液體火箭發動機電動泵系統發展及性能研究

王浩明，程 誠，李小芳，林慶國

(上海空間推進研究所 上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

液體火箭發動機電動泵增壓系統最早于1985年被提出，相比于常規的擠壓或渦輪泵壓式供給系統，電動泵增壓系統具備以下優勢[1-2]：1)能夠提供較高的發動機入口壓力；2)增壓泵由電機驅動，易于通過轉速控制實現變工況運行；3)易于實現發動機多次啟動工作。

Volvo Flymotor AB公司于1990年設計制造了MMH/NTO推進劑用的電動泵增壓系統，并進行了額定工況及變工況測試[3]。燃料和氧化劑各通過一套同軸配置的電機和離心泵進行增壓，額定轉速25 000 rpm。實驗結果顯示，電動泵增壓系統揚程范圍為100～200 m，離心泵效率約50%。該系統可應用于3 000 N火箭發動機，預計在軌時間3個月，工作時間10 000 s，重復啟動50次。但由于當時的電池性能較差，電池系統重量較大，后期并未得到工程應用。

日本三菱重工為改善高速渦輪泵入口條件，提出了基于運載火箭上面級發動機的電動泵系統，推進劑首先通過電動泵系統增壓后進入渦輪泵，以此提高渦輪泵入口壓力[4]。三菱重工進行了縮比樣機的研制和試驗，使用液氮作為介質，流量3.1 L/s，泵揚程7.2 m。由于轉速較低(2 500 rpm)，葉輪尺寸較大，整體摩擦損失較高，測試總效率小于20%。試驗中還對電動泵的響應特性進行了測量，出口壓力在5 s內達到設計值。

2009年，歐洲ISP-1計劃提出研制低溫電動增壓系統[5]，主要目的是研發2 000 N小推力推進系統，用于飛行器變軌推進等任務。電動增壓泵由Snecma負責研制[6]，采用潛入式安裝方式，以液氧/液氫為推進劑。

2010年，美國Ventions公司在NASA的支持下開展了小推力火箭發動機電動泵的研發工作，以評估電動泵發動機在火星著陸器上升級使用的可行性。項目成功完成了一臺50 000 rpm電動泵原理樣機的研制[7]。在此基礎上，Ventions公司進一步開發了一款1 334 N推力的液氧煤油電動泵發動機并通過了飛行測試[8]。

截止目前，美國火箭實驗室公司(Rocket Lab)電子號小型運載火箭(Electron)的一級和二級上使用的電動泵壓式盧瑟福發動機(Rutherford Engine)，已助力Electron火箭完成了三次商業發射，成為全球首個投入使用的電動泵發動機[9]。盧瑟福發動機的電動泵增壓系統采用兩臺直流無刷電機(轉速40 000 rpm，功率約50馬力)分別驅動液氧泵和煤油泵，并通過聚合物鋰電池為高速電機供電。

從最初的概念提出到如今的成功發射，電動泵壓式系統得益于過去幾十年電機、電池領域的技術發展[10-11]，尤其是電池能量密度的提高使得系統中重量占比最大的電源重量大幅下降。本文將從電動泵壓式系統的組成及各組件特點進行闡述，研究其質量構成和影響因子，并與渦輪泵系統(燃氣發生器循環)進行對比，同時對限制其應用的關鍵技術進行分析。

1 電動泵系統

圖1給出了液體火箭發動機電動泵增壓系統的工作原理圖。電動泵系統通過電機驅動離心泵實現推進劑的增壓，高壓推進劑進入燃燒室燃燒后通過噴管產生推力。實際上，電動泵壓式系統可采用一臺電機帶氧/燃兩路泵或者一臺電機帶一臺泵的方式，前者可保證混合比一定；而后者更加靈活，除了能夠使燃料泵和氧化劑泵各自工作在最佳轉速以保證性能最優之外，還可以通過調節混合比實現變推力[12]。

圖1 液體火箭發動機電動泵系統工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of electrically driven pump for liquid rocket engine

