劉昌波

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

電動(dòng)泵與擠壓式推進(jìn)系統(tǒng)對比研究

劉昌波

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

對電動(dòng)泵和擠壓式推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了對比研究，主要考慮了氣瓶、增壓氣體、貯箱、電池和電機(jī)等因素對推進(jìn)系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)的擠壓式推進(jìn)系統(tǒng)，電動(dòng)泵供應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)具有明顯的優(yōu)勢，而且能夠獲得更高的綜合性能；鋰離子電池具有較大的能量密度和功率密度，更適合應(yīng)用于電動(dòng)泵供應(yīng)系統(tǒng)；采用高性能永磁電機(jī)能夠使得整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的質(zhì)量更輕。在實(shí)際推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合平衡發(fā)動(dòng)機(jī)推力、燃燒室壓力和工作時(shí)間等參數(shù)的影響，才能有效地控制電池和電機(jī)的質(zhì)量，保證整個(gè)系統(tǒng)具有較高的綜合性能。

電動(dòng)泵；推進(jìn)系統(tǒng)；鋰離子電池；電機(jī)

0 引言

液體火箭常用的推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)可以分為2種：擠壓式和泵壓式系統(tǒng)。擠壓式系統(tǒng)比較簡單，但需要高壓氣體/氣瓶/貯箱，故系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，一般適應(yīng)于推力較小、總沖需求較低的推進(jìn)系統(tǒng)。泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量相對較小，但發(fā)動(dòng)機(jī)需要復(fù)雜的渦輪泵系統(tǒng)，研制成本高、周期長，一般適應(yīng)于推力較大、總沖需求較高的推進(jìn)系統(tǒng)。隨著電池和電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，小推力、低總沖需求的推進(jìn)系統(tǒng)采用電動(dòng)泵供應(yīng)推進(jìn)劑已經(jīng)成為可能。如，最近Rocket Lab公司提出了全電動(dòng)泵供應(yīng)系統(tǒng)的小型火箭Electron方案。

采用大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑增壓往往需要很高的功率。如某助推發(fā)動(dòng)機(jī)，地面推力約 750 kN，兩泵需要提供約3.6 MW功率輸入才能保證系統(tǒng)的功率平衡。按照目前的釹鐵硼永磁電機(jī)能夠達(dá)到約3 kW/kg功率密度來計(jì)算，即使假設(shè)電機(jī)的效率為1.0，所需電機(jī)的質(zhì)量也有約1.2 t，如果再加上電池的重量，則整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)將太過于笨重而沒有實(shí)用性。因此，電動(dòng)泵供應(yīng)系統(tǒng)比較適合于較小功率需求的推進(jìn)系統(tǒng)，這就與擠壓式系統(tǒng)形成了直接競爭關(guān)系[1]，對較小推力、較低總沖需求的泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)也有很好的適應(yīng)性。對電動(dòng)泵推進(jìn)系統(tǒng)，本文將結(jié)合同等推力量級(jí)的擠壓式系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

不管擠壓式系統(tǒng)，還是電動(dòng)泵系統(tǒng)，都包含氣瓶、貯箱、推力室、各種閥門、總裝管路等結(jié)構(gòu)組件以及增壓氣體和推進(jìn)劑。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，相同應(yīng)用條件下，2種系統(tǒng)存在較大差別的主要是氣瓶、貯箱、增壓氣體量和推進(jìn)劑量，下面的分析將不考慮各種閥門、總裝組件和推力室的質(zhì)量，即認(rèn)為2種推進(jìn)系統(tǒng)的這些組件的質(zhì)量相同。因此各方案的系統(tǒng)質(zhì)量要比實(shí)際值偏小，但這并不影響對比分析的結(jié)論。下面重點(diǎn)對各方案進(jìn)行對比分析，揭示不同方案和因素對推進(jìn)系統(tǒng)的影響規(guī)律。

1 推進(jìn)系統(tǒng)總體參數(shù)

要對整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，需要首先確定與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的性能參數(shù)。一般情況下，根據(jù)任務(wù)需求，可以確定所需推進(jìn)劑組合、混合比、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、比沖和工作時(shí)間等參數(shù)，這樣就可以對其他參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。如，氧化劑流量：

