肖立明，李 欣，侍 野，胡聲超，張 穎

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

上面級(jí)是一種介于運(yùn)載火箭和航天器之間的航天飛行器，如圖1所示。一般具備獨(dú)立的控制系統(tǒng)，能夠?qū)⒂行лd荷從過渡軌道進(jìn)一步送至預(yù)定的工作軌道或空間位置，具有較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性。上面級(jí)經(jīng)過多年的實(shí)踐和發(fā)展，已經(jīng)成為空間運(yùn)輸系統(tǒng)不可或缺的組成部分[1-2]。

遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)是我國(guó)針對(duì)二代導(dǎo)航二期MEO北斗衛(wèi)星直接入軌及多星發(fā)射任務(wù)研制、能夠兩次啟動(dòng)的新型上面級(jí)，是我國(guó)首個(gè)在軌滑行時(shí)間較長(zhǎng)的運(yùn)載器。上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)提供用于變軌所需要的動(dòng)力，同時(shí)提供姿態(tài)控制、推進(jìn)劑沉底、末速修正功能所需要的動(dòng)力，將上面級(jí)和有效載荷一起送入預(yù)定軌道。遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)在方案階段，主要完成了動(dòng)力系統(tǒng)選型論證、長(zhǎng)時(shí)間在軌推進(jìn)劑管理、并聯(lián)貯箱均衡輸送、加注夾氣抑制等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作，確保上面級(jí)圓滿完成各次飛行任務(wù)。

圖1 上面級(jí)Fig.1 Sketch of upper stage

本文在完成選型對(duì)比分析泵壓式與擠壓式動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了長(zhǎng)時(shí)間在軌推進(jìn)劑管理技術(shù)、基于連通管的并聯(lián)貯箱均衡輸送技術(shù)、復(fù)雜布局下輸送系統(tǒng)夾氣抑制技術(shù)、泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在軌適應(yīng)性技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了在某型號(hào)應(yīng)用情況，并結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間在軌上面級(jí)的未來需求，提出了動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的后續(xù)建議。

1 動(dòng)力系統(tǒng)選型分析

按照液體推進(jìn)劑供給方式的不同，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)主要分為擠壓式和泵壓式兩類。在動(dòng)力系統(tǒng)選型分析時(shí)，應(yīng)考慮總體任務(wù)的使用需求，例如加注量、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、空間布局、推力量級(jí)等因素，盡可能發(fā)揮這兩類供應(yīng)系統(tǒng)的各自優(yōu)勢(shì)。一般而言，衛(wèi)星等航天器通常選用擠壓式動(dòng)力系統(tǒng)，運(yùn)載火箭通常選用泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)，而介于兩者之間的上面級(jí)既可以選用擠壓式動(dòng)力系統(tǒng)，也可以選用泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)。

總體對(duì)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了較為廣泛的方案研究工作，對(duì)可行性較大的6種發(fā)動(dòng)機(jī)方案進(jìn)行了綜合分析，初步確定泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)和擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)作為兩種備選方案。通過真空比沖、系統(tǒng)質(zhì)量、多次啟動(dòng)能力、總體布局、動(dòng)力系統(tǒng)熱控技術(shù)、推進(jìn)劑管理技術(shù)、地面試驗(yàn)驗(yàn)證、使用維護(hù)性能、研制基礎(chǔ)、可靠性、研制進(jìn)度、研制成本等各方面因素的進(jìn)一步比較分析，在二代導(dǎo)航上面級(jí)運(yùn)載能力較為緊張的前提下，最終確定以泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)方案性能占優(yōu)，為首選方案。泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)如圖2所示。

圖2 泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.2 Sketch of pump-fed rocket engine

2 動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 長(zhǎng)時(shí)間在軌推進(jìn)劑管理技術(shù)

上面級(jí)滑行期間歷經(jīng)低重力環(huán)境，貯箱內(nèi)推進(jìn)劑與增壓氣體不再保持穩(wěn)定的界面，在外界擾動(dòng)下容易出現(xiàn)氣液夾雜或飄浮，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)，會(huì)帶來不利影響。為確保上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)兩次工作正常啟動(dòng)、飛行任務(wù)完成，必須采取合理的推進(jìn)劑管理技術(shù)方案，通過一定的措施保證上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)兩次啟動(dòng)前推進(jìn)劑聚集在貯箱出口，并且不夾雜氣體[3-4]。

