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20世纪80年代末,为了在航天动力技术领域实现新的突破,中国开始论证新一代运载火箭发动机,开展了液氧烃发动机的研究与论证。90年代,进行了液氧煤油发动机的关键技术攻关。2000年高压补燃循环液氧煤油发动机获准立项[3],目标是研制出中国120 t级推力的采用高压补燃循环技术的独立基本型火箭发动机,达到飞行试验技术水平,满足新一代运载火箭研制需求,并为今后液氧煤油发动机系列化发展奠定基础。YF-100发动机的研制主要经历了四个阶段,见表1。
表 1YF-100发动机研发历程
Table 1.The development history of YF-100 engine
研发阶段 研制动态 第一阶段 方案阶段:开展了液氧烃发动机研究与方案论证,建立组件和系统模型;开展了部分组件试验件设计与试验研究;开展了液氧烃推进剂物性研究。 第二阶段 关键技术攻关阶段:开展了YF-100发动机关键技术研究,于2000年完成了燃气发生器-涡轮泵联动试验,之后完成首台整机试车。 第三阶段 工程研制阶段:先后完成模样、初样和试样研制;2010年11月11日,YF-100首次双机并联地面试验成功(见图1);2012 年,发动机通过研制专项验收,允许交付飞行使用。 第四阶段 产品应用阶段:2013年6月29日,“长征五号”助推双机模块完成试车;2015年底,发动机参加“长征五号”全箭合练;2016年11月3日,完成“长征五号”首飞。 至今,已有56台次的YF-100液氧煤油高压补燃发动机参与了“长征五号”运载火箭的7次发射任务(见表2),YF-100使用维护简单,环境适应性良好,可靠性高。
表 2“长征五号”运载火箭发射统计
Table 2.Statistics of Long March 5 rocket’s launch
火箭代号 有效载荷重量/t 飞行时间 飞行状态 CZ-5 Y1 — 2016.11.03 成功 CZ-5 Y2 — 2017.07.02 失败 CZ-5 Y3 8 2019.12.27 成功 CZ-5B Y1 22 2020.05.05 成功 CZ-5 Y4 5 2020.07.23 成功 CZ-5 Y5 8.2 2020.11.24 成功 CZ-5B Y2 25 2020.04.29 成功 -
“长征五号”运载火箭助推器装配2台YF-100发动机,通过双机助推机架并联而成,远离芯级一侧是外侧发动机,为固定状态;靠近芯级一侧是内侧发动机,为单向摇摆状态。各分机工作原理相同,氧化剂为液氧、燃料为煤油,可通过蒸发器加热箭体供应氦气用于氧贮箱增压。内侧发动机伺服机构以高压煤油作为动力源牵动发动机实现摇摆,为火箭提供俯仰、偏航、滚转等控制力。
发动机采用富氧燃气发生器富燃推力室补燃循环方案,主要由推进剂供应系统、起动点火系统、测控系统、吹除系统、调节系统、推力传递系统等组成,如图2和图3所示。
YF-100发动机技术方案具有以下主要特点:①发动机采用无毒、无污染、性能高、价格便宜的液氧和煤油推进剂;②采用富氧发生器补燃循环系统,几乎全部的液氧进入发生器,与少量的燃料燃烧,产生的高压大流量富氧燃气驱动涡轮后进入推力室补燃,提高了推进剂利用率,发动机性能更高;③采用简单、可靠的自身起动、化学点火系统;④具有大范围推力和混合比调节能力;⑤组件通用、产品化程度高,采用模块化结构设计,能适应箭体3.35 m和2.25 m直径内单向摇摆、双向摇摆及不摆的各种要求,发动机结构紧凑,操作空间良好;⑥每台发动机交付前均进行工艺试车,提高了飞行可靠性,并可根据获得的发动机真实性能参数进行弹道预估,飞行控制精度更高。
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YF-100发动机通过提高燃烧室压力实现高性能(是常规主发动机燃烧室压力的两倍以上),发动机对起动过程控制要求高,推力室与发生器组织燃烧和冷却困难,涡轮泵等组件工作条件恶劣,研制难度大。研制过程中先后攻克了大推力补燃循环发动机起动及稳定性控制技术、高压大流量推力室稳定燃烧及冷却技术[4-6]、高压大流量高功率涡轮泵技术[7]、大推力液体火箭发动机工况调节技术[8]等80余项设计、制造和试验关键技术。国内外液体煤油发动机性能对比见表3。
“长征五号”火箭助推模块所采用的双机并联模式,相比于单机模式,内外侧发动机工作时相互影响、结构振动相互耦合、供应系统压力脉动相互耦合、热力环境变化等问题尤为突出。在“长征五号”助推双机并联技术研究过程中,主要突破了助推双机并联总体结构设计技术、双机并联发动机起动技术、双机并联大时差不同步关机技术、双机并联发动机结构动特性设计及试验技术、双机并联发动机热试车技术、火箭窄窗口发射发动机适应性技术等总体关键技术。在型号研制过程中策划并实施了氧化剂入口过滤器夹质试验、氧泵动特性试验、极限氦增压流量供应试车、加注湿态停放延迟点火试车、双机并联技术方案验证等地面大型试验。
表 3国内外液氧煤油发动机性能对比
Table 3.Performance comparison of domestic and foreign liquid oxygen kerosene engines
国家 发动机 火箭型号 循环方式 地面推力/ KN 地面比冲/(m·s-1) 俄罗斯 RD-107 “东方号”(“联盟号”) 发生器循环 821 2 518 RD-170 “天顶号”(“暴风雪号”) 补燃循环 7 259 3 047 NK-33 N-1重型火箭 补燃循环 1 510 2 910 美国 Merlin-1D “猎鹰9号”
(Falcon 9)发生器循环 756 2 763 F-1 “土星5号”
(Saturn V)发生器循环 6 773 2 600 中国 YF-100 新一代运载火箭 补燃循环 1 200 2 942 -
发动机总体结构设计技术是按各组件在系统中的功能和作用进行结构协调,并实现推力传递、推力矢量控制等功能,同时使发动机的结构质量、外廓尺寸等性能指标达到最优化的关键技术;总体结构设计的可靠性直接影响着发动机以及火箭的可靠性。
