三组元发动机试验供应系统建模与仿真

孙伟　杨培源

摘要：为满足三组元发动机地面热试车试验要求，设计了挤压式三组元发动机供应系统。采用AMESim软件建立了供应系统的仿真模型，对系统起动和转工况过程中管路的动力学特性进行了仿真分析。依据仿真结果对方案布局进行了优化，并验证了该供应系统的可行性。

关键词：三组元发动机;挤压式供应系统;AMESim仿真

中图分类号：V434.23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）08-0055-03

0 引言

三组元发动机是指以液氧、液氢和烃类燃料作为推进剂的液体火箭发动机。这种发动机通过在低空时使用高密度比冲推进剂，在高空时使用高比冲推进剂，达到降低运载器结构质量的目的[1]，是实现运载器单级入轨及可重复使用的重要部分。在地面试车阶段，推进剂供应系统一般有挤压式和泵压式[2]两种工作方式。由于挤压式供应系统实施起来更加简单可靠，因此成为研究人员的首選。本文对某挤压式三组元发动机试验供应系统进行了设计，采用AMESim软件对发动机供应系统进行了建模，并对发动机起动及转工况过程进行了仿真分析，验证该供应系统的可行性。

1 供应系统方案设计

挤压式发动机供应系统的工作原理是使用高压气体来建立供应压力，在贮箱之前安装高压气瓶，工作时气瓶中高压气体进入贮箱挤压氧化剂、燃料，使其进入燃烧室。根据地面试验要求，发动机供应系统的设计参数如表1所示。

根据表1所列各参数的技术指标要求，并结合实际情况，设计图1所示的供应系统方案。该系统包括三部分：液氧供应系统、液氢供应系统和煤油供应系统。为了实现三组元工况和双组元工况的方便转换，将液氧供应系统和氢气供应系统设计成双路传递。三组元工况由氢阀①控制，转双组元工况时打开氢阀②即可。液氧供应系统也采用与液氢供应系统类似的结构设计。在三组元工况时氧阀①、氧阀②均开启，转双组元工况时关闭氧阀②。煤油供应系统只设计一个阀门来控制，三组元工况时阀门打开，转到双组元工况时只需关闭阀门就能实现转工况过程。

2 仿真模型建立

2.1 系统模型搭建

AMESim是一款基于键合图的建模、仿真及动力学分析软件，它为用户提供了一个时域仿真建模环境，可使用已有模型或建立新的子模型元件，来构建优化设计所需的实际原型，方便用户建立复杂系统及特定应用实例，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果[3]。采用AMESim平台建立液氢、液氧和煤油供应系统仿真模型如图2所示。其中推进剂、贮箱、管路选用软件自带模块，文氏管、喷嘴、主阀和燃烧室根据问题实际进行了二次开发。可以看出，该仿真系统是做了一定程度简化的，主要体现在：（1）试验中贮箱压力是气体增压得到的，仿真中则将其设为定值;（2）在管路中，没有考虑液体温度和密度的变化;（3）管路存在弯头、重力等因素，仿真中则直接用流阻代替;（4）没有考虑吹除及液氢用于冷却的过程。

2.2 系统组件动力学模型

2.2.1 燃料贮箱

挤压式供应系统采用高压气体挤压推进剂方式，所以仿真采用的流体源模型为压力源模型。根据仿真的条件，压力源模型采用恒压型流体源。

2.2.2 喷注器[4]

对于喷注器，一个喷嘴相当于一个很小的节流孔，如果完全按照实际情况处理则必须建立很多的分支节流孔，增加了仿真的复杂程度。根据公式：Q=CqA                           （1）

式中：Q——通过节流孔的体积流量，m3·s

Cq——流量修正系数

A——节流孔面积，m2

ΔP——压差，Pa

ρ——过流液体的密度，kg·m3

在认为流量修正系数Cq相同的情况下，可以将这些喷嘴的面积全部加起来作为一个节流孔，从而使问题得以简化。

2.2.3 流体管路[5]

考虑流体的惯性和管路的摩擦损失，假设流体的密度不变，不考虑流体与管路的热交换，则流体管路动态方程为：

（2）

-gAsinθ-

u·                （3）

式中：q为管路体积流量，A为管路的流通面积，ρ为流体密度，d为管路直径，θ为管路和水平方向夹角，ff为管路的摩擦损失系数，B为等效体积弹性模量

（4）

式中：Bf是流体的体积模量，Bf=，Bw为管路材料的杨氏模量。

将搭建好的液氢、液氧、煤油供应系统仿真模型进行参数设置，煤油贮箱6.5MPa，液氢贮箱7.8MPa，液氧贮箱8MPa。均为恒压，工作时间5s。推进剂的参数设置为：ρRP=800kg/m3，TRP=15℃;=70kg/m3，=1140kg/m3，== -90K。运行仿真，仿真结果可以验证系统各部件设计参数的准确性及整个供应系统的可行性。

3 仿真结果与分析

3.1 起动过程

发动机的起动是试车能否转入正常工作的关键。起动段是变工况工作过程，各种参数值急剧变化。为保证发动机正常工作，本文从供应系统出发，通过起动过程仿真，分析阀门、调节元件和管路的不同布局对起动过程的影响，从中选出最佳方案对供应系统进行评估和改进。为了使分析过程更加方便直观，本文将三组元供应系统分成煤油供应系统、液氢供应系统和液氧供应系统三部分，并分别进行仿真，考察管路中压力变化情况。系统的起动时序参考了文献[6]：0s时，煤油系统主阀、液氢系统①阀、液氧系统①、②阀打开。