燃料流量：

氧化劑總質(zhì)量：

貯箱的總體積：

燃料的總質(zhì)量：

貯箱總體積：

式中：r為混合比；Fv為發(fā)動(dòng)機(jī)推力；Iv為比沖；t為工作時(shí)間；ηt為貯箱排空率，一般取0.99；ηb為氣墊占貯箱的容積比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取2.5%；ρo為氧化劑的密度；ρf為燃料的密度。

雖然永磁電機(jī)的功率密度已經(jīng)得到了很大的提高，但相對于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求而言仍然偏小，故在氧化劑路和燃料路各設(shè)置一臺(tái)電機(jī)。這樣有如下好處：

1)可以根據(jù)各泵的比轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)效率最優(yōu)的泵，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以取泵的效率ηp=0.68，有利于提高整個(gè)電動(dòng)泵系統(tǒng)的效率；

2)與整個(gè)系統(tǒng)采用單電機(jī)的方案相比，可以降低單臺(tái)電機(jī)的質(zhì)量，從而降低電機(jī)的設(shè)計(jì)難度。

根據(jù)推進(jìn)劑流量和功率需求可以求得各泵的功率，氧化劑泵的功率：

燃料泵的功率：

式中：Δpo為氧化劑泵出入口之間的壓差；Δpf為燃料泵出入口之間的壓差。

2 氣瓶及增壓氣體參數(shù)

不管擠壓式系統(tǒng)，還是電動(dòng)泵系統(tǒng)，都需要?dú)馄亢驮鰤簹怏w，但需求量差別很大。氣瓶參數(shù)主要參考GB 150-1998《鋼制壓力容器》來計(jì)算。假設(shè)初始狀態(tài)貯箱氣墊溫度與氣瓶溫度相同，氣體在給貯箱充氣過程中發(fā)生多變過程，則所需氣瓶的體積可以按式 (3)計(jì)算，這里不考慮耗氣量，如減壓閥工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生氣體泄出、電動(dòng)氣閥耗氣等：

式中：C1和C2為常數(shù)；pg0為氣瓶初始?jí)毫?；pg1為氣瓶充氣結(jié)束時(shí)的壓力；pt和Vt分別為貯箱的壓力和容積；pu和Vu分別為氣墊的壓力和容積；n為氣體的多變指數(shù)。假設(shè)氣瓶為球形，則氣瓶的直徑為：，則氣瓶壁厚：

氣瓶質(zhì)量：

式中：σb為材料的屈服應(yīng)力；φ為焊縫因子，一般取1.0；ng為形狀因子，一般取1.2。調(diào)整常數(shù)C與材料的加工方法等因素相關(guān)，作為估算可以取C＝0.15δ，

假設(shè)氣瓶氣體為理想氣體，則充氣質(zhì)量估算可以采用式：

式中：Rg為氣體常數(shù)；T為氣體溫度。

3 貯箱參數(shù)

擠壓式系統(tǒng)一般采用高壓貯箱，而電動(dòng)泵系統(tǒng)的貯箱壓力一般很低，因此2種推進(jìn)系統(tǒng)的貯箱結(jié)構(gòu)質(zhì)量差別也很大。在進(jìn)行貯箱參數(shù)計(jì)算之前，作以下假設(shè)：

1)當(dāng)貯箱容積小于 0.523 m3（直徑 d約1.0 m）時(shí)，采用單個(gè)球形貯箱；當(dāng)貯箱容積大于0.523 m3且小于1.046 m3時(shí)，采用2個(gè)球形貯箱，此時(shí)每個(gè)球形貯箱的直徑均小于1.0 m；如果貯箱容積大于1.046 m3時(shí)，增加內(nèi)徑為1.0 m的圓柱段，兩端采用內(nèi)徑1.0 m的半球，通過調(diào)整圓柱段的高度來調(diào)節(jié)貯箱容積。

2)貯箱的安全系數(shù)取2.0，貯箱壁厚計(jì)算公式選取GB 150-1998《鋼制壓力容器》中的內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算公式。

