變推力發(fā)動機(jī)原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)分析案例目錄TOC\o"1-2"\h\u30562變推力發(fā)動機(jī)原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)分析案例 189461.1變推力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)組成 1172951.2變推力發(fā)動機(jī)工作過程 4162531.3變推力發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)原理和技術(shù) 5雖然變推力發(fā)動機(jī)在工作過程中推力能夠大范圍內(nèi)變化，但其仍然是發(fā)動機(jī)的一種，其推進(jìn)原理與普通發(fā)動機(jī)依然是一致的，仍然可以概括為：首先氧化劑和燃料在燃燒室內(nèi)燃燒生成高溫燃?xì)?，然后將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，再經(jīng)過超聲速噴管完成膨脹將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，最后將氣體從噴管噴出產(chǎn)生推力。但在系統(tǒng)組成和工作過程上，變推力發(fā)動機(jī)與普通發(fā)動機(jī)確實(shí)又有所不同。1.1變推力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)組成一般情況下，變推力發(fā)動機(jī)由控制系統(tǒng)（包括流量調(diào)節(jié)元件、控制執(zhí)行元件、可調(diào)噴注器等）、推力室身部和推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)（推進(jìn)劑貯箱和增壓系統(tǒng)等）組成，如圖2-1所示：圖2-1典型變推力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)原理圖[8]1.1.1 推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)由管路、推進(jìn)劑貯箱、增壓系統(tǒng)等裝置組成，主要分為擠壓式和泵壓式。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)由流量調(diào)節(jié)元件、控制執(zhí)行元件、可調(diào)噴注器、推力室身部和推進(jìn)劑貯箱及增壓系統(tǒng)等五部分組成。其通過控制增壓氣體對貯箱中推進(jìn)劑增壓。使得需要的壓力和流量進(jìn)入燃燒室。因此其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、簡單。R.A.Byron[9]在此基礎(chǔ)上分析了該系統(tǒng)能夠有效增加航天器載荷。泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)可分為渦輪泵增壓式與電動泵增壓式。渦輪泵增壓式適合推進(jìn)劑流量大、推力大的場合。而文思語[10]論證了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方案的電機(jī)泵增壓式系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性結(jié)合控制精度。1.1.2 推力室系統(tǒng)推力室控制系統(tǒng)主要包括噴注器、燃燒室和噴管。推力室身部采用燒蝕冷卻材料，室內(nèi)通過燃燒推進(jìn)劑產(chǎn)生推力。因此其通過控制推進(jìn)劑流量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)推力控制。變推力發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種形式。推力控制是通過推進(jìn)劑流量控制而實(shí)現(xiàn)的，為了實(shí)現(xiàn)在變推力條件下的最佳噴霧燃燒，在流量控制的同時需要對噴注條件進(jìn)行控制。根據(jù)流量控制與噴注條件控制方案的不同組合，則可以構(gòu)成變推力發(fā)動機(jī)的不同控制系統(tǒng)方案。這將會在1.1.3節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。1.1.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由傳感裝置、控制器、執(zhí)行器和控制對象組成。控制對象主要是流量調(diào)節(jié)器和噴注器。圖2-2表示了變推力發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的原理和流程。圖2-2變推力發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖由圖可知，變推力發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于控制推進(jìn)劑當(dāng)量比、推進(jìn)劑噴注壓降的穩(wěn)定和燃料流量的調(diào)節(jié)從而，實(shí)現(xiàn)燃燒室壓力的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)推力的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)原理和方式將在1.2節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。