富氧补燃循环液氧煤油发动机深度推力调节方案对比分析

王海燕，邢理想，高玉闪，陈 文

(西安航天动力研究所，西安710100)

1 引言

液体火箭发动机作为目前火箭和空间飞行器的主要推进方式，具有诸多技术优势，其中推力可调的特点可以优化火箭运载能力，抑制飞行过载，提高操作灵活性，满足重复使用火箭垂直返回需求。

根据发动机系统方案和用途的不同，液体火箭发动机通过多种方式实现推力调节，如美国的登月下降级发动机LMDE，采用四氧化二氮和混肼50 推进剂、挤压式供应系统，通过针栓式喷注器和可变面积汽蚀管实现10 ∶1的变推力能力[1]；航天飞机主发动机SSME 采用液氧液氢推进剂、富燃补燃循环，通过控制驱动氧涡轮泵的富燃燃气发生器的氧流量来实现额定工况65%～109%范围内的推力调节[2]；垂直起降验证机DC-X 的发动机RL10 A-5 采用液氧液氢推进剂、膨胀循环，通过涡轮工质分流的方式实现额定工况30%～100%范围内的推力调节[3]。 俄罗斯安加拉系列运载火箭主发动机RD-191 采用液氧煤油推进剂、富氧补燃循环，通过控制富氧燃气发生器的燃料流量实现额定工况38%～100%范围内的推力调节[3]；富燃补燃循环发动机RD-0120 通过调节富燃燃气发生器的氧化剂流量实现额定工况45%～100%范围内的推力调节[3]。

嫦娥三号探测器的7500 N变推力发动机采用四氧化二氮和一甲基肼推进剂、挤压式供应系统，通过针栓式喷注器和可变面积汽蚀管实现5 ∶1的推力调节[4]。 未来载人登月工程需要运载能力更大的高性能泵压式深度变推力登月下降级发动机，富氧补燃循环液氧煤油发动机有望在载人登月工程中得到应用。 中国已研制成功1200 kN富氧补燃循环液氧煤油发动机，推力调节范围为65%～100%[5]，但未能满足载人登月下降级发动机变推范围要求[6]，为此需要对富氧补燃循环液氧煤油发动机推力调节方式展开研究，探寻可实现更大变推力能力的调节方案。

本文从泵压式液体火箭发动机流量与泵扬程特性、供应系统负载特性匹配的角度来分析可能的推力调节方式，分析对比各调节方案的优劣，以确定可实现深度变推力的调节方式。

2 系统配置和推力调节原理

富氧补燃循环发动机是指全部氧化剂和少部分燃料进入燃气发生器进行燃烧，产生的富氧燃气驱动主涡轮做功，之后进入推力室进行补燃的液体动力装置。 系统原理[7]如图1 所示。

图1 富氧补燃循环液氧煤油发动机系统原理图[7]Fig.1 Schematic of oxidizer-rich gas staged combustion liquid oxygen/kerosene engine[7]

液体火箭发动机主要通过调节发动机的流量来实现变推力。 对于泵压式液体火箭发动机，发动机的流量与泵的扬程满足一定的关系，同时泵的扬程必须满足供应系统的负载要求，如图2 所示[8]。 通过改变涡轮泵的转速或供应系统的负载特性可实现发动机的流量调节。

图2 供应系统的负载特性、泵的扬程特性与流量的关系[8]Fig.2 Relationship between load characteristics of the supply system， pump head characteristics and flow rate[8]

富氧补燃循环发动机典型非线性数学模型如公式(1)～(7)所示[7]：

式中：F 为发动机的推力， qmo、qmf为发动机入口氧化剂和燃料流量， Ve为喷口燃气流速， pe为喷管出口压力，pa为环境压力，Ae为喷管出口面积，ηt为涡轮的效率，qmit为进入涡轮的流量，kgg、Rgg、Tgg为涡轮燃气定熵指数、气体常数和喷嘴入口总温，pit、pet为涡轮入口总压和出口总压，qmpf2为燃料二级泵流量，qmfc为推力室燃料流量，ρepo、ρepf1为氧泵后和燃料一级泵后推进剂密度，pepo、pepf1为氧泵和燃料一级泵出口压力，pgg为发生器压力，ξggo为发生器氧路的流阻系数，ξfc为推力室燃料主路流阻系数，ξitg为涡轮入口燃气路流阻系数。 通过改变涡轮流量qmit、涡轮燃气热力参数( kgg、Rgg、Tgg)、供应系统负载特性( ξggo、ξfc)，即可实现发动机推力调节。

3 推力调节方案对比

3.1 流量调节器控制发生器燃料流量

中国研制的1200 kN 富氧补燃循环液氧煤油发动机和俄罗斯研制的RD-170、RD-180、RD-0124 等发动机[9]均采用了流量调节器来调节发动机的推力。 流量调节器能够精确控制流量，其数学模型[7]如公式(8)～(10)所示：