球形貯箱壁厚的計(jì)算公式：

式中：pt為貯箱壓力；φ為焊縫系數(shù)，計(jì)算時(shí)全部假設(shè)為1.0；附加厚度取C=0.5 mm。貯箱質(zhì)量：

圓柱形貯箱的壁厚：

2個(gè)封頭即為一個(gè)圓球，其質(zhì)量也可以按式 (6)進(jìn)行估計(jì)。圓柱段質(zhì)量：

式中h為圓柱段的高度，可以根據(jù)假設(shè)1)計(jì)算。

4 電池和電機(jī)性能

如果采用電動(dòng)泵，還需要原始電能來驅(qū)動(dòng)。提供電能的常用裝置有超級(jí)電容和電池。目前，超級(jí)電容的能量密度太小，主流電容器的能量密度均小于10 Wh/kg[2]，比較有希望提高能量密度的石墨烯和陶瓷基超級(jí)電容還處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)[3]。因此本文將重點(diǎn)研究以電池作為驅(qū)動(dòng)電源的方案。

幾種常用的電池如表1所示[2,5,13-14]。鉛酸電池和鎳隔電池的技術(shù)很成熟，但實(shí)際比能量太低；如果推進(jìn)劑采用氫/氧（或能夠構(gòu)成燃料電池的甲醇/氧等）組合，可以考慮采用燃料電池的方案，這樣燃料電池可以采用與主動(dòng)力相同的推進(jìn)劑組合，整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)將得到簡化，但不作為本文的研究重點(diǎn)。

表1 幾種常見電池的性能Tab.1 Performances of several common batteries

本研究將重點(diǎn)考慮采用鋰電池作為驅(qū)動(dòng)電源的方案。鋰亞硫酰氯電池屬于一次電池，已經(jīng)在水下無人運(yùn)載器上獲得應(yīng)用[4-5]，盡管該電池的能量密度能夠達(dá)到約500 Wh/kg，但其功率密度相對較低[6]，大功率放電時(shí)能量密度降為約140 W/kg，不適合作為電動(dòng)泵系統(tǒng)的電源。根據(jù)鋰離子電池使用的材料不同又可以分為鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰及三元鋰等[7]，其中三元鋰電池的研究成果最值得關(guān)注[8-9]。如，美國特斯拉公司生產(chǎn)的Model S純電動(dòng)汽車，采用了7 000多節(jié)NCR18650A改性三元鋰電池，電池組達(dá)到了170 Wh/kg，可以充電85 kWh，續(xù)航里程426 km。經(jīng)過努力，日本Panasonic又推出了NCR18650B電池，標(biāo)稱容量3 350 mAh，重量僅48.5 g，容積密度676 Wh/L，能量密度243 Wh/kg，這代表了目前鋰離子電池批產(chǎn)的最高應(yīng)用水平。此外，鋰硫電池的研究成果也非常值得關(guān)注[10-11]，實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)獲得的能量密度超過了1 kWh/kg。美國Sion Power公司研制的鋰硫電池應(yīng)用于無人飛機(jī)上，白天依靠太陽能充電，晚上依靠鋰硫電池放電，連續(xù)飛行了14天。該鋰硫電池的能量密度達(dá)到了350～380 Wh/kg[12]，循環(huán)次數(shù)達(dá)到了1 000次。綜上分析，電動(dòng)泵系統(tǒng)將重點(diǎn)研究采用高比能的三元鋰電池和鋰硫電池作為電源的方案。