1.1 離心泵

作為火箭發動機推進劑的增壓部件，離心泵與常規水泵不同之處在于其小流量高揚程的特點，屬于低比轉速泵，效率偏低。根據泵的效率計算公式在低比轉速下修正后得到計算公式[13]

(1)

1.2 高速電機

圖1所展示的電動泵系統為單臺電機同時驅動氧化劑泵和燃料泵，由于泵的功率直接關系到系統推力，因此電機的功率上限決定了該系統的推力量級。電動泵系統的驅動電機必須是大功率且高轉速。由于高轉速導致轉子離心力增大，因此電機轉速越高其能夠達到的功率越小。圖2為根據目前國內外高速電機的技術狀態得到不同轉速下的電機功率極限曲線[14-15]，即在某個固定轉速下現有技術能夠達到的最大功率值。圖2中同時給出了現有的火箭發動機增壓泵轉速及功率需求。現有高速電機從轉速和功率兩項指標上已經能夠滿足噸級火箭發動機增壓泵的需求。但是需要注意的是雖然電機性能已經能夠達到部分渦輪的指標，但是從功率密度可以發現在重量方面電機仍然落后于同樣作為驅動裝置的渦輪。因此，電動泵系統仍然需要對電機進行減重。

另外一個需要注意的問題是——不同電機需采用不同的冷卻方式。干式電機可僅采用夾套冷卻(如Volvo flymotor AB電動泵)，但在泵與電機之間需要使用動密封，以保證推進劑不進入電機，在增加系統復雜性和泄漏風險的同時，降低了壽命和可靠性；屏蔽電機(三菱重工、ISP-1)采用雙重密封保障結構，并將推進劑引入電機進行冷卻，由于取消了動密封，因而結構簡單、密封可靠，具有更高的壽命、安全性和工作可靠性，但是在高轉速下，推進劑與轉子間的摩擦損耗增大，效率降低。

圖2 電機技術現狀Fig.2 Technical status of electrical motor

1.3 源系統

電源系統由電芯、電源控制系統、電纜及殼體組成。自鋰離子電池面世以來，憑借其能量密度高、循環壽命長、無記憶效應等優點，已經成為動力電池應用領域的主體和研究熱點。中國科學院針對不同體系的鋰電池進行了研究[16-17]，在能量密度的提升方面取得了較大的進展：24 Ah鋰離子電池能量密度374 Wh/kg，8 Ah固態鋰電池能量密度240 Wh/kg，30 Ah鋰硫電池能量密度566 Wh/kg。然而，除了能量密度之外，電源系統中的功率密度同樣是影響電源系統質量的重要因素，兩項指標同時提高方可使得電源系統重量得到降低[18]。

事實上，功率密度和能量密度除了取決于電芯本身的性能之外，電池的使用條件對它們也存在影響。圖3為SAFT公司的四款鋰電池在不同放電倍率下放電深度的變化過程[19]，放電倍率與電池放電時間關系為：C=3 600/t(C為放電倍率，t為放電時間)。從圖3中曲線變化趨勢可發現，在大倍率放電情況下，電池釋放能量相對于額定能量都有較大幅度的下降，僅功率型鋰電池VL4V能夠在40C的大倍率放電情況下仍然保持85%以上的放電深度。圖4為兩款鋰電池在相同放電倍率不同環境溫度下的放電深度變化，可見常溫條件下鋰電池能夠達到額定輸出電量，隨著溫度下降，鋰電池的放電能力逐漸減弱，當環境到達-40 ℃時，鋰電池輸出電量僅為額定的40%左右。因此，鋰電池用于電動泵實現推進劑增壓時，必須根據功率需求和工作時間，選擇該條件下放電深度較高的電芯。對于長期在軌的情況，電源系統必須有相應的溫控措施。

圖3 鋰離子電池放電深度和放電倍率的關系Fig.3 Relationship between discharge depth and discharge rate for Li-ion battery

圖4 電池工作溫度對放電深度的影響Fig.4 Influence of working temperature on discharge depth

2 質量模型與分析

2.1 組件質量模型

由于泵的功率正比于推進劑流量與揚程的乘積，因此根據泵的功率密度可以計算得到推進劑泵的總質量(包括氧化劑泵和燃料泵)