式中： Δpta、qmta为推力调节元件(流量调节器)的压降和流量， Δpihfg为发生器燃料喷嘴压降，Δppip为从燃料二级泵出口到发生器燃料喷嘴之间的管路、节流圈和阀门等元件的压降，pepf2为燃料二级泵出口压力。 流量调节器的流量只与阀芯的开度α 有关，在高于起调压降的压力范围内能够保证各工况的流量不受其它参数波动的影响。 发动机的推力控制精度高达1%。

图3 采用流量调节器调节发生器燃料流量的发动机推力调节特性Fig.3 Thrust regulation characteristics of regulating generator fuel flow by flow regulator

发动机典型非线性静态数学模型与公式(8)～(10)配合，采用秩2 拟牛顿法进行求解，利用MATLAB 软件仿真得到流量调节器开度对推力的影响。 图3 是某型号富氧补燃循环液氧煤油发动机推力与主要性能参数的对应关系(发动机的混合比保持不变)。 减小流量调节器的开度，进入发生器的燃料流量减小，发生器温度和涡轮功率降低，主涡轮泵的转速下降(图3(c))，进入发动机的推进剂流量降低(图3(a))，最终实现推力下调。 涡轮的效率与U/C 相关(U 为涡轮圆周速度，与转速相关；C 为涡轮喷嘴出口绝热速度，与发生器温度相关)，由于燃气发生器温度和转速下降的幅度相当，因此涡轮的效率基本不变。 在推力降至41%时，泵的Q/n 仅下降17%(图3(d))，泵工况的变化幅度较小。 在推力下调的过程中推力调节元件(流量调节器)的压降降低(图3(b))，当低于起调压降时流量调节器将无法正常工作。 为此燃料二级泵需要具备较高的扬程特性。

从图3 可以看出，在推力下调到42%时，发生器温度下降到57%，发生器的混合比高达90，容易出现低频不稳定，不利于发动机稳定工作[7]；同时，当流量调节器的压降低于其起调压降时，流量调节器也无法正常工作。 以上两个因素限制了这种推力调节方式的调节范围。

3.2 节流阀控制发生器燃料流量

节流阀(设置在图1 中序号7 的位置)的数学模型[7]如公式(11)～(13)所示：

式中：ξl(α)为节流阀的流阻系数， ρpf2为燃料二级泵后推进剂密度。 节流阀的流量是其开度α、压降Δpta的函数。 额定推力时节流阀的开度大，对应的流阻系数小，进入发生器的燃料流量大；降推力时，减小节流阀开度，增大其流阻系数，使得进入发生器的燃料流量减小。 除此之外，节流阀的压降受燃料二级泵出口压力波动和发生器压力波动的影响，使得进入发生器的燃料流量也随之波动。 因此采用节流阀进行推力调节的精度低于流量调节器调节方案。 为了提高发动机的推力调节精度，需建立节流阀开度与室压的反馈机制，对推力进行实时调节。

发动机典型非线性静态数学模型与公式(11)～(13)配合，仿真得到节流阀开度对推力的影响。 采用节流阀进行推力调节时(发动机的混合比保持不变)，除了节流阀的压降之外(见图4)，其它参数的变化规律与采用流量调节器的推力调节方案是一致的。 这是因为对于同一发动机，在推力和混合比一定时，进入发动机的氧流量和燃料流量是一定的。 当供应系统的负载特性相同时，涡轮泵的功率一定，也就决定了进入发生器的燃料流量。 用于推力调节的节流阀在推力调节量较小时压降呈现增大的趋势，之后压降减小，这是发生器燃料路流量下降和节流阀流阻系数增大的平衡过程。 额定工况节流阀的压降仅需满足补偿系统偏差和修正参数波动的裕量即可，相比于采用流量调节器进行推力调节的方案，燃料二级泵的扬程可适当降低。 制约这种推力调节方式的因素仍然是低工况时发生器的混合比和温度。

3.3 涡轮工质分流

涡轮工质分流方案是通过调节设置在涡轮入口旁路的燃气分流阀(图1 中序号8)来改变进入涡轮做功的燃气流量，从而实现发动机推力的调节。 分流的燃气流量最终汇入涡轮出口，并进入推力室进行补燃。 燃气分流阀的数学模型如公式(14)～(17)所示[7]：

图4 节流阀的压降与推力的关系Fig.4 Relationship between pressure drop in throttle valve and thrust

式中：ξg(α)为燃气分流阀的流阻系数， ξggf为燃料二级泵到发生器燃料路的流阻系数。 燃气分流阀的流量是其开度α、进出口压力( pit、pet)和燃气热力参数( Rgg、Tgg)的函数。 燃气分流阀的开度变化时，涡轮进出口压差、燃气分流阀的流阻系数和发生器的温度均发生改变，因此影响燃气分流流量的环节较多，为了提高发动机的推力调节精度，需建立燃气分流阀开度与室压的反馈机制，对推力进行实时调节。

