液體火箭發(fā)動機(jī)“熱泵”起動研究

王海山，陳 暉，萬金川，王偉光

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

泵壓式液體火箭發(fā)動機(jī)心臟部件渦輪泵，通常采用同軸式結(jié)構(gòu)。多次起動發(fā)動機(jī)再次起動前的滑行段，泵部件與高溫渦輪部件不斷有熱量傳遞，溫度超過一定值，起動過程將伴隨著液體推進(jìn)劑的持續(xù)氣化；泵工作介質(zhì)含氣量過多將會造成泵建壓緩慢甚至延遲，進(jìn)而擾亂發(fā)動機(jī)正常工作時序，即形成“熱泵”起動故障，嚴(yán)重情況將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆炸的重大可靠性事故。

國內(nèi)外發(fā)動機(jī)研制中也都曾多次出現(xiàn)過“熱泵”起動問題，如阿金娜發(fā)動機(jī)在進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)模擬試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，關(guān)機(jī)后泵部件溫度在不斷升高，35 min達(dá)到熱平衡，泵部件溫度大大超過推進(jìn)劑氣化溫度；國內(nèi)某型氫氧發(fā)動機(jī)，在系統(tǒng)上采取預(yù)冷方法對泵部件進(jìn)行提前冷卻。“熱泵”起動故障發(fā)生的原因一般很明確，但解決方案不盡相同，本文結(jié)合某型高空多次起動發(fā)動機(jī)“熱泵”起動故障，提出一種常規(guī)發(fā)動機(jī)中可供借鑒的解決方案，同時介紹不同試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果及天空環(huán)境數(shù)值模擬方法和計(jì)算結(jié)果。

1 某型高空發(fā)動機(jī)“熱泵”起動及解決方案

1.1 “熱泵”起動

某型高空液體火箭發(fā)動機(jī)，采用雙組元常規(guī)推進(jìn)劑，具有多次起動能力，要求渦輪泵按照時序能再次工作。渦輪泵采用兩增壓泵與渦輪同軸的渦輪中置方案，兩增壓泵均采用離心式旋轉(zhuǎn)泵，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某型高空發(fā)動機(jī)渦輪泵結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Turbopump structure of a certain high altitude engine

發(fā)動機(jī)全系統(tǒng)×-03次試車中，第一次工作正常，滑行結(jié)束后，第二次起動時氧化劑泵發(fā)生了“熱泵”起動故障。……