膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)特性研究

王 玨，孫慧娟，劉 恒，李錦江

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076）

0 引 言

某氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用了先進(jìn)的閉式膨脹循環(huán)[1]，氫氧渦輪泵的驅(qū)動(dòng)工質(zhì)不再是高溫燃?xì)猓墙?jīng)過(guò)推力室冷卻夾套加溫的常溫氣氫。該發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有采取其它發(fā)動(dòng)機(jī)利用起動(dòng)器作為外能源起動(dòng)的方案，而是采取箱壓自身啟動(dòng)方式[2]，最初的起動(dòng)能源是經(jīng)過(guò)推力室冷卻夾套等結(jié)構(gòu)金屬熱容加溫的氣氫[3]，起動(dòng)能量有限。因此膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程與結(jié)構(gòu)溫度具有相關(guān)性。在深空探測(cè)任務(wù)中，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在深冷空間駐留或滑行后，結(jié)構(gòu)溫度逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致初始起動(dòng)能量降低。發(fā)動(dòng)機(jī)低溫下起動(dòng)，存在起動(dòng)失敗風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在較低結(jié)構(gòu)溫度情況下的起動(dòng)特性開(kāi)展分析研究。 主要由推力室、氫/氧渦輪泵、閥門(mén)等組合件組成，氫/氧渦輪泵的驅(qū)動(dòng)工質(zhì)是經(jīng)過(guò)推力室冷卻夾套加溫的氣氫，做功后的氣氫全部進(jìn)入推力室與全部氧進(jìn)行混合燃燒，燃?xì)饨?jīng)噴管延伸段膨脹加速產(chǎn)生推力。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1 閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理Fig.1 Closed Expander Cycle System

1 膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有燃?xì)獍l(fā)生器副系統(tǒng)[4,5]，與中國(guó)其它氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用火藥啟動(dòng)器的外能源起動(dòng)方式不同，膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了更加簡(jiǎn)潔的箱壓自身起動(dòng)方案，即在氫/氧貯箱的低壓力下，推進(jìn)劑分別經(jīng)過(guò)氫/氧泵進(jìn)入推力室點(diǎn)火燃燒，同時(shí)渦輪泵由靜止逐漸開(kāi)始旋轉(zhuǎn)加速，貯箱供應(yīng)的低壓推進(jìn)劑經(jīng)過(guò)泵升壓后進(jìn)入推力室，推力室壓力也隨之升高，直至發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到額定推力下的參數(shù)水平。

膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷時(shí)，低溫氫與管路和推力室冷卻夾套金屬進(jìn)行熱交換達(dá)到某一個(gè)溫度，為起動(dòng)渦輪的工質(zhì)提供一定初始能量。當(dāng)氫/氧泵預(yù)冷充分，發(fā)動(dòng)機(jī)滿足起動(dòng)條件后，推力室點(diǎn)火器點(diǎn)火。箱壓下，推力室冷卻夾套出口的氣氫驅(qū)動(dòng)氫渦輪泵起旋，并經(jīng)氫主閥進(jìn)入推力室內(nèi)與氧混合，進(jìn)行低壓燃燒，燃?xì)馐雇屏κ依鋮s夾套內(nèi)的氫溫度升高，驅(qū)動(dòng)渦輪的氣氫能量增加，渦輪起動(dòng)加速，最終達(dá)額定工況平穩(wěn)工作[6]。

從膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理可以看出，以推力室冷卻夾套為主的結(jié)構(gòu)溫度是發(fā)動(dòng)機(jī)初始起動(dòng)能量的基礎(chǔ)，當(dāng)其它條件滿足要求后，結(jié)構(gòu)溫度就決定初始起動(dòng)能量的大小。結(jié)構(gòu)溫度與起動(dòng)能量成正相關(guān)。深空駐留或滑行過(guò)程中，外界環(huán)境為冷黑背景，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)由于輻射換熱，逐漸趨于環(huán)境溫度；預(yù)冷過(guò)程中，氫進(jìn)入到冷卻夾套及管路，最終截止在氫主閥前，隨著時(shí)間的發(fā)展，容腔內(nèi)低溫氫質(zhì)量逐漸增加，結(jié)構(gòu)溫度也不斷下降；如果出現(xiàn)閥門(mén)泄漏等故障情況，結(jié)構(gòu)也會(huì)進(jìn)一步降低。這些情況都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)工作造成不利影響。