我國(guó)傳統(tǒng)運(yùn)載火箭的滑行時(shí)間較短，均采用連續(xù)沉底方法，這種方法雖然可靠但消耗推進(jìn)劑較多，不能勝任長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)、數(shù)天的滑行任務(wù)。而上面級(jí)是我國(guó)首個(gè)滑行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6 h以上的運(yùn)載器，并且要求在長(zhǎng)時(shí)間滑行后能保證發(fā)動(dòng)機(jī)再次可靠啟動(dòng)。為此，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于長(zhǎng)時(shí)間滑行的上面級(jí)推進(jìn)劑管理方案，即采用組合推力間歇式沉底方法結(jié)合局部蓄留推進(jìn)劑管理裝置的推進(jìn)劑管理方案，間歇沉底工作順序如圖3所示，推進(jìn)劑管理裝置圖4所示。在整個(gè)滑行段前期均不進(jìn)行推進(jìn)劑管理，僅在主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之前的一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行間歇沉底，間歇沉底初期使用小推力進(jìn)行推進(jìn)劑重定位，在液面穩(wěn)定后的間歇沉底后期使用大推力來加速氣泡析出，通過間歇沉底使推進(jìn)劑聚集在貯箱底部，向發(fā)動(dòng)機(jī)提供滿足使用要求的推進(jìn)劑；推進(jìn)劑管理裝置用來防止氣體進(jìn)入輸送管，而不提供發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需要的推進(jìn)劑。

圖3 間歇沉底工作順序Fig.3 Sketch of discontinuous propellant settling

圖4 推進(jìn)劑管理裝置Fig.4 Sketch of propellant management device

通過采取上述推進(jìn)劑管理方案，既保證了推進(jìn)劑在上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)兩次啟動(dòng)之前的可靠沉底，又可以大大減少沉底發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的耗量，特別適用于類似上面級(jí)這種需要長(zhǎng)時(shí)間滑行、多次啟動(dòng)的運(yùn)載器。

2.2 基于連通管的并聯(lián)貯箱均衡輸送技術(shù)

遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)采用4個(gè)球柱形貯箱并聯(lián)為一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)推進(jìn)劑的方案,由于并聯(lián)貯箱的分支輸送管路流阻存在差異,且貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑管理裝置流阻也存在差異,若不采取措施將導(dǎo)致飛行過程中出現(xiàn)推進(jìn)劑消耗不平衡的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種推進(jìn)劑消耗不平衡的情況，一方面將增大上面級(jí)的質(zhì)心橫移，無疑這對(duì)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)提出了更高的要求；另一方面，還會(huì)導(dǎo)致貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑不可用量增加，最終影響上面級(jí)的運(yùn)載能力。

為此，分析了不均衡輸送產(chǎn)生的機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種基于連通管的均衡輸送技術(shù)方案，即通過貯箱下底口蓋，在同種推進(jìn)劑并聯(lián)兩貯箱之間新增一套連通管路的技術(shù)方案，用來抑制推進(jìn)劑輸送過程中的不均衡現(xiàn)象。此外，設(shè)計(jì)了一套并聯(lián)貯箱均衡輸送原理性試驗(yàn)系統(tǒng)，其原理如圖5所示，該系統(tǒng)驗(yàn)證了連通管方案的可行性及理論計(jì)算模型的正確性。最后，利用仿真計(jì)算對(duì)該方案在發(fā)動(dòng)機(jī)流量偏差、發(fā)動(dòng)機(jī)混合比偏差、輸送系統(tǒng)總流阻、分支流阻差、過載變化等條件下不均衡的抑制效果進(jìn)行了綜合評(píng)估，給出了具體的箭上連通管實(shí)施方案，典型的液位高度差隨時(shí)間變化仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

通過采取上述基于連通管的并聯(lián)貯箱均衡輸送方案，保證了上面級(jí)飛行過程中并聯(lián)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑消耗的同步性，一方面能減小上面級(jí)整體質(zhì)心橫移偏差，有效地增加上面級(jí)姿控系統(tǒng)控制力裕度，減小姿控推進(jìn)劑耗量;另一方面能有效減小推進(jìn)劑的不可用量，最終使上面級(jí)的運(yùn)載能力得到提高[5-6]。

2.3 復(fù)雜布局下輸送系統(tǒng)夾氣抑制技術(shù)

