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柴油机配件-模拟真实发射全过程,深蓝航天雷霆-R1 发动机试车成功火箭发动机汽车知乎

来源:应急救援装备网  作者:蓝品汇优采云   2024-07-07 阅读:199

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通过模拟真实发射的全过程,可回收发动机试车取得了关键的里程碑。

乐天 8月30日

2023年8月,深蓝航天液体运载火箭“星云一号”的液氧煤油发动机“雷霆-R1”在整机试验三次启动的全飞行序列中取得圆满成功,本次试验全面覆盖了“星云一号”运载火箭入轨+一级回收的全飞行剖面。

本次试车中,“雷霆-R1”发动机按照“星云一号”回收重复使用运载火箭第一级设定的飞行轨迹,在地面试车台上完成了完整的点火过程。

“星云-1”回收火箭的飞行轨迹与该公司2023年4月19日发射的猎鹰9号典型任务剖面基本相似,略有不同之处在于起飞点火时间较长(180s VS 150s),再入点火时间略长(30s VS 24s)。本次试飞成功,标志着“雷霆-R1”发动机初步具备完成运载火箭一级回收飞行任务的能力,是回收火箭发展历程中的关键里程碑。

液体发动机三重启动和运载火箭恢复

垂直回收运载火箭至少要经过三次点火启动过程:地面点火起飞、高空反推减速、着陆反推减速,才能将火箭按预定轨迹回收着陆。因此,发动机具备三次以上启动能力是垂直回收运载火箭的必备能力:

1)第一阶段为上升段,需启动发动机提供动力,克服地球引力,与传统的一次性运载火箭上升段大致相同。

2)第二时间段为第一级垂直回收再入过程中进入稠密大气层前的反推减速,其目的是通过发动机反推降低再入稠密大气层的速度,避免火箭结构过热或烧毁。

3)第三个时间段为一级着陆过程的反向减速,需要在着陆瞬间将火箭的速度降到接近0,才能实现软着陆。

因此,为了将火箭发射入轨道并垂直回收,发动机需要能够实现三次以上的多次启动。

多次启动,相对于以往只能启动一次的火箭发动机而言,是指液体火箭发动机在一次飞行任务中,能够在无人干预的情况下,进行两次及以上点火启动。可垂直回收重复使用的商业运​​载火箭对发动机的启动能力要求更高,不仅发动机需要启动三次以上,而且在火箭飞行过程中,发动机必须按照预定或在线计算出的参数,在预定的时间准确点火启动,不能出现任何差错,否则火箭回收极有可能会失败。这一要求对发动机的设计、制造、启动时序设计提出了极大的挑战。

多次启动是实现液体火箭推进系统回收重复使用的难点;而推进系统回收重复使用是实现航天运载火箭回收重复使用必须突破的关键技术。

液体火箭发动机多次启动技术难点

“雷霆-R1”是深蓝航天首枚运载火箭“星云-1”的主动力发动机,采用液氧和煤油混合推进剂,具有推力调节平稳、结构简单可靠、无毒无污染、成本低廉等优点。该发动机从设计之初就按照可回收、可多次启动重复使用的要求进行部件方案和总体布局设计。

液体火箭发动机多次启动是一项高度复杂、综合性的发动机系统技术,其中包括一系列关键技术点,目前只有中国等少数国家能够掌握。“雷霆-R1”发动机三次启动全飞行序列试验,标志着在可回收液体发动机领域,一批具有完全自主知识产权的关键技术已从原理设计走向产品应用。

1. 多启动系统设计

多次启动发动机的工作过程、时序控制与一次启动发动机有明显不同。

液体发动机首次运行前,各种液体阀门尚未打开、推进剂尚未喷入,发动机处于“干烧”状态;发动机首次运行后,管路及部件内会有残留的推进剂,可能影响管路、冷却水套及喷嘴的工作状态,影响发动机的点火和正常工作。为避免该问题,在首次启动后火箭发动机汽车,应为发动机设计合理的自动吹扫顺序,以清除残留的推进剂。