3.1.1 煤油供應系统起动过程仿真

煤油供应系统的第一种布局是气蚀文氏管在供应系统主阀上游，第二种布局是主阀在气蚀文氏管上游，如图3所示。

图4是两种布局下管路压力仿真结果对比。可以看到，两种情况下，煤油供应系统在起动过程中，管路中的压力变化情况基本一致，汽蚀文氏管和主阀的不同布局对煤油供应系统起动过程影响很小。

3.1.2 液氢供应系统起动过程仿真

图5是液氢供应系统的两种不同布局，图6是管路压力仿真结果对比。从液氢供应系统的仿真结果来看，不同的布局对液氢供应系统在起动过程中的影响很大。从图中可以看出，若采用第二种布局，起动时管路中的压力波动非常剧烈，最大波幅是第一种布局的6倍左右。这会对系统的其它元件产生极大的负担，严重时会使元件损毁，导致供应系统崩溃。而且，在第二种布局情况下，起动后压力达到稳定要比在第一种布局情况下延迟0.1s左右，这也将对燃烧室的点火会造成不利影响，达不到预期的试验效果。所以建议：在液氢供应系统中采用先接汽蚀文氏管，后接主阀的布局方式。

3.1.3 液氧供应系统起动过程仿真

如图7所示，液氧供应系统仿真时的不同布局，与液氢供应系统的仿真结构相似。通过图8液氧供应系统的仿真结果图可以发现，不同的结构布局对液氧供应系统在起动时的影响不如对液氢供应系统那么明显。不过在第二种布局中，管路中压力波动的波幅还是要高于第一种布局。两种布局中，供应系统起动后都需要0.3s～0.4s使压力稳定下来。尽管差别不是很明显，本文还是推荐第一种布局结构。而且最好三组系统都使用第一种布局，这样安装方便，利于操作，可以保证供应系统稳定工作。

3.2 转工况过程

转工况过程是液体火箭发动机工作的另一个重要阶段。这一过程中，管路中的压力和流量也会有很大变化。能否顺利完成转工况过程是对供应系统的重要考验，也是评定该系统是否合格的重要指标。

本文已经选定了先接汽蚀文氏管，后接主阀的供应系统布局方案，所以以该方案为基础进行了转工况过程的仿真。起动时序：0s时，煤油系统主阀、液氢系统①阀、液氧系统①、②阀打开;0.5s时，燃烧室点火。2.2s时转工况，煤油系统主阀关闭，液氢系统②阀打开，液氧系统②阀关闭。系统仿真结构图如图2所示。

从仿真结果图9可以看出，在2.2s转工况时液氢、液氧的压力都有明显的下降，在达到稳定之前液氢有0.3s左右的波动，波幅最大为5bar;液氧有0.4s ～0.5s的波动，波幅最大为3bar。液氢、液氧在转工况过程中的压力变化与燃烧室的压力（Pc）变化基本一致，这表明供应系统的设计满足试验要求。图10是燃烧室内三种推进剂的流量转工况过程的仿真结果，从中可以清楚看到：转工况时，液氢流量上升，液氧流量减少，煤油流量减少为0，与实际情况相符，证明该供应系统是可行的。

4 结论

本文根据发动机地面试验需要，设计了挤压式三组元供应系统。采用AMESim仿真平台，对单个系统的起动过程和全系统转工况过程进行了仿真，对方案可行性进行了分析，得到了以下结果：

（1）通过对两种不同布局起动过程的仿真，发现先接汽蚀文氏管，后接主阀的布局方式要优于第二种布局。特别是液氢供应系统，采用第一种布局，发动机起动过程中管路内压力的波动较弱，最大波幅仅为第二种布局的1/6，管路内压力达到稳定的时间比第二种布局少用0.1s。（2）对转工况过程的仿真，管路的仿真结果与燃烧室的仿真结果基本吻合，这证明了系统仿真的准确性，也证明该供应系统方案是可行的。

参考文献

[1] 朱宁昌，刘国球，等.液体火箭发动机设计（上、下）[M].北京：中国宇航出版社，1994.

[2] 郭霄峰，李耀华，等.液体火箭发动机试验[M].北京：中国宇航出版社，1990.

[3] 付永领，祁晓野.AMESim系统建模和仿真[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4] 李清廉.同轴式三组元喷嘴性能分析、工程应用及设计评定[D].长沙：国防科技大学，2003.

[5] 杨林涛，沈赤兵.基于AMESim的姿控发动机压力震荡传递特性研究[J].火箭推进，2016，45（3）：26-32.

[6] 范才智.三组元燃烧室实验系统动态过程研究[D].长沙：国防科技大学，2004.

Modeling and Simulation of Tripropellant Engine Test Feed System

SUN Wei， YANG Pei-yuan

（91550 Unit 41， Dalian Liaoning  116023）

Abstract：In order to meet the test requirements of the tripropellant engine ground thermal test， a pressure-fed tripropellant engine feed system was designed. The simulation model of the feed system was established by AMESim， and the dynamic characteristics of the pipeline during the system start-up and transfer conditions were simulated and analyzed. The layout of the scheme was optimized based on the simulation results， and the feasibility of the feed system was verified.

Key words：tripropellant engine; pressure-fed feed system; AMESim simulation