相比于大型基礎(chǔ)級(jí)火箭，遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)箭上加注管及輸送管具有尺寸小、布局走向復(fù)雜、存在多處局部最高點(diǎn)和局部最低點(diǎn)及管系中的部分管段高于貯箱底部等特點(diǎn)，造成在加注過程中輸送系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)氣液夾雜的現(xiàn)象。同時(shí)針對(duì)貯箱底部安裝的推進(jìn)劑管理裝置而言，一旦底部的篩網(wǎng)被液體浸潤(rùn)，就開始起到氣液分離的作用，若后續(xù)加注的推進(jìn)劑出現(xiàn)夾雜現(xiàn)象，則液體可通過篩網(wǎng)進(jìn)入貯箱，而夾雜氣體被篩網(wǎng)攔截后無法進(jìn)入貯箱，仍留存于輸送管之中。氣體收集裝置如圖7所示。從原理性試驗(yàn)收集的夾氣量來看，加注過程中輸送系統(tǒng)會(huì)殘存夾雜數(shù)百毫升量級(jí)的氣體，夾雜有氣體的推進(jìn)劑將直接威脅發(fā)動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)和穩(wěn)定工作，存在一定的隱患和風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 均衡輸送原理性試驗(yàn)原理圖Fig.5 Sketch of balanced supplying principe test

圖6 并聯(lián)貯箱液位高度差變化仿真計(jì)算結(jié)果Fig.6 Emulation sketch of the change of liquid height difference in parallel tank

圖7 氣體收集裝置Fig.7 Sketch of gas collecting device

為此，一方面通過加注過程原理性試驗(yàn)獲取不同加注流量下氣泡在輸送系統(tǒng)內(nèi)的分布規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化加注流量，采用全程小流量加注方案，避免輸送系統(tǒng)的水平段管路及貯箱出口段管路在加注過程中夾雜氣泡；另一方面，在發(fā)動(dòng)機(jī)主閥前設(shè)置排放閥和排放管路，在發(fā)動(dòng)機(jī)每次點(diǎn)火前均設(shè)計(jì)排放時(shí)序，保證輸送系統(tǒng)供應(yīng)液體推進(jìn)劑，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)點(diǎn)火可靠。

通過上述全程小流量加注結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)高空排放的措施，可以解決上面級(jí)輸送系統(tǒng)加注夾氣問題，有效降低了上面級(jí)飛行過程中發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在軌適應(yīng)性技術(shù)

為適應(yīng)上面級(jí)發(fā)射任務(wù)的需求，泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)需要6.5 h長(zhǎng)時(shí)間在軌工作。發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度受到深冷低溫的空間背景、太陽輻照、地球紅外輻射、地球反照等復(fù)雜的空間熱環(huán)境，以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)自身羽流、熱輻射、關(guān)機(jī)后的熱反浸等因素的影響，熱環(huán)境條件極其惡劣、復(fù)雜，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度變化劇烈[7-9]。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件對(duì)溫度控制均有嚴(yán)格要求，其典型部件的溫控范圍如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)典型部件控溫范圍

為此，發(fā)動(dòng)機(jī)采用以被動(dòng)熱控為主、主動(dòng)電加熱控制為輔的熱控方案實(shí)現(xiàn)飛行過程中的熱環(huán)境控制。其主要閥門及管路的外表面均包覆多層隔熱組件，外表面膜為單面鍍鋁的聚酰亞胺薄膜。同時(shí)，針對(duì)6處溫度可能偏低的管路及推力室擴(kuò)張段采取主動(dòng)電加熱的控溫措施，額定加熱功率不超過38.8 W。通過上述主動(dòng)熱控、被動(dòng)熱控相結(jié)合的措施，確保泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)在軌期間各組件的溫度均處于正?？販胤秶畠?nèi)，使其能再次正常啟動(dòng)及穩(wěn)定工作。

3 動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用情況

長(zhǎng)時(shí)間在軌的動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)已成功應(yīng)用于遠(yuǎn)征上面級(jí)，該上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)采用泵壓式供應(yīng)方案，具備空間二次啟動(dòng)能力，在軌時(shí)間為6.5 h。發(fā)動(dòng)機(jī)使用常規(guī)可貯存雙組元四氧化二氮和偏二甲肼推進(jìn)劑，采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式，屬于固定推力常規(guī)雙組元推進(jìn)劑泵壓式開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用被動(dòng)熱控結(jié)合主動(dòng)電加熱的控溫措施。貯箱增壓采用氣瓶貯氣式常溫氦氣開式增壓方案，輸送系統(tǒng)采用基于連通管的并聯(lián)貯箱均衡輸送方案，并采用推進(jìn)劑加注全程小流量加注結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)高空排放的方式抑制輸送系統(tǒng)夾氣。推進(jìn)劑管理采用組合推力間歇式沉底方法結(jié)合局部蓄留推進(jìn)劑管理裝置的技術(shù)方案。

上面級(jí)歷次飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，輸送系統(tǒng)能夠提供不夾氣的液體推進(jìn)劑，為主發(fā)動(dòng)機(jī)提供了良好的啟動(dòng)條件，主發(fā)動(dòng)機(jī)按照預(yù)定的飛行時(shí)序順利完成了變軌工作，性能參數(shù)滿足使用要求。同時(shí)并聯(lián)貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑均衡輸送，消耗不平衡現(xiàn)象得到有效抑制。此外，推進(jìn)劑管理裝置能夠?qū)崿F(xiàn)液體推進(jìn)劑低重力條件下的有效蓄留，推進(jìn)劑間歇沉底方案穩(wěn)定可靠。