对于使用液氧煤油推进剂的低温火箭发动机,除了第一次启动后需要吹管外,第二次启动前还必须吹管预冷。因此,为了准确满足飞行顺序对发动机启动时间的要求,对预冷和吹管过程及时间的控制需要进行精确的设计和大量的验证工作。

深蓝航天此次进行的三次发动机长短启动试验,全面评估了发动机多次启动流程设计的正确性,充分验证了发动机多次启动的工作顺序。下一步将对正时偏差进行进一步评估,以增加发动机运行的裕度和稳健性。

多次启动需要更复杂的发动机状态控制

在多次启动情况下,由于前次点火功的影响,部分部件的初始温度会发生变化,点火延迟期、点火能量也会发生变化。如发动机的涡轮泵、推力室在第一次启动前基本处于常温,但第二次启动时,由于前次点火功的影响,会出现较高的温度,需要解决涡轮热启动、推力室热回浸等问题。

因此,多发发动机启动需要对发动机状态进行更多的控制,包括预冷与热控制、启动条件保证、启动过程控制等。通过专门针对多发启动设计的控制方法,实现再入和着陆点火过程中高效的氧气系统预冷和发动机腔体吹扫,确保发动机状态在再次点火前满足点火条件。

除了系统工作过程和时序的控制外,发动机的各个部件都必须按照多次启动和重复使用的要求进行设计。

例如,发动机上所有阀门都能够重复工作,一次性发动机上常用的电动爆破阀和破裂膜片控制元件就无法使用;涡轮泵的动密封元件也必须考虑到多次启动的要求,能够承受短时间内多次启动带来的载荷冲击和热冲击。

深蓝航天本次多次启动试验,考核了发动机在模拟真实飞行条件下的功能和性能,充分验证了发动机各部件对多次启动状况的适应性,并获取了发动机多次启动间的状态数据,为飞行试验提供数据支持。下一步,还将开展更多的可靠性考核,确保发动机产品的稳定性和可靠性。

适合实际飞行的多次启动设计

液体发动机若想在地面实现多次启动,可以利用地面试验台的能力,而不用考虑体积、重量等制约。比如启动所需的启动能量、吹气所需的气体等。由于箭上的空间和重量都非常有限,不可能为发动机提供太多的气体资源保障,所以发动机的重复使用需要非常仔细地设计这些因素,否则就会变得过大、过重,造成“上天难”。

“雷霆-R1”发动机启动技术经过第二次启动考核后得到进一步升级。本次试验采用的启动系统完全布置在发动机总成架上,发动机启动、控制及吹扫气体完全由发动机提供,产品状态与箭上飞行状态一致。试验结果表明,“雷霆-R1”发动机现行启动系统能够很好地满足“星云一号”火箭上发动机多次启动的需求。

2. 精密的多重启动点火系统设计

液体火箭发动机要实现重复使用,必须攻克多次点火难题。可靠点火是液氧煤油发动机的一个核心技术难题。传统火箭只要求发动机在火箭发射时点火,而可重复使用运载火箭则要求发动机在火箭一级回收过程中多次点火。由于液氧煤油属于非自燃推进剂,推力室和燃气发生器都需要点火,多次启动的发动机必须有新的点火系统。

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液体发动机的点火是在燃烧室内完成的,但点火装置需要布置在燃烧室外。为了导入点火能量,燃烧室的设计接口需要谨慎周全。发动机燃烧室的运作会产生巨大的震动,超过3600度的温度,以及接近100倍大气压的压力,这些震动和高温对连接和结构设计的要求很高。因此火箭发动机汽车,点火装置必须牢固,不能破坏燃烧室的结构强度和冷却设计。不能因为这个接口的存在,导致高温高压气体的泄露和燃烧过程中的损坏。

一次性发动机使用的点火装置不需要承受上述环境,而多次启动发动机的点火装置在第一次点火后需要多次承受上述环境,并且仍然保证装置在寿命周期内100%的可靠性。这给点火系统的设计带来了新的挑战。