電池的質(zhì)量按照能量密度和功率密度來計(jì)算：

式中：P為功率需求；E為總能量需求；δP和δE分別為電池的功率密度和能量密度。

傳統(tǒng)電機(jī)采用線圈勵(lì)磁，結(jié)構(gòu)笨重。隨著永磁材料的不斷發(fā)展，特別是釹鐵硼稀土永磁材料的進(jìn)步[15-17]，電機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量得到明顯的降低。如10 kW電機(jī)，采用線圈勵(lì)磁時(shí)重量約為220 kg，而換成稀土永磁材料后重量僅為92 kg[17]，重量減輕54.2%。隨著研究的深入，稀土永磁材料的性能也在不斷提高。如，北京大學(xué)應(yīng)用磁學(xué)中心[16]開發(fā)的稀土鐵氮磁粉最大磁能積達(dá)到快淬釹鐵硼磁粉的至少2倍以上。稀土永磁材料性能及設(shè)計(jì)手段的提高將會(huì)進(jìn)一步減輕電機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。目前，釹鐵硼稀土電機(jī)的功率密度可以達(dá)到3 kW/kg以上，效率一般均在95%以上。如YASA電機(jī)公司生產(chǎn)的YASA-250電機(jī)，額定功率65 kW，電機(jī)的重量只有18 kg，功率密度為3.6 kW/kg；YASA-400電機(jī)，額定功率85 kW，重量24 kg，功率密度3.5 kW/kg。作為電動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)源，直流無刷電機(jī)值得重視[18]，這種電機(jī)具有高精度、高效率和高轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于電動(dòng)泵系統(tǒng)。

推進(jìn)系統(tǒng)為了獲得高性能，減輕整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量，電源重點(diǎn)考慮三元鋰離子電池和鋰硫電池，電機(jī)采用直流無刷稀土永磁高性能電機(jī)。

5 計(jì)算結(jié)果

小推力、低總沖系統(tǒng)主要應(yīng)用于空間推進(jìn)系統(tǒng)，這里選擇典型的案例，來研究電動(dòng)泵系統(tǒng)在航天推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用。推進(jìn)劑組合選擇常用的N2O4/MMH，為了獲得較高的性能，發(fā)動(dòng)機(jī)混合比取2.0，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖取3 140 m/s(320 s)。目前，常用的氣瓶壓力為20～35 MPa，研究時(shí)均取30 MPa，材料選擇常用的高強(qiáng)度鈦合金（TC-4），屈服強(qiáng)度σb為870 MPa（見GB 6613-86《重要用途的TC4鈦合金板材》）。增壓氣體選擇增壓能力較好的氦氣[19]。擠壓式系統(tǒng)貯箱最低壓力取2.0 MPa，材料采用鈦合金（TC-4）。電動(dòng)泵系統(tǒng)的貯箱壓力選擇為0.4 MPa，由于壓力較低，因此選擇更輕質(zhì)的鋁合金材料，常用于貯箱制造的為鋁合金2219。鋰離子電池組的能量密度選擇220 Wh/kg，功率密度選擇2 kW/kg；鋰硫電池組的能量密度選擇 350 Wh/kg，功率密度選擇1.2 kW/kg，電池能量的余量系數(shù)均取為1.2。電機(jī)的功率密度選擇為3 kW/kg。泵的功率密度一般較大，如某50 kN高空發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑泵約23 kW/kg，燃料泵約 15 kW/kg，計(jì)算時(shí)均取20 kW/kg，效率均取0.68。下面對各方案進(jìn)行對比分析。

為了對不同的系統(tǒng)方案進(jìn)行比較，引入?yún)?shù)：結(jié)構(gòu)與推進(jìn)劑的質(zhì)量比ms/mp，表示要貯存mp推進(jìn)劑所需要的結(jié)構(gòu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是評(píng)價(jià)推進(jìn)系統(tǒng)性能的一個(gè)綜合指標(biāo)，ms/mp的值越小，表明推進(jìn)系統(tǒng)的綜合性能越高。下面，首先采用典型的應(yīng)用案例，對電動(dòng)泵系統(tǒng)與擠壓式系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。再對影響推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量比的重要參數(shù)，如電池性能、電機(jī)性能、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、燃燒室壓力及工作時(shí)間等參數(shù)的影響進(jìn)行深入的對比分析。

5.1 擠壓式和電動(dòng)泵推進(jìn)系統(tǒng)對比

ms/mp與燃燒室壓力、推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)推力的關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力增大，推進(jìn)劑流量將增大，相同工作時(shí)間內(nèi)消耗的推進(jìn)劑總量增大，而推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加相對較慢，因此圖1中4種情況的ms/mp均隨之減小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力小于某一值（圖1中為20 kN）時(shí)，由于推進(jìn)劑的消耗量相對較少，每種推進(jìn)劑均可能采用單個(gè)球形貯箱，或2個(gè)球形貯箱，即貯箱方案變化很大，而導(dǎo)致ms/mp變化范圍較大。還可以看出，當(dāng)推進(jìn)劑消耗量較少時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量所占的比重均較大。如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力1 kN，燃燒室壓力1 MPa，工作時(shí)間為500 s時(shí)，推進(jìn)劑總消耗量只有約159 kg，擠壓式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量至少要23 kg以上，ms/mp約為0.147。當(dāng)推進(jìn)劑消耗量較大時(shí)，采用兩個(gè)圓柱形貯箱，ms/mp變化趨勢將變得平緩。