发动机典型非线性静态数学模型与公式(14)～(17)配合，仿真得到燃气分流阀开度对推力的影响。 图5 是涡轮工质分流方案的发动机参数变化规律(发动机的混合比保持不变)。 随着燃气分流流量增大，进入涡轮做功的燃气流量减小，涡轮功率降低，涡轮泵的转速下降，发动机入口推进剂流量减小(图5(a))，发动机推力降低；涡轮压比和燃气分流阀的压降降低(图5(b))，发生器的温度略有升高(图5(c))；涡轮的效率与U/C 相关，由于发生器温度变化的幅度小，而转速下降幅度大，因此涡轮的效率降低。 在推力降至41%时，泵的Q/n 仅下降15%，泵工况的变化幅度小(图5(d))。

涡轮工质分流方案在低工况时发生器的混合比和燃气温度变化不大，组织燃烧更为容易，有利于发生器稳定工作。

图5 采用涡轮燃气分流的发动机推力调节特性Fig.5 Thrust regulation characteristics of turbine gas diffluent

3.4 推进剂供应主路调节

推力室是最终产生推力的装置，理论上通过节流改变进入推力室的氧化剂流量和燃料流量即可实现发动机的推力调节。

发动机典型非线性静态数学模型中氧化剂主路流阻系数 ξggo(α)和燃料主路流阻系数ξfc( α)是相应阀门开度的函数，发生器燃料路流阻系数恒定，数学模型采用公式(16)，仿真得到主路流阻系数对推力的影响。

图6 是氧化剂主路流阻系数对发动机性能参数的影响。 氧化剂主路的流阻系数增加时，发动机的推力和氧化剂流量变化不大，混合比下降(图6(a)、图6(b))。 这是因为推力室氧化剂供应路的特殊性，全部氧化剂并不直接进推力室，而是与少量燃料燃烧产生高温燃气后对涡轮做功，之后进入推力室补燃。 在对氧化剂主路进行节流时，既改变了涡轮的功率又改变了泵的负载特性。

图7 是燃料主路流阻系数对发动机性能参数的影响。 燃料主路流阻系数增加时，发动机的推力和混合比升高(图7(a))。 这主要是因为氧泵和燃料泵同轴，氧泵的功率大约是燃料泵功率的2 倍，燃料主路节流时燃料流量降低，燃料泵功率降低，涡轮泵功率最终平衡的结果是主涡轮泵转速升高(图7(c))，进入发动机的氧流量和进入发生器的燃料流量增加(图7(b))，导致发动机的推力和混合比升高。

这种调节特性是不期望看到的，因此富氧补燃循环发动机一般不采用对氧化剂主路和燃料主路调节的方式来调节推力。

3.5 流量调节器与氧化剂主路节流联合调节

通过减小发生器燃料流量来降低推力的方案，在低工况时发生器的混合比过高，不利于发生器稳定工作，为改善其工作条件，对氧化剂主路进行节流。 为简化系统，氧化剂主路节流元件的流阻系数ξggo(α1，α2)只设置两种状态，例如额定工况为小流阻状态，在推力降至额定工况的58%时，将氧化剂主路节流元件调至大流阻状态。

图6 采用氧化剂主路节流的发动机推力调节特性Fig.6 Thrust regulation characteristics of throttling oxidant main supply flow

图8是该调节方案的发动机参数变化规律。可以看出，由于氧泵的负载提高，相同推力下，进入发生器的燃料流量增加(图8(a))，发生器的混合比降低、温度升高(图8(c))；涡轮泵的转速升高，泵的Q/n 出现较大幅度的降低(图8(d))；发生器温度和涡轮泵转速上升的幅度不同，涡轮效率略有降低(图8(d))；推力调节元件的压降相应升高(图8(b))。 为防止系统参数过渡过程出现较大的振荡，需要适当控制氧化剂主路节流的速率[10]。

氧路节流的程度决定了工况进一步降低的程度，同时也决定了泵的工况变化幅度。 推力调节范围较大时，泵需要具备在Q/n 大范围变化条件下稳定工作的能力。

图7 采用燃料主路节流的发动机推力调节特性Fig.7 Thrust regulation characteristics of throttling fuel main supply flow

3.6 对比与分析

上述5 种方案的比较见表1。 富氧补燃循环液氧煤油发动机在氧化剂主路和燃料主路进行节流时，无法实现降推力，主要通过改变涡轮输入功率的方法来实现变推力，包括：①在发生器燃料路设置流量调节器或节流阀来改变涡轮工质的燃气温度；②通过燃气分流方案来改变驱动涡轮的工质流量。

图8 采用流量调节器调节发生器燃料流量和氧化剂主路节流相结合的发动机推力调节特性Fig.8 Thrust regulation characteristics of regulating generator fuel flow by flow regulator and throttling oxidant main supply flow

表1 调节方案比较Table 1 Comparison of throttling schemes

流量调节器或节流阀的设计难度小，但在较低工况时会出现发生器混合比过高的情况，因此需配合对氧化剂主路进行节流来改善发生器的工作条件。 高温燃气分流阀的设计难度大，但在变推力过程中发生器温度变化小，有利于发生器稳定工作。

4 结论

富氧补燃循环液氧煤油发动机通过发生器燃料路和氧路配合可实现推力大范围调节，但调节元件多，系统复杂。 通过涡轮燃气分流可实现推力深度调节，燃气分流阀有一定的研制基础，有望在工程研制中得到应用。

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