为保证再次点火的可靠性,雷霆-R1发动机配备了无烟火式多重点火装置,该装置容量无限,可实现几乎无限的点火能力。未来根据运载火箭的功能需求,还可进一步增加冗余点火功能,满足可靠、精确点火的需求。

3. 多次启动的初始能量

开式液氧煤油发动机的启动一般需要借助外界能源来启动发动机。对于一次性开式循环发动机,目前国内主流的做法多采用火药启动器。其原理是在启动发动机时,用电点火器点燃“小型固体火箭发动机”,其火药柱燃烧产生高温高压气体,推动液体发动机的涡轮旋转到预定的工况,从而启动发动机。这种“小型固体火箭发动机”就叫火药启动器。

但若用于多次启动的发动机,则需要配备多个火药启动器装置,这将导致1)在结构设计上布置困难;2)第一次点火后二次启动所用的火药启动器出口必须与发电机内的高温高压气体隔离;3)火药启动器价格昂贵,且由于是烟火制品,生产管理和储存要求极其特殊和严格。因此,使用传统的火药启动器为多次启动提供能源很难实现真正的商业化应用,不仅不经济,而且技术风险较大。

因此有必要基于重复使用的需求,开发新的启动方式,不仅能达到可靠启动的目的,而且能满足经济性和飞行便捷性的要求。

为满足多次启动要求,“雷霆-R1”采用高压气缸辅助+自启动的启动方式,使启动装置既具有自启动结构简单的优点,又可以通过一定的外界能量辅助,大大缩短发动机启动时间。深蓝航天通过数十次发动机启动试验,优化了发动机启动流程,大大提高了启动过程的一致性和可靠性,缩短了启动时间。目前,发动机点火启动时间(达到90%稳态推力的时间)仅需2秒左右,启动重复性和一致性良好。

4.回收火箭结构紧凑

对于可回收火箭来说,发动机舱内一般都会安装多台发动机,发动机的装填密度非常高,结构紧凑简单也是一个很重要的指标,否则就不符合火箭的使用要求。

改进后的“雷霆-R1”发动机采用泵回摆动方案,使发动机在飞行过程中仅通过摆动推力室部分即可实现推力矢量调节。与传统发动机整体摆动方案相比,摆动力矩大幅减小,发动机摆动一阶频率提高,发动机摆动工作可靠性进一步提高。

同时,与同类型开式发动机相比,泵摆式发动机结构布局更加紧凑、简单,通过优化多个启动部件布局,使发动机结构紧凑,减小了包络尺寸,在3.35米箭体直径内可布置9台发动机,从而增大了火箭在给定箭体直径内所能产生的推力,为可重复使用技术的应用提供了重要的结构基础。

5. 满足可重复使用性要求的液基增材制造

液体火箭发动机工作在高温、高压、高震动的恶劣环境下,传统发动机为一次性使用设计,而雷霆-R1发动机则设定了重复使用20次以上的目标,所有部件、结构布置方案均按照重复使用要求进行设计。

在制造工艺方面,发动机主要部件采用全3D打印增材制造技术。因此,“雷霆-R1”也成为国内首台接受垂直火箭回收全弹道剖面地面评估的3D打印发动机。本轮试车中船舶安全管理体系软件,发动机进行了10余次发动机热试车、数十次启动/停机试验和点火试验,初步证明了3D打印工艺可以满足可重复使用需求。单台发动机不离级累计点火次数已达10次,累计持续时间已达1000余秒。

地面热试验证除了满足多次启动、重复使用等功能要求外,还检验发动机结构部件、制造工艺等是否能满足重复使用要求,达到了液体发动机不仅“可试”更“坚韧耐用”的效果。

2022年,美国 Space公司的火箭采用全增材制造工艺制造并尝试入轨;此项目将增材制造在Aeon发动机上的应用成熟度提升到一个新的水平船用物资,证明了该工艺在航天产品上的适用性。在国内,以深蓝航天“雷霆-R1”发动机为代表的新型发动机产品,在利用3D打印新工艺进行液体发动机制造方面做了开创性的工作。下一步将进行实弹飞行任务,进行飞行验证。

