空间多次启动、长期在轨泵压式动力系统方案研究.pdf

2017年第 5期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.5 2017
总第 356期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.356
文章编号:1004-7182201705-0041-04 DOI:10.7654j.issn.1004-7182.20170510
空间多次启动、长期在轨泵压式动力系统方案研究
刘 畅, 刘 欣,肖立明, 东华鹏,顾伟军
北京宇航系统工程研究所,北京,100076
摘要:通过对国内外上面级动力系统技术现状与发展趋势进行分析,提出开展上面级提高启动次数、延长在轨时间研制
需求。采用液体推进剂启动箱启动的泵压式主发动机方案,可实现泵压式发动机空间多次启动;采用启动篮方案,可实现长
时间滑行多次启动推进剂管理。研究结果表明:多次启动、长期在轨泵压式动力系统使上面级的性能和任务适应性得到全面
提升。
关键词:液体推进剂;动力系统;多次启动;长期在轨;泵压
中图分类号:V43 文献标识码:A
0 引 言 次启动推进剂管理等关键技术后,将进步拓展上面
上面级作为航天运输系统的重要组成部分,由基 级的应用领域。
础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,能够将
有效载荷从准地球轨道或地球轨道送入预定工作轨道 1 动力系统优势分析
1.1 动力系统的分类
或预定空间位置的具有自主独立性的飞行器,具有多
液体动力系统根据推进剂供应方式的不同可分为
次启动、长期在轨、自主飞行等特点,能够完成轨道
泵压式动力系统和挤压式动力系统。泵压式动力系统
转移、空间部署等任务,是提高运载火箭任务适应性
的有效途径。 通过涡轮泵向发动机推力室输送推进剂,贮箱压力低;
挤压式动力系统直接利用贮箱压力将推进剂挤压到发
多次启动、长期在轨是上面级的主要技术特点。
动机推力室,没有涡轮泵,贮箱压力高。
美国的半人马座上面级、欧空局阿里安-5 的常温和低
1.2 动力系统优势分析
温上面级、俄罗斯的质子号 D级、微风上面级、 Fregrat
上面级等均具备多次启动能力。主动力启动次数小于 挤压系统和泵压系统各有优、缺点,在选择供应
系统时,应在满足航天器对发动机要求的前提下,尽
2 次、在轨工作时间不超过数小时的上面级是无法满足
量发挥其优点。挤压式动力系统和泵压式动力系统的
多星轨道部署、深空探测等拓展任务要求的。上面级
优缺点如表 1 所示。
具备多次启动、长时间在轨能力后,其任务适应性将
大大提升,特别是上面级的动力系统,突破空间高性
能泵压式多次启动技术、并联贮箱均衡输送技术、多
收稿日期:2016-10-13;修回日期:2017-08-30
作者简介:刘 畅1980-,男,高级工程师,主要研究方向为上面级动力系统
2017年第 5期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.5 2017
总第 356期 MISSIL 导 弹 E S与 AND 航 SP 天 ACE 运 载 VE HI 技CL 术 E 2017 S Sum No.356 年
表1 挤压式与泵压式系统比较
文章编号:1004-7182201705-0041-04 DOI:10.7654j.issn.1004-7182.201705飞行过程中, 10 接到启动指令后,按照定的时序,
类别 挤压式系统 泵压式系统
将氧化剂、燃料副阀和主阀分别打开,启动箱中的推
结构简单,易实现多 贮箱压力低,系统质量
进剂挤入燃气发生器,燃气发生器点火后产生高温、
空间多次启动、长期在轨泵压式动力系统方案研究
优点 次启动,供应压力较稳 轻、尺寸小,燃烧室压力高,
高压燃气驱动涡轮并带动泵工作,同时推进剂进入推
定 比冲较高
力室中燃烧并产生推力。当两泵出口压力上升,泵后
刘 畅, 刘 欣,肖立明, 东华鹏,顾伟军
总冲量大时,系统的 系统复杂;对于多次启
压力大于启动箱压力时,副系统路单向阀打开,泵后
北京宇航系统工程研究所,北京,100076
缺点 结构质量和尺寸大,燃 动,启动子系统复杂;热控
推进剂部分进入燃气发生器,继续驱动涡轮做功,
烧室压力低,比冲低 系统实施复杂
摘要:通过对国内外上面级动力系统技术现状与发展趋势进行分析,提出开展上面级提高启动次数、延长在轨时间研制
另部分克服启动箱气体压力,充填启动箱,当发动
需求。采用液体推进剂启动箱启动的泵压式主发动机方案,可实现泵压式发动机空间多次启动;采用启动篮方案,可实现长
机到达额定工况,两启动箱充填满。启动箱内推进剂
由表 1 可知,对于小推力、工作时间短的任务宜
时间滑行多次启动推进剂管理。研究结果表明:多次启动、长期在轨泵压式动力系统使上面级的性能和任务适应性得到全面
再次充满后,可以用于发动机的下次启动工作。
采用挤压式动力系统,对于推力大、工作时间长的任
提升。
泵压式动力系统多次启动发动机需突破的关键技
务,由于挤压式动力系统的结构质量大,因此采用泵
关键词:液体推进剂;动力系统;多次启动;长期在轨;泵压
术如下:
压式动力系 中图分类号 统可显著减 :V43 轻系统结构 文献标识码 质量,提高 :A 运载能
a密封技术。长时间工作和多次启动对发动机的
力。
密封性提出更高的要求。空间环境的高真空将带来材
料的疲劳、摩擦、蠕变性能的变化,降低组件完成其
2 泵压式动力系统关键技术
功能的能力;此外,长时间工作和长任务周期,需要
2.1 主发动机多次启动技术
考虑推进剂与材料的相容性问题。在组件的设计过程
对于启动次数少于 2 次的泵压式动力系统,可采
中,要充分考虑这些因素的影响。如在推力室设计中,
用火药启动器启动方案;启动次数若达到 2 次以上,
需要研究喷管延伸段材料在真空环境下的热辐射传热
多个火药启动器布局难度大,其应用受到限制。泵压
性能;在泵设计中,需要考虑失重对泵的影响。
式动力系统实现空间多次启动,可采用液体推进剂启
b热控技术。影响上面级发动机热环境的主要因
动箱方案。
素有外界辐射主要是太阳直接辐射、发动机本身热
achieve m 图 1 为采用 ultiple ignitions. 液体推进剂启动箱方案的泵压式多次 A start basket propellant management device is adopted to realize propellant management in long duration
辐射发生器、涡轮等高温组件热辐射情况下的高温
启动发动机系统工作原理。 of orbit. Due to these measures, the perfo rmance and flexibility of the upper stage are improved.
问题,以及没有热辐射情况下发动机向空间散热的低温
问题。根据发动机工作特性确定发动机结构热环境控温
目标时应充分考虑涡轮泵热反浸的影响,涡轮泵在每次
0 引 言 次启动推进剂管理等关键技术后,将进步拓展上面
启动工作结束后,涡轮的余热通过轴和壳体向泵进行热
上面级作为航天运输系统的重要组成部分,由基 级的应用领域。
传导和辐射简称热反浸,使泵入口温度上升,
础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,能够将<