圖1 ms/mp與推力的關(guān)系Fig.1 Relationship between ms/mpand Fv

從圖1還可以看出，當(dāng)燃燒室壓力、工作時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)推力均相同時(shí)，擠壓式系統(tǒng)與推進(jìn)劑的質(zhì)量比明顯高于電動(dòng)泵系統(tǒng)與推進(jìn)劑的質(zhì)量比，這說明此時(shí)電動(dòng)泵系統(tǒng)較擠壓式系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。如當(dāng)燃燒室壓力為1 MPa，工作時(shí)間為500 s，發(fā)動(dòng)機(jī)推力40 kN時(shí)，擠壓式系統(tǒng)的ms/mp約為0.06，而電動(dòng)泵系統(tǒng)的ms/mp只有約為0.02。而且，進(jìn)一步提高燃燒室壓力，則擠壓式系統(tǒng)較電動(dòng)泵系統(tǒng)的質(zhì)量增加更快。如當(dāng)燃燒室壓力增大到2 MPa，工作時(shí)間為1 000 s，發(fā)動(dòng)機(jī)推力40 kN時(shí)，擠壓式系統(tǒng)的ms/mp達(dá)到了約0.10。此時(shí)，需消耗推進(jìn)劑約12.7 t，則整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的質(zhì)量約為1.27 t，而電動(dòng)泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量只有254 kg。這說明，電動(dòng)泵系統(tǒng)能夠適應(yīng)更高的燃燒室壓力，從而可以進(jìn)一步減小推力室質(zhì)量，或者相同結(jié)構(gòu)質(zhì)量下能夠獲得更高的發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能。

可以看出，隨著電機(jī)和電池技術(shù)的進(jìn)步，對推力較小、總沖需求較低的推進(jìn)系統(tǒng)，采用電動(dòng)泵供應(yīng)比傳統(tǒng)的擠壓式系統(tǒng)已經(jīng)具有明顯的優(yōu)勢。而且，采用電動(dòng)泵系統(tǒng)允許采用更高的燃燒室壓力，這樣還能夠獲得更高的綜合性能。

5.2 電動(dòng)泵系統(tǒng)的影響因素分析

5.2.1 電池類型

為了研究不同電池類型對推進(jìn)系統(tǒng)的影響，圖2給出了燃燒室壓力1.0 MPa，工作時(shí)間500 s時(shí)，ms/mp與推力變化的關(guān)系。從圖2中可看出，采用鋰硫電池推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量要更大一些，說明電動(dòng)泵系統(tǒng)主要是功率型需求，即電池功率密度對整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)影響更大。如果能量密度很大而提供的功率密度較小是不適合用于電動(dòng)泵推進(jìn)系統(tǒng)。但如果工作時(shí)間較長，能量需求將會(huì)顯著增大，此時(shí)能量密度可能會(huì)成為電池質(zhì)量的控制參數(shù)。由于鋰離子電池技術(shù)更成熟，故下面重點(diǎn)對鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)泵系統(tǒng)的情況進(jìn)行分析。

圖2 pc=1 MPa,t=500 s時(shí)，ms/mp與推力的關(guān)系Fig.2 Relationship between ms/mpand Fvas pc=1 MPa and t=500 s

對采用鋰離子電池的推進(jìn)系統(tǒng)，電池和電機(jī)與推進(jìn)劑的質(zhì)量比如圖3所示。

圖3 不同組件的ms/mp與推力的關(guān)系(pc=1 MPa,t=500 s)Fig.3 Relationship between ms/mpof different components and Fvas pc=1 MPa and t=500 s