概括

液体火箭通过垂直回收可重复使用,大幅降低发射成本,应用前景广阔。但制约我国垂直回收火箭发展的关键瓶颈是液体火箭发动机能否满足垂直回收的要求。液体火箭发动机是航天运载火箭的主动力装置,具有性能高、任务适应性强、技术难度大等特点,是航天运载火箭上最复杂的产品之一。

深蓝航天在可重复使用液氧煤油火箭发动机研发、制造和试验方面不断积累、创新和实践,取得多项成果。

本次试车成功,标志着雷霆-R1发动机向着“可回收、可重复使用”的目标又迈出了坚实的一步,为即将进行的星云一号运载火箭一级高空垂直回收飞行试验及首次入轨+回收奠定了坚实的动力基础。

背景信息:液体火箭发动机的点火和启动

垂直回收可重复使用运载火箭在飞行过程中一般要重新启动2至3次,这就要求发动机具备多次启动的能力。

液体火箭发动机多次启动技术是一系列子技术的总和,也是实现火箭发动机重复使用的关键技术,主要包括发动机的启动能量和点火两个方面。

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图1 火箭回收过程示意图

发动机启动能量

发动机的启动方式一般分为“外能启动”与“自启动”两种。

1.外部能源启动

外能启动,顾名思义就是需要借助外力才能启动发动机;一般采用燃气发电机循环的发动机,常采用外能启动。例如这跟早期采用手摇启动的柴油内燃机、汽油内燃机是一样的,也就是发动机需要借助外力才能进入工作循环。活塞内燃机随着曲轴的旋转,进入进气、压缩、做功、排气四个冲程。对于火箭发动机来说,需要借助外力,使涡轮泵轴达到一定的转速。类似早期手摇拖拉机的工作方式。

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图2 早期汽车手摇曲柄

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图3 拖拉机手摇曲柄

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对于小型内燃机这种热机械,可以人力启动(随着科技的进步,现在大多数内燃机都配备了电启动器,不需要人工摇动),但对于能量密度巨大的液体火箭发动机这种热机械,人力无论如何都无法启动。那么像汽车那样用电启动呢?基本上这也是不靠谱的,因为液体火箭发动机启动功率太大,需要很大的电机和电池,结构设计也很复杂,不可能用在火箭上。

事实上,传统液体火箭发动机的启动外部能源一直都是依靠火药启动器、高压气瓶等特殊装置。火药启动器由火药柱、壳体、点火装置等组成,发动机启动时,火药柱燃烧产生的高能燃烧气体带动涡轮旋转,从而使发动机启动。若采用火药启动器,当发动机需要多次启动时,就需要配备多个火药启动器,这往往会给结构设计带来不便。另外,火药启动器价格昂贵,生产管理和储存要求极其特殊和严格。另外,采用火药启动器的发动机一般只能启动两次,很少有火药启动器能实现多次启动,因为这样既不经济也不划算。

因此采用高压气瓶启动成为目前的技术趋势。高压气瓶内一般装有氦气等介质,发动机启动时,高压气瓶向涡轮吹气,强劲的气流使涡轮泵旋转。当发动机多次启动时,高压气瓶又向涡轮吹气。这时,工程师在设计时就要考虑携带足够的高压气体,或者精心设计每次启动的时机。

采用火药启动的典型发动机有欧洲的HM-7发动机、发动机等,采用高压气瓶启动的典型发动机有美国的J-2发动机、 1D发动机等。

图4 发动机

图5 美国J-2发动机

2. 自我启动

自启动,顾名思义就是发动机不依赖外界能源而是依靠自身能量启动,这里的“自能”是指发动机利用火箭燃料箱压头点燃推进剂或者吸收推进剂热量产生的能量。

膨胀循环发动机的启动方式为自启动,低温燃料在推力室夹套内吸热汽化,使涡轮做功。高推力再生循环发动机也常常采用自启动;工程师精心设计发动机的启动过程,使发动机能够安全可靠地从启动点火过渡到额定工作状态。