“长征五号”助推器发动机总体布局(见图8)充分继承发动机单机总装布局方案,最大程度提高通用性和模块化程度。在兼顾紧凑性和开敞性的同时,合理利用有限的空间,尽量减小发动机的外廓尺寸;在满足装配、维修、气密性检查、电气检查、点火导管更换检查要求的前提下,实现结构质量合理分布,提高结构的抗震性。“长征五号”助推器发动机总体布局具有以下特点:
图 8YF-100发动机双机模式[3]
Figure 8.YF-100 engine double parallel mode[8]
1)为满足机架结构、性能要求和解决发动机低频结构谐振问题,机架和常平座采用一体化设计;
2)气源装置采用模块化集成方案,便于装配、检查、维护;
3)双机之间增加连接组件,提高整机结构刚度;
4)发动机机械接口按使用功能性集中布置,优化接口布局;
5)发动机单机状态安装防火裙连接装置,以满足飞行状态热防护要求。
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大型运载火箭结构的纵向固有频率在10 Hz以内,中国“长征-2E”运载火箭飞行过程中,工作在这个范围的时间长达120多s[17-19]。如果发动机结构也存在10 Hz频率以下的结构低频振型,发动机与箭体就有可能产生低频谐振,甚至激发POGO问题,对火箭安全构成风险。在火箭设计过程中,发动机固有频率偏低给火箭控制系统设计造成了困难,结构低频特性是影响火箭和发动机结构可靠性的重要问题。
为解决YF-100发动机研制过程中存在的局部结构低频问题,在试验室和试车台条件、3种状态下共进行了9台次整机模态试验,测试确定了发动机的整机模态,为仿真模型的初步建立提供依据。模态试验见图9。
在模态试验基础上建立发动机整机结构动特性仿真模型,其中:①发动机涡轮泵采用集中质量参数模型;②推力室采用壳单元;③喷管采用等效的分布参数模型;④伺服机构采用杆单元;⑤机架采用实体单元。针对单机状态进行了模态试验验证,仿真和试验结果见表4。由表可见,发动机前三阶模态频率仿真值与试验值偏差均较小,特别是第一阶模态频率偏差仅为1.6%,验证了仿真模型的有效性和准确性。
表 4单机状态模态分析结果与试验值对比
Table 4.Comparison of analysis results and test values for YF-100 engine
阶次 计算值/Hz 试验值/Hz 偏差/(%) 1 13.4 13.2 1.6 2 15.4 14.5 6.1 3 23.1 24.5 5.8 以仿真模型为基础,通过对敏感因素的结构灵敏度仿真分析,经过百余种结构方案改进与优化,具体措施包括:①机架常平座一体化设计;②增加常平座摇摆方向的刚度。改进后发动机单机状态第一阶模态频率增加约3 Hz。
由于YF-100双机并联结构复杂且尺寸较大,无法在试验室对其固支状态进行模态试验,但发动机试车台上模态试验结果中包含了试车台对双机结构低频特性的影响。为此,以结构模态综合法为理论基础,结合单机固支状态模态试验和该状态下数值仿真研究,通过对比分析仿真结果与试验结果,建立了准确的双机数值仿真模型,进行了双机固支状态结构低频特性仿真计算,结果如图10所示。计算结果表明,双机并联发动机前3阶模态振型分别是:1号发动机Y方向振动,两台发动机X方向反向振动,2号发动机Y方向振动,前三阶模态频率分别为13.7、14.2 和14.5 Hz。各阶模态振型中喷管处的振幅最大,为提高双机并联发动机的结构固有频率,应重点关注喷管的支撑刚度。
General Technical Review of Long March 5 Liquid Oxygen Kerosene Engine
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摘要:高压补燃液氧煤油发动机应用于“长征五号”(CZ-5)运载火箭助推模块,该发动机采用高压补燃循环,具有高性能、自身起动、大范围推力和混合比调节、结构紧凑等特点。回顾了“长征五号”助推液氧煤油发动机研制历程和技术方案特点,分析了液氧煤油发动机自身起动点火技术、双机并联大时差不同步关机技术、单机和双机并联发动机整机结构低频特性等研制中的发动机总体技术。提出了YF-100液氧煤油补燃发动机性能提升、结构轻质化、可靠性增长和全任务剖面环境适应性的改进方向,以及对高精度发动机在线故障诊断系统的需求。Abstract:High pressure staged combustion liquid oxygen kerosene engine is used in the boosters of Long March 5 (LM-5, CZ-5) launch vehicle. The engine adopts high pressure staged combustion cycle, and has the characteristics of high performance, self-starting, wide range of thrust and mixing ratio adjustment and compact structure. In this paper, the development history and technical scheme characteristics of LM-5 launch vehicle’s liquid oxygen kerosene engine are reviewed. The key technologies in the development of the parallel mode engines are analyzed emphatically, such as self-starting ignition technology, large time difference asynchronous shutdown technology and low frequency characteristics of structure in YF-100 engine single mode and two-engine parallel mode. The improvement of performance enhancement, structure lightening, reliability growth and full mission environmental adaptability for YF-100 engine, as well as the demand for high-precision online fault diagnosis system for liquid oxygen kerosene engine, is proposed.Highlights
