(shí)現(xiàn)主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)次數(shù)不小于20次，多次啟動(dòng)加速性(T90)縮短到3 s以下；為了實(shí)現(xiàn)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)與主發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的一體化供應(yīng)，設(shè)置了轉(zhuǎn)注功能，并通過轉(zhuǎn)注控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主機(jī)工作與轉(zhuǎn)注過程的智能控制。由于姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑供應(yīng)貯箱可以通過主機(jī)渦輪泵進(jìn)行轉(zhuǎn)注，減小了姿控貯箱的規(guī)模，同時(shí)節(jié)省了專門的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)，與非一體化設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)相比在減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量、節(jié)省空間、簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度方面有一定優(yōu)勢(shì)。理論上轉(zhuǎn)注工作不限次數(shù)，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的推進(jìn)劑量較多時(shí)，姿控貯箱減小量越大，減質(zhì)效果越好。