1.1.4 變推力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)方案根據(jù)流量控制與噴注條件的不同組合，可以構(gòu)成變推力發(fā)動機(jī)的不同系統(tǒng)控制方案，主要是：單調(diào)系統(tǒng)、雙調(diào)系統(tǒng)和流量定位系統(tǒng)。單調(diào)系統(tǒng)較為簡單，只有可調(diào)噴注器一個調(diào)節(jié)元件，屬于被動調(diào)節(jié)，在最小推力調(diào)節(jié)時，其噴霧均勻性下降，燃燒效率降低，調(diào)節(jié)性能變差。雙調(diào)系統(tǒng)利用可調(diào)氣蝕文氏管與可調(diào)噴注器分別對推進(jìn)劑流量和噴注條件進(jìn)行控制，具有較高的調(diào)節(jié)性能，但不能完全自主調(diào)節(jié)流量，且在聯(lián)動控制下無法補(bǔ)償噴注條件的特性變化流量定位變推力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)如圖2-2所示。其采用可調(diào)汽蝕管對流量進(jìn)行控制利用液壓作用原理使可調(diào)噴注器隨推進(jìn)劑流量改變而自動調(diào)節(jié)，從而保證噴注壓降為定值。是雙調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展?？朔穗p調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高了控制性能，能使噴注條件和控制精度保持在最佳區(qū)域。圖2-3流量定位系統(tǒng)原理圖[8]因此流量定位系統(tǒng)是較為理想的變推力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)方案。具有較強(qiáng)的的適應(yīng)性。能夠滿足面向空間機(jī)動平臺的變推力發(fā)動機(jī)技術(shù)需求和應(yīng)用特性?；诖?，本文后續(xù)研究都是以裝載了流量定位系統(tǒng)的變推力發(fā)動機(jī)的空間平臺為研究對象展開研究。1.2變推力發(fā)動機(jī)工作過程1.1.1 流量調(diào)節(jié)器開啟發(fā)動機(jī)準(zhǔn)備工作前，推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)給發(fā)動機(jī)流量調(diào)節(jié)器步進(jìn)電機(jī)通電，然后在控制系統(tǒng)的控制下，調(diào)節(jié)錐開始工作，調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥在合適位置1.1.2 發(fā)動機(jī)啟動工作根據(jù)飛行指令產(chǎn)生推力需求，在控制系統(tǒng)控制下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動調(diào)節(jié)錐到相應(yīng)位置，發(fā)動機(jī)燃料和氧化劑閥門打開，氧化劑和燃料進(jìn)入到燃燒室燃燒，產(chǎn)生的高溫氣體經(jīng)噴管噴出產(chǎn)生推力，發(fā)動機(jī)工作。1.1.3 變推力控制系統(tǒng)執(zhí)行接收到變推力指令后，步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)控制下驅(qū)動調(diào)節(jié)錐運(yùn)動，通過改變流量等手段，使燃燒室產(chǎn)生需要的推力1.1.4 發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)飛行任務(wù)結(jié)束后，發(fā)動機(jī)接收到關(guān)機(jī)指令，在控制系統(tǒng)作用下，氧化劑和燃料斷流閥中的氣體經(jīng)過電磁閥排出，斷流閥關(guān)閉，推力劑停止供應(yīng)，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)1.3變推力發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)原理和技術(shù)1.3.1 推力調(diào)節(jié)原理在前文已經(jīng)分析過，變推力發(fā)動機(jī)推進(jìn)原理與普通發(fā)動機(jī)是一致的。因此其推力公式為：F=mve公式（1.1）右邊第一項(xiàng)表示動量推力，第二項(xiàng)為壓差推力。其中m表示推進(jìn)劑質(zhì)量流量，ve表示噴管處氣體出口速度，p2為出口處壓強(qiáng)，p3而出口速度ve=2k代入得：F=m2kk?1或者表示為喉部面積形式：F=Atp在進(jìn)行變推力設(shè)計(jì)時，取出口壓強(qiáng)和環(huán)境壓強(qiáng)相等，則此時排氣速度為最佳排氣速度?？梢姡鲜龉颈砻?，推力大小與多個物理量相關(guān)。雖然如此，但是，從理論上講控制推進(jìn)劑流量m或者改變喉部面積At能夠?qū)崿F(xiàn)推力大小的調(diào)節(jié)[1]。1.3.2 高壓降噴注器方法采用面積固定不可調(diào)的高噴注壓降噴注器，通過節(jié)流閥（或者可調(diào)氣蝕文氏管）來調(diào)節(jié)推進(jìn)劑流量進(jìn)而調(diào)節(jié)推力。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。推進(jìn)劑的流量可以通過推進(jìn)劑管路中的控制閥來調(diào)節(jié)。推進(jìn)劑也可以使用可調(diào)氣蝕文氏管進(jìn)行調(diào)節(jié)[10][11]。