美國(guó)RL10發(fā)動(dòng)機(jī)是世界上首臺(tái)閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。在研制過(guò)程中，對(duì)較低結(jié)構(gòu)溫度下的起動(dòng)特性進(jìn)行了研究。根據(jù)研究結(jié)果規(guī)定飛行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，推力室結(jié)構(gòu)平均溫度必須介于139~316 K，其燃燒室壓力起動(dòng)曲線[7,8]如圖2所示。

圖2 不同推力室結(jié)構(gòu)溫度下RL10發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)曲線Fig.2 RL10 Start Variation with Initial Chamber Metal Temperature

從圖2可以看出，推力室結(jié)構(gòu)溫度降低后，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)速度變慢。表現(xiàn)在初始起動(dòng)后的壓力快速爬升轉(zhuǎn)折點(diǎn)明顯推遲，起動(dòng)壓力峰也大幅降低。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)過(guò)程仿真分析

為了獲得發(fā)動(dòng)機(jī)在不同結(jié)構(gòu)溫度下起動(dòng)特性，利用AMESim仿真軟件，按照發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了建模與分析。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪起動(dòng)功質(zhì)氫能源主要來(lái)源于推力室，因此推力室冷卻夾套換熱仿真模型是本文研究重點(diǎn)，其它組件仿真模型[9,10]不再闡述。

圖3 AMESim仿真系統(tǒng)Fig.3 AMEsim Simulation Model

2.1 推力室冷卻夾套換熱仿真模型

膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，氫介質(zhì)在推力室冷卻夾套內(nèi)存在液態(tài)、兩相、氣態(tài)等狀態(tài)變化，因此其換熱模型是膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的重要組成部分。為保證仿真精度，將推力室冷卻夾套沿軸向分為9段，換熱面積變化較大的喉部和擴(kuò)散段分段數(shù)適度增加。

由于進(jìn)入推力室冷卻夾套內(nèi)的介質(zhì)初始為液氫，起動(dòng)過(guò)程中介質(zhì)沿流動(dòng)路程隨推力室傳熱情況存在升溫氣化兩相轉(zhuǎn)變[11]，因此選用兩相流換熱管道進(jìn)行分析。本文分析過(guò)程中使用了單相和兩相流動(dòng)模型。對(duì)于推力室的金屬熱容量選用熱容量模型進(jìn)行計(jì)算。

a）單相流動(dòng)模型。

針對(duì)單相流動(dòng)模型，按照層流和湍流2種流動(dòng)情況進(jìn)行分析。

層流流動(dòng)時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)為

式中λ為流體熱導(dǎo)率；Dh為等效水力直徑；Nulam為努賽爾數(shù)，取定值：Nulam=3.66。

湍流流動(dòng)時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)使用Gnielinski模型[12]計(jì)算：

式中Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；ξ為摩擦系數(shù)，使用Churchill模型[13]進(jìn)行計(jì)算。

b）兩相流動(dòng)模型。

對(duì)于兩相流動(dòng)的情形，按照氣相在壁面冷凝或液相在壁面沸騰2種情況分析。

當(dāng)壁面溫度低于過(guò)流介質(zhì)氫溫度時(shí)，介質(zhì)會(huì)在壁面冷凝。冷凝過(guò)程的對(duì)流換熱系數(shù)采用Shah[14]相關(guān)系數(shù)計(jì)算：

式中x為含氣率；h為對(duì)流換熱系數(shù)，腳標(biāo)l表示液相參數(shù)；pred為參考?jí)毫Α?/p>

當(dāng)壁面溫度高于過(guò)流介質(zhì)氫溫度時(shí)，介質(zhì)會(huì)在壁面沸騰。沸騰過(guò)程的對(duì)流換熱系數(shù)采用VDI[15]相關(guān)系數(shù)計(jì)算：

式中hcv為對(duì)流沸騰換熱系數(shù)，采用式（6）計(jì)算；hNcB為核態(tài)沸騰換熱系數(shù)，采用式（7）計(jì)算[16]。

式中ρ為密度，腳標(biāo)g為氣相參數(shù)；hl用式（2）計(jì)算。

式中hNcB0為參考?jí)毫ο碌暮藨B(tài)沸騰換熱系數(shù)；FPF為從介質(zhì)傳遞給壁面的熱量，用式（8）計(jì)算；q為熱流密度；nf為熱流密度歸一化指數(shù)，用式（9）計(jì)算；Rp為表面粗糙度；F(M)為剩余修正因子，取為0.35；腳標(biāo)0表示標(biāo)準(zhǔn)值。

c）熱容量。

推力室結(jié)構(gòu)金屬溫度T動(dòng)態(tài)數(shù)值用能量平衡公式計(jì)算：

式中 dhi為輸入的熱量；Cp為溫度T下材料的比熱。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)特性仿真