● YF-100 engine has the characteristics of high performance, self-starting, wide range of thrust and mixing ratio adjustment and compact structure. The development of the YF-100 engine involved four periods, and this engine has been used in 7 launches of the Long March 5 launch vehicle . ● The characteristics of different starting modes and ignition modes of liquid oxygen and kerosene engine are analyzed. The YF-100 double parallel engine starts quickly, taking only 2 seconds, and the starting quality is good at the same time. ● Although asynchronous shutdown causes the increase of oxygen and fuel pressure in the later closed engine, the impact is very limited, and the fluctuation range of engine parameters is relatively small. ● The overall layout of the double parallel engine adopts modular design, which improves the structural stiffness of the whole engine and makes its lowest natural frequency higher than the low frequency range of rocket. -
图 8YF-100发动机双机模式[3]
Fig. 8YF-100 engine double parallel mode[8]
表 1YF-100发动机研发历程
Table 1The development history of YF-100 engine
研发阶段 研制动态 第一阶段 方案阶段:开展了液氧烃发动机研究与方案论证,建立组件和系统模型;开展了部分组件试验件设计与试验研究;开展了液氧烃推进剂物性研究。 第二阶段 关键技术攻关阶段:开展了YF-100发动机关键技术研究,于2000年完成了燃气发生器-涡轮泵联动试验,之后完成首台整机试车。 第三阶段 工程研制阶段:先后完成模样、初样和试样研制;2010年11月11日,YF-100首次双机并联地面试验成功(见图1);2012 年,发动机通过研制专项验收,允许交付飞行使用。 第四阶段 产品应用阶段:2013年6月29日,“长征五号”助推双机模块完成试车;2015年底,发动机参加“长征五号”全箭合练;2016年11月3日,完成“长征五号”首飞。 表 2“长征五号”运载火箭发射统计
Table 2Statistics of Long March 5 rocket’s launch
火箭代号 有效载荷重量/t 飞行时间 飞行状态 CZ-5 Y1 — 2016.11.03 成功 CZ-5 Y2 — 2017.07.02 失败 CZ-5 Y3 8 2019.12.27 成功 CZ-5B Y1 22 2020.05.05 成功 CZ-5 Y4 5 2020.07.23 成功 CZ-5 Y5 8.2 2020.11.24 成功 CZ-5B Y2 25 2020.04.29 成功 表 3国内外液氧煤油发动机性能对比
Table 3Performance comparison of domestic and foreign liquid oxygen kerosene engines
国家 发动机 火箭型号 循环方式 地面推力/ KN 地面比冲/(m·s-1) 俄罗斯 RD-107 “东方号”(“联盟号”) 发生器循环 821 2 518 RD-170 “天顶号”(“暴风雪号”) 补燃循环 7 259 3 047 NK-33 N-1重型火箭 补燃循环 1 510 2 910 美国 Merlin-1D “猎鹰9号”
(Falcon 9)发生器循环 756 2 763 F-1 “土星5号”
(Saturn V)发生器循环 6 773 2 600 中国 YF-100 新一代运载火箭 补燃循环 1 200 2 942 表 4单机状态模态分析结果与试验值对比
Table 4Comparison of analysis results and test values for YF-100 engine
阶次 计算值/Hz 试验值/Hz 偏差/(%) 1 13.4 13.2 1.6 2 15.4 14.5 6.1 3 23.1 24.5 5.8 -
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