從圖3中可以看出，由于電機(jī)的功率密度較大，故其質(zhì)量較小，ms/mp也隨之較??；電池的功率密度偏小，則其質(zhì)量就稍大一些；由于其他結(jié)構(gòu)受貯箱的影響較大，當(dāng)貯箱由單個(gè)球形變成2個(gè)球形，再到2個(gè)圓柱形時(shí)，其質(zhì)量迅速減小，最后變成2個(gè)圓柱形貯箱后，變化趨勢變緩。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增大，泵所需功率正比增加，故電池和電機(jī)質(zhì)量均正比增加；同時(shí)推進(jìn)劑消耗量也在正比增加，故電池和電機(jī)與推進(jìn)劑的質(zhì)量比例保持不變。

5.2.2 燃燒室壓力、工作時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)推力

圖4給出了不同燃燒室壓力、工作時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)推力對ms/mp的影響關(guān)系。從圖4中可以看出，僅當(dāng)推力增大時(shí)，ms/mp開始減小較快，隨后基本保持不變。這說明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力較小時(shí)增大推力，推進(jìn)劑消耗量會(huì)大幅度增加，但整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加較慢；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力較大時(shí)增大發(fā)動(dòng)機(jī)推力，推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量將按幾乎固定的比例增大。當(dāng)僅提高燃燒室壓力時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)所需的功率提高，因此電池和電機(jī)的質(zhì)量均會(huì)增加，從而整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量也會(huì)迅速增加。如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力20 kN，工作時(shí)間500 s時(shí)，當(dāng)燃燒室壓力由 1.0 MPa提高到2.0 MPa時(shí)，ms/mp由0.022提高到0.026。圖5給出了推力5 kN/10 kN，工作時(shí)間1 000 s情況下，ms/mp隨燃燒室壓力的變化曲線?？梢钥闯觯?dāng)燃燒室壓力增大時(shí)，ms/mp的增大幅度越來越大，由于采用了電動(dòng)泵系統(tǒng)，故對一種推力量級(jí)的推進(jìn)系統(tǒng)，氣瓶、增壓氣體和貯箱等結(jié)構(gòu)質(zhì)量是不變的，只有電池和電機(jī)出現(xiàn)了大幅度增長。這也說明，功率需求的增加會(huì)顯著增加電池和電機(jī)的質(zhì)量，從而增加推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。僅增大工作時(shí)間，電機(jī)的質(zhì)量不會(huì)改變，但由于驅(qū)動(dòng)泵所需的能量不斷增加，因此電池的質(zhì)量會(huì)隨之增加，如圖6所示。由圖6可以看出，隨著燃燒室壓力、工作時(shí)間和推力的增大，電池的質(zhì)量均會(huì)增大。而推進(jìn)劑消耗量隨時(shí)間的增長更快，因此ms/mp仍然隨著時(shí)間的增大而減小，如圖7所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)推力或燃燒室壓力提高，所需功率均增大，電池和電機(jī)的質(zhì)量均相應(yīng)增加；工作時(shí)間加長，僅影響推進(jìn)系統(tǒng)的能量需求，只有電池的質(zhì)量會(huì)隨之增大。從減小整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量來看，電動(dòng)泵系統(tǒng)比較適應(yīng)于推力不太大、燃燒室壓力不太高和工作時(shí)間不太長的任務(wù)。

圖4 ms/mp與pc/t/Fv的關(guān)系Fig.4 ms/mpversus pc/t/Fv

圖5 Fv=5 kN/10 kN,t=1 000 s,ms/mp與室壓關(guān)系Fig.5 ms/mpvs pcas Fv=5 kN/10 kN and t=1000 s

圖6 電池質(zhì)量與pc/t/Fv的關(guān)系Fig.6 Relationship between battery mass and pc/t/Fv

圖7 ms/mp與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 ms/mpversus t

6 結(jié)論

通過對擠壓式與電動(dòng)泵推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行對比分析可以得到如下結(jié)論：

1)相同應(yīng)用情況下，電動(dòng)泵系統(tǒng)較擠壓式推進(jìn)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，而且可以采用更高的燃燒室壓力，能夠獲得更高的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2)目前，鋰離子電池具有較高的能量密度和功率密度，技術(shù)成熟，比較適合應(yīng)用于電動(dòng)泵推進(jìn)系統(tǒng)；高性能永磁電機(jī)是電動(dòng)泵系統(tǒng)的良好選擇。

3)電機(jī)質(zhì)量主要受發(fā)動(dòng)機(jī)推力和燃燒室壓力的影響；而電池質(zhì)量則主要受發(fā)動(dòng)機(jī)推力、燃燒室壓力和工作時(shí)間的綜合影響，推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮這些因素的影響。

[1]SOLDA N,LENTINI D.Opportunities for a liquid rocket feed system based on electric pumps[J].Journal of propulsion and power,2008,24(6):1340-1346.

