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中国新一代液氧煤油发动机4:YF100/115十大关键技术
时间:2014-10-26 19:02 作者:李 斌 张小平 马冬英 浏览读取中…

我国液氧煤油发动机在借鉴国外技术的基础上,通过自主创新,整体技术达到国际先进水平。其中,1200 kN 发动机研制中突破了一系列项关键技术,开发了多种新材料和元器件。

4. 1 补燃循环技术

根据涡轮工质的不同,液体火箭发动机可以分为燃气发生器循环、补燃循环、膨胀循环等。与燃气发生器循环相比,补燃循环发动机的推进剂全部进入推力室燃烧,化学能得到充分释放。同时,驱动补燃循环发动机涡轮燃气由一种组元的全部流量和另一种组元的少部分流量燃烧产生,涡轮流量大,可以大幅度提高涡轮功率,发动机能够选择很高的燃烧室压力,使喷管面积比增加,从而提高发动机比冲。这两个因素使液氧煤油补燃循环发动机的性能比燃气发生器循环发动机提高 10%以上。

4. 2 起动技术

起动技术是液体火箭发动机的关键技术之一。180 kN 发动机采用外接能源起动,设置火药起动器、起动涡轮等装置,起动时火药起动器点火工作,产生燃气,驱动涡轮。涡轮泵转速达到一定值时,依次打开液氧主阀、发生器燃料阀,燃气发生器点火,产生燃气并进入推力室,此后打开推力室燃料阀,燃料进入推力室,与富氧燃气点火。在燃气驱动下,涡轮泵迅速起旋,完成起动。1200 kN 发动机采用不依靠外接能源的自身起动,简化了发动机系统。发动机起动时,首先打开液氧主阀,氧化剂在贮箱压力作用下进入燃气发生器。随后,打开发生器燃料阀,少量燃料在高压气体挤压下进入燃气发生器,与液氧燃烧,产生燃气驱动涡轮后进入推力室。最后,打开推力室燃料阀。为了保证起动的平稳,发动机设置了两种调节器,分别控制燃气发生器和推力室的燃料流量,实现了发动机的受控起动。

4. 3 高精度大范围调节器技术

流量调节器是液氧煤油发动机起动速率控制、推力调节和工况稳定的执行元件,功能多、调节精度高、工作压力高。调节过程采用液动、电动控制,通过滑阀强度和调节器流场静态、动态仿真,优选了稳流装置的滑阀座窗口结构,利用动态模拟试验,考核调节器工作特性。

4. 4 推力矢量控制技术

发动机的推力矢量控制是运载火箭姿态控制的关键。两型液氧煤油发动机均具有双向、单向摇摆功能。按照摇摆部位的不同,液体火箭发动机分为泵前摇摆和泵后摇摆,实现推力矢量控制。1200 kN 和 180 kN 发动机采用泵前摇摆方式,摇摆软管设置在氧化剂泵和燃料泵入口,其特点是摇摆装置压力低,易于实现。此外,1200 kN 发动机还利用涡轮出口的高压燃气,设置了滚动控制装置,使运载火箭在采用一台发动机时,可以实现俯仰、偏航和滚动的三维控制。

4. 5 高效稳定燃烧技术

燃烧稳定性是液体火箭发动机研制过程中经常遇到的重大问题,高频不稳定燃烧伴随强烈的机械振动并使燃烧室内部传热急剧升高,导致燃烧室烧毁。发动机推力越大,推力室尺寸越大,越容易发生燃烧稳定性问题。为了抑制高频不稳定燃烧,1200 kN 液氧煤油发动机推力室采用了一周六径的分区燃烧技术,在喷注器面设置隔板喷嘴,解决了燃烧稳定性问题。

4. 6 高压大热流长寿命推力室冷却技术

推力室是发动机的关键组件,需要在 3500℃左右的高温下工作,补燃循环发动机燃烧室压力高、热流密度大,推力室的冷却难度大。为了保证可靠冷却,液氧煤油发动机采用了多种技术的组合冷却,包括金属热防护镀层、多条冷却环带、高深宽比螺旋铣槽、内壁无焊缝成型、合理的冷却流路设计等技术,确保推力室的可靠冷却。

4. 7 高效涡轮泵技术

涡轮泵是影响发动机可靠性的关键,需要解决转子支撑技术、大范围轴向力平衡技术、涡轮抗烧蚀技术、低温高 DN 值轴承技术和组合式密封等多项技术难题。转子支撑结构是控制涡轮泵振动的关键,通过优化支撑刚度、调整和控制临界转速、改善转子支撑系统应变能分布,以有效降低振动量级。涡轮泵的轴向力由轴承承受,为了降低轴向力,采用平衡活塞技术,以补偿工况变化等因素造成的涡轮泵轴向力偏差。涡轮的工作环境为高温、高压的富氧环境,为此涡轮燃气通道内壁喷涂抗氧化热防护涂层。液氧煤油发动机轴承 DN 值高,采用低温高 DN 值轴承结构,轴承中采用了先进的镀膜技术。针对密封压力高和多次起停的要求,涡轮泵利用不同密封形式的特点,采用脱开式密封和常闭式端面密封相结合的组合式密封。同时,为了提高效率,氧泵采用较大的叶片出口安放角、较小的叶片包角等技术,涡轮采用小展弦比低反力式涡轮叶栅、涡轮径向间隙损失控制技术等。

4. 8 动静密封技术

液氧煤油发动机压力高,介质包括常温煤油、低温液氧和高温燃气等,阀门和管路的密封要求高,液氧主阀等阀门动密封采用了金属皮碗结构、弹簧蓄能密封圈结构、低温阀门活塞式动密封结构,管路静密封主要采用带冗余设计的特型金属密封结构。其中,特型金属密封设计先进、可靠性高,目前已被推广应用。

4. 9 加工试验技术

液氧煤油发动机加工试验难度大,主要包括复杂结构喷注器装配钎焊技术、喷管成形与加压钎焊技术、复杂结构精密铸造技术、大功率泵水力试验技术、涡轮吹风试验技术、流量调节器动特性试验技术、摇摆软管试验技术、大推力校验与测量技术、大流量低温推进剂流量测量技术、故障检测及健康诊断技术等。

4. 10 新材料与元器件

液氧煤油发动机研制中,带动了相关院所的技术进步,1200 kN 发动机共研制出了 48 种新材料和元器件,包括多种火箭煤油、高温合金、高强不锈钢、石墨、钛合金、涂层、镀层、焊丝、焊料以及控制电机等,这些新材料与元器件已推广应用于其它行业,推动了技术进步和经济发展。

(作者系西安航天动力研究所)

延伸阅读:

· 中国新一代液氧煤油发动机5:在长征567号上的应用
· 中国新一代液氧煤油发动机4:YF100/115十大关键技术 
· 中国新一代液氧煤油发动机3:YF100/115主要特性 
· 中国新一代液氧煤油发动机2:YF100与YF115的研制 
· 中国新一代液氧煤油发动机1:中美俄发动机现状 

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