(2)

式中：m，δ，η分別為質量、功率密度、效率；下標op，fp分別為氧化劑泵和燃料泵。

高速電機除了電機本體之外，還包括電機驅動器。假設電機與泵之間無機械損失，根據電機功率密度可以得到電機及其驅動器質量

(3)

式中下標em和inv分別為電機和驅動器。

根據發動機功率和工作時間，電源系統必須滿足發動機工作所需的功率和總能量這兩項指標。根據上文的分析，電芯放電倍率取決于發動機工作時間，并且影響能量密度。因此，電源系統質量的計算需按工作時間進行修正

(4)

式中：ε為電芯能量密度；κ為以VL4V電芯數據得到的修正系數計算公式；下標b為電源系統。

2.2 系統質量

根據式(2)～式(4)，可計算得電動泵系統質量

mep=mop+mfp+mem+mb

(5)

系統參數取值如表1所示。

表1 參數取值

圖5為不同工作時間下，電動泵系統各組件質量占比變化情況。可見系統質量占比最大的組件為電機和電源系統，占總質量的90%以上，并且隨著工作時間的增加，電源在系統質量的占比將進一步增加。

為進一步研究電動泵循環各參數對系統質量的影響，針對表1各項參數進行敏感性分析(圖6)。橫坐標表示不同參數，縱坐標為各參數在表1取值的基礎上，在±10%范圍內變化時，系統功率密度變化情況(0.1表示系統功率密度變化10%)。根據各參數對系統質量的敏感性分析結果可以發現，各組件的效率和電源系統的性能對系統質量的影響較大，其中又以泵的效率對系統質量影響最大。

圖5 不同工作時間電動泵系統各組件質量占比(推力5 kN，室壓5 MPa)Fig.5 Mass proportion of each element under different working time(f=5 kN,pc=5 MPa)

圖6 各參數對系統質量的敏感性Fig.6 Sensitivity analysis of parameters to system mass

2.3 質量對比分析

為對比電動泵系統和渦輪泵系統(燃氣發生器循環)的質量，本文假設兩套系統的儲箱和發動機參數相同，僅對比增壓系統的質量。渦輪泵系統質量組成如下

mgg=mop+mfp+mtu+mg+mp

(6)

式中下標gg，tu，g，p分別代表燃氣發生器循環、渦輪、燃氣發生器、燃氣發生器消耗推進劑。渦輪泵系統同樣采用基于功率密度的方法計算質量，燃氣發生器消耗推進劑按總流量的2%計算[22]。推進劑為甲基肼/四氧化二氮。

圖7為不同推力量級、不同工作時間下電動泵系統與渦輪泵系統質量比(mep/mgg)隨發動機設計室壓的變化情況。可以看出，在發動機推力一定的條件下，電動泵系統存在室壓極限值，低于該值的電動泵系統在質量上存在優勢。出現室壓極限的原因在于發動機室壓決定了泵的揚程，從而影響泵的比轉速，最終影響泵的效率。在流量一定的情況下，隨著室壓的提高，泵的效率逐漸降低。電動泵系統中泵的效率對系統質量的影響最大，而渦輪泵系統中泵的效率并不是決定系統質量的最重要因素。在室壓提高的過程中，雖然電動泵系統和渦輪泵系統質量都有所增加，但是電動泵系統質量增加更快。因此，存在某個室壓極限，高于該極限時，電動泵系統質量將超過渦輪泵系統。隨著發動機推力增大，室壓極限值逐漸增大(F=5 kN時，室壓極限值約為2.5 MPa；F=20 kN時，室壓極限值約為4.5 MPa；F=50 kN時，室壓極限值約為5.5 MPa)，主要原因是隨著發動機推力提高，推進劑流量逐漸增大，提高了離心泵的比轉速及效率，泵效率的提高進而降低了發動機系統對電機功率的需求，系統質量中占比較大的電機和電源系統質量進而有較大幅度的下降。