[2]何東林,楊傳仁,秦登靜,等.高能量密度儲(chǔ)電材料研究現(xiàn)狀[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2011,1(10):49-55.

[3]楊德志,沈佳妮,楊曉偉,等.石墨烯基超級(jí)電容器研究進(jìn)展[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2014,3(1):1-8.

[4]蔡年生.UUV動(dòng)力電池現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].魚雷技術(shù), 2010,18(2):81-87.

[5]龔鋒,王力.UUV用動(dòng)力鋰電池綜述[J].船電技術(shù),2013, 33(8):16-20.

[6]黎紅,楊林億.鋰/亞硫酰氯電池的發(fā)展現(xiàn)狀[J].船電技術(shù),2009,29(8):57-60.

[7]康文政,李文成.電動(dòng)自行車用鋰電池 [J].中國自行車, 2013,26(10):78-80.

[8]崔妍,江衛(wèi)軍,張溪,等.三元鋰電池將成為后起之秀[J].中國金屬通報(bào),2013,20(28):30-31.

[9]游保平.動(dòng)力鋰電池困局[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2013,2 (6):652-654.

[10]墨柯.下一代二次鋰電池發(fā)展趨勢及展望[J].新材料產(chǎn)業(yè),2013(10):4-8.

[11]劉云霞,詹暉.鋰硫電池性能改進(jìn)的研究進(jìn)展[J].電池, 2013,43(5):296-299.

[12]李偉,姚岑,吳興隆,等.高比能鋰－硫電池研究進(jìn)展[J].分子科學(xué)學(xué)報(bào),2013,29(6):448-460.

[13]劉春娜.鋰硫電池研發(fā)動(dòng)態(tài) [J].電源技術(shù),2013,37(7): 1105-1106.

[14]索鎏敏,胡勇勝,李泓,等.高比能鋰硫二次電池研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào),2013,58(31):3172-3188.

[15]胡文艷.釹鐵硼永磁材料的性能及研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(2):151-155.

[16]楊金波,韓景智,劉順荃,等.新型永磁材料的研究[J].中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2013,43(10):1188-1205.

[17]朱俊.稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].中國重型裝備,2008,24(4):38-42.

[18]肖軍.解讀直流無刷永磁電機(jī)[J].電氣工程應(yīng)用,2012, 27(4):23-29.

[19]范瑞祥,田玉蓉,黃兵.新一代運(yùn)載火箭增壓技術(shù)研究[J].火箭推進(jìn),2012,38(4):9-16. FAN Ruixiang,TIAN Yurong,HUANG Bing.Study on pressurization of new generation launch vehicle[J]. Journal of rocket propulsion,2012,38(4):9-16.

（編輯：馬 杰）

Comparative study on electric pump and pressure-fed propulsion systems

LIU Changbo
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

The comparative study on the electric pump and pressure-fed propulsion systems are performed in this paper,in which the effects of gas vessel,compressed gas,tank,battery and electric motor are considered emphatically.The results show that the electric pump system is more advanced than the traditional pressure-fed system and can achieve higher general performance,the lithium ion battery is more suitable for the electric pump system due to its higher energy density and higher power density,and the high performance permanent magnet motor cam make the electric pump-fed propulsion system lighter.In the actual design of propulsion system,only by comprehensive balance of engine thrust,chamber pressure and duration time parameters,can the researchers optimize the mass of the battery and the electric motor effectively and guarantee higher general performance of the whole system.

electric pump;propulsion system;lithium ion battery;electric motor

V434-34

A

1672-9374(2017)02-0032-08

2016-06-26；

2016-11-20

劉昌波（1979—），男，博士，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室設(shè)計(jì)