典型的膨胀循环发动机有美国的RL-10、欧洲的Vinci等;典型的再生循环发动机有美国的航天飞机主发动机、俄罗斯的RD-170\180等。其中比较特殊的是美国载人登月使用的土星五号火箭的主发动机F-1,它采用燃气发生器循环,自启动方式。由于不需要携带额外的能源,经济又轻便,自启动更适合发动机反复启动。但单纯依靠自启动的发动机往往存在发动机启动过程比较长的缺点。

发动机点火方式

液体发动机的点火非常复杂,主要是因为燃料和氧化剂两种液体必须先经过输送、加热、雾化、混合等一系列过程,才能点燃;如果混合比例不正确,雾化不充分,点火不及时,就会导致点火失败,甚至爆炸。需要多次启动的发动机必须有可重复的点火系统。对于少数次数,可以考虑使用火药柱或点火导管来实现;如果发动机需要有3次以上的点火能力,建议考虑使用火炬点火、电点火等,以减少发动机装配结构的复杂性,降低系统操作的难度。

目前主流的液体火箭发动机点火方式有以下几种(不包括有毒自燃剂发动机)。

1.化学点火剂点火

化学点火剂点火是指利用能与燃料或氧化剂自燃的化学剂点燃燃烧室。常用的与液氧接触即可燃烧的化学剂是三乙基铝-三乙基硼(TEA-TEB)。TEA-TEB通常贮存在燃烧室前方燃料管路上的点火管内,并用隔膜密封。液氧煤油发动机启动时,隔膜在压力作用下破裂,TEA-TEB首先进入燃烧室与氧化剂自燃。TEA-TEB与氧化剂的燃烧热用来点燃并燃烧后进入的主燃料和氧化剂。

这种点火方式可以实现单次点火,美国土星5号的F-1发动机推力室、苏联RD-170等液氧煤油发动机均采用此方式点火。如果发动机需要多次点火启动,可将一次性点火导管设计成可重复灌注、多次使用的点火装置。例如,该公司猎鹰火箭的液氧煤油-1D发动机采用可靠的TEA-TEB灌注控制,实现回收过程中的多次点火。

图6 俄罗斯RD-170发动机

2.固体火药点火

固体火药点火器由点火管、底火和点火筒组成,用小电流点燃点火管,再点燃底火,最后点燃液体推进剂。点火器可以安装在推力室喷射器附近,例如欧洲的HM-7发动机、HM60发动机、发动机等都采用固体火药点火。

当发动机多次启动点火时,需要安装多个固体粉末点火器,这往往会带来结构设计的不便;与粉末启动器一样,粉末点火器也具有严格的安全管理要求和较高的价格。因此,电火花点火和火炬点火逐渐成为商业航天的首选方式。

图7 HM60()发动机粉末启动器和粉末点火器

3. 电火花和火炬点火器

火花点火类似于汽车发动机、家用煤气灶、一次性打火机等的火花塞点火,利用电激发器产生的火花点燃周围雾化的推进剂。这种点火方式最初的主要缺点是可靠性低,由于火花的点火能量低,点火失败可能导致推进剂积聚而引起爆炸。这种方法经过改进后,出现了更可靠、更稳定的火炬式电点火器。

图 8 火花塞点火器

火炬式电点火器实际上是一个微型燃烧室,将少量推进剂通入其中,用电火花点燃,在火炬点火器出口处形成稳定的火焰,保证主燃烧室内推进剂可靠点燃。美国J-2发动机、航天飞机主发动机、半人马座RL-10发动机、俄罗斯RD-0120发动机、日本LE系列发动机等均采用火炬式电点火器。

图9 火炬式电点火器

焊枪式电点火器非常适合需要多次启动的发动机,理论上可以实现无限次点火,不需要拆卸或更换零件。

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