圖7 不同工況下電動泵系統與渦輪泵系統質量比(mep/mgg)變化曲線Fig.7 Mass ratio of electrically driven pump and turbopump system (mep/mgg) under different work conditions

圖7中同樣反映了增加工作時間有利于提高室壓極限，當工作時間從600 s增加至1 800 s，5 kN推力對應的室壓極限從2.44 MPa提高至2.72 MPa，20 kN推力對應的室壓極限從4.06 MPa提高至4.56 MPa，50 kN推力對應的室壓極限從4.91 MPa提高至5.58 MPa。原因在于增加工作時間必然增加電源系統中的電芯數量以滿足工作時間內的能量消耗，電芯數量的增加使得電源系統在設計時能夠通過增加并聯數的方式減小單電芯的放電倍率，從而使得電芯放電更加充分。也就是說，增加工作時間能夠以相同的電芯獲得更高的電源系統能量密度，從而提高電動泵系統的功率密度。

3 系統關鍵技術

電動泵系統是一種簡單的液體火箭發動機循環方式，在系統的控制調節、多次啟停等方面具備優勢。但是相較于渦輪泵系統，電動泵系統在重量方面仍然有待于進一步減小以擴大應用領域。通過前文對系統各組件的特性分析和計算結果，得到電動泵系統減重增效的關鍵點。

3.1 高效低比轉速離心泵

敏感性分析表明離心泵效率是影響系統質量的最主要因素，而作為液體推進劑增壓泵小流量高揚程的特點決定了離心泵屬于低比轉速泵，效率偏低。因此，為提高離心泵效率，除了通過提高離心泵轉速來提高效率之外，需要針對離心泵與發動機參數(流量、室壓)間的匹配進行研究。涉及關鍵技術包括：

1)高速離心泵防汽蝕技術;

2)電動泵發動機系統總參優化研究。

3.2 輕質化高可靠高速電機

電機作為系統質量占比較大的組件并且其效率對系統質量的影響僅次于離心泵效率，電機的功率密度和效率的提升對電動泵系統的減重增效具有重要意義。同時，為滿足空間長期在軌、多次啟動的要求，電機必須具備高可靠的特點。采用屏蔽電機能夠以靜密封代替動密封，同時兼顧電機的冷卻，使整個系統結構簡化，可靠性提高。然而屏蔽電機和常規電機相比增加了定子屏蔽套渦流損耗和水摩損耗，使得電機效率降低。渦流損耗和水摩損耗在高速情況下尤為明顯，而提高電機轉速恰好是電機自身減重的重要途徑。因此，從電機可靠性保障和效率提升的角度，必須解決以下關鍵技術：

1)低損耗屏蔽套技術;

2)高速轉子水摩損耗抑制技術。

3.3 高比能大功率電源系統

現有的鋰電池技術在能量密度方面已經能夠實現較大程度的提升。然而火箭發動機的工作時間決定了鋰電池必須以5C甚至更高的倍率進行放電。鋰電池大倍率放電時放電深度下降的問題造成了能量密度的下降，研究功率與能量兼顧型的電源系統是減小電源系統重量的唯一途徑。另外，由于空間環境高低溫變化范圍大，為保證電源系統維持在合適的放電溫度，必須具備高效的熱控措施。因此，高比能大功率電源系統必須解決：

1)超高功率鋰電池材料體系優化技術;

2)寬溫區全固態鋰電池技術;

3)空間電源系統熱控技術。

4 結語

本文介紹了電動泵系統作為液體火箭發動機增壓系統的發展歷程，并針對電動泵系統各組件特點及質量構成進行了分析，得到了影響系統質量的關鍵因素。電動泵系統質量主要由電機與電源系統決定，和渦輪泵系統(燃氣發生器循環)相比，電動泵系統低于極限室壓時系統質量具有優勢，并且隨著發動機推力提高，電動泵系統的極限室壓可進一步提高。為進一步減小系統重量，需要從敏感性較高的組件效率以及高比能大功率電源系統等方面進行進一步研究。