因此，長(zhǎng)時(shí)間在軌上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓輸送、推進(jìn)劑管理等各分系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)、匹配，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)均已得到突破和驗(yàn)證，動(dòng)力系統(tǒng)總體技術(shù)方案合理可行。

4 后續(xù)發(fā)展建議

綜合前文上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的分析及應(yīng)用情況，提出以下幾點(diǎn)發(fā)展建議[10-11]：

1)開展泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)多次啟動(dòng)技術(shù)研究。為充分發(fā)揮在軌級(jí)航天器的潛力，適應(yīng)多種軌道任務(wù)要求，后續(xù)還需繼續(xù)開展多次啟動(dòng)的技術(shù)攻關(guān)。

2)開展上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)可延伸噴管段技術(shù)研究。為縮小發(fā)動(dòng)機(jī)噴管長(zhǎng)度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，進(jìn)一步發(fā)揮泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力；同時(shí)開展可搖擺式噴管研究，適應(yīng)多星部署、大質(zhì)心偏移等未來發(fā)展要求。

3)開展變推力技術(shù)研究。目前遠(yuǎn)征系列上面級(jí)尚不具備變推力能力，后續(xù)可借鑒變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，逐漸發(fā)展遠(yuǎn)征上面級(jí)的變推力能力，提升其適應(yīng)未來空間任務(wù)的靈活性。

4)開展泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)姿軌控一體化方案研究。針對(duì)遠(yuǎn)征上面級(jí)多次啟動(dòng)、輕質(zhì)化高性能的后續(xù)發(fā)展需求，需突破泵壓式姿軌控一體化技術(shù)，掌握泵壓式一體化氣、液供應(yīng)方法，解決多次啟動(dòng)難題，優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)配置，提升上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的綜合性能。

5)開展泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)長(zhǎng)期在軌技術(shù)研究。遠(yuǎn)征上面級(jí)目前對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的在軌時(shí)間要求僅為6.5 h，不能滿足后續(xù)空間拓展任務(wù)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年的在軌要求。因此需提前開展長(zhǎng)期在軌適應(yīng)性研究，適應(yīng)泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓輸送系統(tǒng)及推進(jìn)劑管理更長(zhǎng)時(shí)間在軌的使用需求。

6)開展在軌推進(jìn)劑剩余量測(cè)量及預(yù)報(bào)技術(shù)研究。目前遠(yuǎn)征上面級(jí)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑剩余量無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，后續(xù)還需開展推進(jìn)劑剩余量測(cè)量及預(yù)報(bào)技術(shù)，盡可能準(zhǔn)確掌握貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑剩余量情況，向用戶提供接近真實(shí)水平的推進(jìn)劑剩余量信息。

5 結(jié)論

動(dòng)力系統(tǒng)是上面級(jí)的核心技術(shù)之一，其推力、比沖、啟動(dòng)次數(shù)和在軌工作時(shí)間直接決定了上面級(jí)飛行任務(wù)的范圍、規(guī)模和周期。長(zhǎng)時(shí)間在軌上面級(jí)泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)的成功研制及應(yīng)用，使上面級(jí)的綜合性能得到提升，有效拓展了上面級(jí)的應(yīng)用范圍。本文的主要研究成果如下：

1)對(duì)上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)選型論證過程進(jìn)行了總結(jié)分析，以泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的動(dòng)力系統(tǒng)方案在運(yùn)載能力方面占優(yōu)，因此被列為上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的首選方案。

2)總結(jié)了上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)研制過程中涉及的長(zhǎng)時(shí)間在軌推進(jìn)劑管理、基于連通管的并聯(lián)貯箱均衡輸送、復(fù)雜布局下輸送系統(tǒng)夾氣抑制、泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在軌適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)情況。

3)通過多次飛行試驗(yàn)的結(jié)果表明，動(dòng)力系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)均已得到工程突破和驗(yàn)證，技術(shù)方案合理可行。

4)結(jié)合上面級(jí)后續(xù)發(fā)展需求，提出了對(duì)泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)針對(duì)多次啟動(dòng)、可延伸噴管、搖擺噴管、變推力、姿軌控一體化方案、更長(zhǎng)時(shí)間在軌適應(yīng)性、在軌推進(jìn)劑剩余量測(cè)量及預(yù)報(bào)等方面的發(fā)展建議。