利用上節(jié)建立的動(dòng)態(tài)仿真模型，在保持特定貯箱壓力情況下，選擇了5種推力室結(jié)構(gòu)溫度代表不同的初始熱容量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。常規(guī)地面試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖5。

圖4 不同推力室結(jié)構(gòu)溫度發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線Fig.4 Start Variation with Initial Chamber Metal Temperature

圖5 常規(guī)地面試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線Fig.5 Start Curve of Routine Test

從圖4和圖5可以看出，在常規(guī)試驗(yàn)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)仿真曲線和試驗(yàn)結(jié)果曲線一致性較好，仿真模型精度滿足分析要求。從仿真曲線可以看出其他溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)速度較常溫下偏慢，并且溫度越低，起動(dòng)速度越慢。即隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力室結(jié)構(gòu)溫度的降低，氫介質(zhì)溫度進(jìn)入冷卻夾套后獲得的熱量有限，發(fā)動(dòng)機(jī)初始起動(dòng)能量逐漸減弱，同時(shí)在起動(dòng)過(guò)程中，推力室內(nèi)燃?xì)鈱?duì)冷卻氫加熱的時(shí)滯性逐漸明顯，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)速度變慢，且起動(dòng)壓力峰值逐漸消失?？焖倥郎D(zhuǎn)折點(diǎn)與RL10發(fā)動(dòng)機(jī)一樣明顯推遲。分析結(jié)果也表明在推力室結(jié)構(gòu)溫度低至60 K時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)依然可以起動(dòng)，低于RL10發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件要求的結(jié)構(gòu)下限溫度。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)特性試驗(yàn)

為了獲得推力室冷卻夾套溫度較低情況下膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，與仿真分析結(jié)果互相印證，采用主動(dòng)冷卻推力室方式，利用3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一系列結(jié)構(gòu)溫度邊界起動(dòng)試驗(yàn)，研究推力室較低結(jié)構(gòu)溫度對(duì)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響。

以最低試驗(yàn)溫度為例進(jìn)行論述。該次試驗(yàn)時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷過(guò)程中推力室壁溫變化曲線如圖6所示。到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)前，沿縱向布置的3個(gè)推力室壁溫測(cè)量傳感器的溫度基本穩(wěn)定，且數(shù)值十分接近，均低于50 K，表明推力室結(jié)構(gòu)整體已達(dá)到溫度平衡，并接近冷卻氫溫度。隨后發(fā)動(dòng)機(jī)按照既定程序點(diǎn)火起動(dòng)。圖7為推力室不同壁溫情況下的起動(dòng)曲線。表1為獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)加速性數(shù)據(jù)。

圖6 推力室結(jié)構(gòu)溫度變化曲線Fig.6 Thrust Chamber Metal Temperature Variation

圖7 推力室不同結(jié)構(gòu)溫度條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)壓力曲線Fig.7 Start Variation with Initial Chamber Metal Temperature

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)加速性Tab.1 Start-up Acceleration

由發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)試驗(yàn)可知，不同的溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)加速性不同，溫度越低，起動(dòng)加速性越慢，表現(xiàn)出了與結(jié)構(gòu)溫度的正相關(guān)性，這與仿真分析結(jié)論一致。試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)在推力室結(jié)構(gòu)溫度達(dá)到 70 K時(shí)依然能夠可靠起動(dòng)，該溫度不僅覆蓋了美國(guó)RL10的結(jié)構(gòu)溫度，還向低溫方向進(jìn)一步拓寬了溫度范圍，表明中國(guó)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)具有較大的溫度裕度。該溫度遠(yuǎn)低于通過(guò)其它試驗(yàn)和仿真分析獲得的深空長(zhǎng)時(shí)間滑行的起動(dòng)溫度需求，對(duì)深空環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。按照發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)飛行中的某些故障模式進(jìn)行了評(píng)估。若飛行過(guò)程中故障模式出現(xiàn)，推力室結(jié)構(gòu)溫度被降低，可達(dá)到的溫度依然在這些試驗(yàn)驗(yàn)證溫度范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)依然可以正常起動(dòng)，不存在起動(dòng)失敗風(fēng)險(xiǎn)，表明了膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的起動(dòng)可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)及箱壓自身起動(dòng)技術(shù)決定了推力室結(jié)構(gòu)溫度是膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)高空初始起動(dòng)重要條件之一。通過(guò)仿真分析與低溫起動(dòng)試驗(yàn)獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)較低結(jié)構(gòu)溫度下的起動(dòng)特性，證明了膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)能力裕度高、健壯性好。