但是低推力時噴注壓降較低，推進(jìn)劑霧化混合較差，燃燒效率低，進(jìn)而燃燒室室壓低，會出現(xiàn)各種燃燒振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致熱傳導(dǎo)率會成倍增加，會降低再生冷卻燃燒室的冷卻能力。1.3.3 雙歧管噴注調(diào)節(jié)雙歧管噴注器，是一種設(shè)計(jì)用于在低推力水平下保持合適的噴注器壓降的噴注器，而不需要在全推力時比上一節(jié)描述的高壓降噴注器需要處于經(jīng)常過大的壓降。從本質(zhì)上來講，雙歧管噴注器是將兩個固定面積的噴注器結(jié)合，其中一個為一次流噴注器，另一個為二次流噴注器，利用噴注器上游節(jié)流閥來調(diào)節(jié)總流量，在推力減小到設(shè)定的某個值時，關(guān)閉二次流噴注器，而一次流噴注器仍全開，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方式本質(zhì)上改變了有效噴注面積，提高了小流量時的噴注壓降，因此發(fā)動機(jī)效率和穩(wěn)定性均比較高，但相對于高壓降噴注器方法而言，額外的控制閥增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。1.3.4 氣體噴注方法是向推進(jìn)劑中注入氣體的方法，也稱為泡沫流或推進(jìn)劑充氣。通過向推進(jìn)劑流中引入密度低得多的(有時是惰性的)液體來降低推進(jìn)劑的體積密度。流量的變化通常很小。對于恒定流速的液體流動，壓降與堆積密度成反比。因此，當(dāng)氣體噴射達(dá)到一定推力水平時，液路噴油器壓降增大。較高的壓降增加了卡槽穩(wěn)定裕度推力范圍，并可能提高固定幾何噴油器的性能，進(jìn)而保證了燃燒室的霧化和混合。然而，俄羅斯科學(xué)家Bazarov[12]的實(shí)驗(yàn)表明，注氣可能會導(dǎo)致高頻壓力波動。因此其主要優(yōu)點(diǎn)是通過降低推進(jìn)劑體積密度，在較寬的節(jié)流范圍內(nèi)保持較高的噴射器壓降。這種方法已被證明可以通過增加噴油器阻力來消除不穩(wěn)定性，通常只在低推力工況下使用.其缺點(diǎn)是液體推進(jìn)劑與氣體之間壓差太大，會使液體推進(jìn)劑間歇流動，帶來低頻燃燒振蕩。1.3.5 多燃燒室調(diào)節(jié)方法將一個或者多個燃燒室關(guān)機(jī)，亦或獨(dú)立調(diào)節(jié)每一個燃燒室的推力。通過獨(dú)立對每個燃燒室小推力調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)整個發(fā)動機(jī)大推力調(diào)節(jié)，這種推力調(diào)節(jié)方式主要用于活塞式發(fā)動機(jī)，當(dāng)然在其他發(fā)動機(jī)中也得到了應(yīng)用。很顯然，其缺點(diǎn)在于供應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜，且增加了額外的重量，并且每個發(fā)動機(jī)開機(jī)或者關(guān)機(jī)都要進(jìn)行推進(jìn)劑以及推力瞬變管理。其優(yōu)點(diǎn)在于主要優(yōu)點(diǎn)是可以通過獨(dú)立控制每個腔室的推力來實(shí)現(xiàn)更深的節(jié)流。在俄羅斯，多腔室通常使用的原因并不僅限于節(jié)流，主要是為了燃燒穩(wěn)定性和制造優(yōu)勢。1.3.6 脈寬調(diào)制方法基于脈沖發(fā)動機(jī)進(jìn)行推力控制以及調(diào)整脈寬長度來調(diào)節(jié)推力，達(dá)到提供準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平均推力的目的，主要用于單組元發(fā)動機(jī)。其在小推力方面有巨大優(yōu)勢，但是需要快速響應(yīng)閥以及性能較低。飛行器表面激波嚴(yán)重，喉部熱沉嚴(yán)重，由于燃燒室冷卻以及噴注器損失使無效推進(jìn)劑增多。脈沖寬度較短時，點(diǎn)火困難。1.3.7 喉部節(jié)流方法喉部節(jié)流方法是最早推出來調(diào)節(jié)推力的方法之一，該方法有兩種調(diào)節(jié)模式，一是通過針?biāo)▉砀淖兒聿棵娣e，二是通過噴注氣體進(jìn)入喉部來改變喉部面積。調(diào)節(jié)原理為：保持噴前壓力不變，喉部面積減小，室壓增大，噴注壓降減小，故流量減小。可能存在的問題是：過度振蕩，針?biāo)▊鳠崧Ｔ谧畲笸屏r噴注壓降最大；最小推力時，噴注壓降最小。需要高壓推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)。其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在于，它在低推力下提供了最高的性能和腔室壓力。1.3.6 可變噴注面積方法通過改變噴注通道流通面積，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴注器流量?？勺兠娣e噴注器通常被稱為針型噴注器，因?yàn)榇蠖鄶?shù)可變面積噴注器都有一個單一的中心針型特征，可以移動來改變噴注器孔口面積。最大推力發(fā)生在噴射孔完全打開時。由于使用可移動噴注器部件減少了噴射面積，腔室壓力和推力減小。隨著發(fā)動機(jī)節(jié)流面積的減小，壓降隨之增大，從而在較大的節(jié)流范圍內(nèi)，噴射速度高，霧化效果好，燃燒效率高。最熟悉的可變面積噴油器節(jié)流發(fā)動機(jī)當(dāng)然是阿波羅登月艙下降發(fā)動機(jī)(LMDE)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，但驅(qū)動元件和導(dǎo)向元件比較復(fù)雜。設(shè)計(jì)要求有時是相互沖突的，如通過不同的噴注器壓降來獲得節(jié)流穩(wěn)定