长征系列运载火箭介绍_长征三号系列_六_

长征系列运载火箭介绍:长征三号系列(六)

陈国

华

图16　长征三号A 三子级发动机系统图

四、推进系统

长征三号A 的推进系统由一、二、三子级的推进系统组成。一、二子级的推进剂是四氧化二氮和偏二甲肼,发动机的性能与长征三号的基本相同;三子级的推进剂是液氧和液氢,发动机是新研制的氢氧发动机YF -75。

1.一子级推进系统一子级推进系统的发动机是DaFY 6-2,输送系统则与长征三号一子级的相同。DaFY 6-2是YF-21的改进型,改进后推力增大了196千牛,与箭体的接口不变,但机架上预留了捆绑助推器的结构。

2.二子级推进系统二子级推进系统的发动机是DaFY 20-1,由主机和游机组成,输送系统与长征三号二子级的相同。DaFY20-1是YF-24的改进型,改进后的主机喷管增长450毫米,游机喷管增长104毫米;主机推力增加22千牛,比冲增加88牛・秒/公斤;游机推力增加1千牛,比冲增加72牛・秒/公斤。

3.三子级推进系统三子级推进系统由YF-75氢氧发动机、输送系统、增压系统、推进剂利用系统、推进剂管理系统及其它系统组成。

(1)YF-75氢氧发动机YF-75是新研制的发动机,经历了方案论证、模样、初样和试样等阶段。从1989年开始进行发动机试车,到1993年1月为止,累计试车22065秒,累计起动67次,并做到了6倍工作时间无故障。YF-75发动机由两台单机通过机架并联构成,每台单机自成系统,独立运行,可进行双向摇摆,最大摆角为4度。发动机采用燃气发生器循环方案,由两台气动串联的涡轮泵分别为推力室供应液氢和液氧。

发动机可进行二次起动,用固体火药起动器作为涡轮泵的起动能源,推力室用固体烟火点火器点火,两次起动之间的滑行时

间不受限制。

YF-75发动机由推力室、燃气发生器、涡轮泵、各种阀门和总装元件构成。

表8　YF -75发动机的主要性能

真空推力78.45千牛

真空比冲4315牛・秒/公斤质量混合比 5.0

液氢流量 3.08公斤/秒液氧流量15.15公斤/秒推力室压力 3.67兆帕液氢泵转速40000转/分液氧泵转速20000转/分干质量245公斤

外廓尺寸　

2805毫米×3068毫米(高×直径)

推力室包括头部、身部和延伸喷管三部分。头部采用同轴式氢氧喷嘴单元,氧喷嘴为离心式,氢喷嘴为直流缝隙式。所有的喷嘴单元都相同,并按同心圆排列。身部采用锆铜合金的沟槽内壁,用电铸镍形成外壁。喷管延伸段采用螺旋管束式结构方案,用氢作排放冷却剂。

燃气发生器头部采用离心式氧喷嘴和直流式氢喷嘴,并带有

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13・Aug.1998　A er osp ace China

图17　长征三号A 三子级增压系统原理图

图18　长征三号A 推进剂利用系统原理图

扰流装置,身部为单层壁不冷却结构。

涡轮泵包括氢涡轮泵和氧涡轮泵两部分,两者为非共轴气动串联系统,两台涡轮泵分别设在推力室两侧。燃气发生器供应的燃气首先驱动氢涡轮,然后再驱动氧涡轮。氢涡轮泵主要由氢涡轮、氢泵、上支座、下支座、动密封和轴承等组成。氢涡轮转子为超临界柔性转子,采用轮盘、叶片、主轴的整体结构。氢涡轮为超声速、轴流、速度复合级涡轮。氢泵采用离心泵,泵与涡轮之间设有动密封。轴承为滚珠轴承,由液氢冷却。从氢涡轮排出的燃气经过换热器之后进入氧涡轮。氧涡轮泵由氧涡轮、氧泵、上支座、下支座、密封和轴承等组成。氧涡轮泵转速低于一阶临界转速。氧涡轮为轴流、速度复合级涡轮。氧泵采用离心泵。轴承为滚珠轴承。在泵与涡轮之间设有多道密封。

每台单机的阀门主要有:氢泵前阀、氧泵前阀、氢主阀、氧主阀、推进剂利用阀、氢副控阀、氧副控阀以及电动气阀门等。

总装元件包括常平座、摇摆软管、换热器、点火器和火药起动器。

(2)输送系统

长征三号A 三子级输送系统的组成和功能与长征三号的基本相同,只是由于三子级发动机由两台单机组成,所以两个贮箱各有两个推进剂输出口。液氧和液氢各自经输出口、泵前阀、摆动软管进入泵腔。液氧从泵后分成三路,一路经文氏管抵达主阀;一路经并联的两台推进剂利用阀抵达主阀,然后两路会合后通过主阀进入推力室头部;第三路经压力调节器、副控阀进入燃气发生器。液氢从泵后分成4路,一路经文氏管抵达副控阀;一路经文氏管、旁通阀抵达副控阀,然后两路会合通过副控阀进入燃气发生器;第三路经

文氏管、主阀进入推力室的冷却通道;第四路经氢涡轮后面的加温器进入液氢贮箱,为贮箱增压。

(3)增压系统

三子级的增压系统由常温氦气瓶、低温氦气瓶、压力信号计、加温器、减压器和相应的阀门、导管等组成。液氢箱采用自生增压方案,从泵后引出少量液氢经氢涡轮后面的加温器加温后进行增

压,另外从推力室的头部引出一股气氢经氧涡轮后的废气加热,先带动氢气气动机,然后也用来增压液氢箱。液氧箱用氦气增压,即将低温氦气

瓶中的氦气经氢涡轮出口处的加温器加温,对液氧箱增压。在滑行段则两个贮箱都用常温氦气补压。

(下转第17页)

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14・中国航天　1998年第8期

图3　X -33将使用的气塞式发动机上有多个推力元。该发动机将使用阿波罗登月时代制造的涡轮泵

罗拉多阿瓦达的巴伯-尼克尔斯有限责任公司和阿拉巴马亨茨维尔的综合技术公司。它们已开始同波音/洛克达因公司、航空喷气发动机公司、法国欧洲动力装置制造公司及众多俄发动机厂家等老牌推进企业进行竞争。

目前正在进行的发动机改进项目主要有两项,一是普惠公司改进俄动力机械联合体的RD-180发动机以供洛马公司的宇宙神3和EELV 火箭使用,二是普惠公司在其RL10(半人马座所用的一种发动机)上改用欧洲动力装置制造公司制造的一种新型复合材料单喷管以供德尔它3火箭使用。航空喷气发动机公司还在为洛马公司的EELV 项目研制改进型的阿金纳2000。从天顶号火箭所用的四推力室RD-170原型发动机改进而来的双推力室RD-180型发动机已在俄罗斯进行了试验,6月份开始将在马歇尔中心进行一系列试验。从已完成的上万秒试车情况看,该发动机的比冲性能比预计的还高。另外有一些新公司(如基斯特勒宇航公司)在对现有的俄制发动机进行改造,而比尔宇航公司等厂家则打算研制目前基本上还是纸上谈兵的新型发动机。□(上接第14页)

(4)推进剂利用系统

推进剂利用系统由氧箱液位传感器、氧箱液位变换器、氢箱液位传感器、氢箱液位变换器、计算控制装置、推进剂利用阀和电缆网组成。液氢和液氧的液位传感器、变换器在原理和结构方面都相同,仅尺寸和电气参数不同。传感器为分节式电容,电容的两极为同心圆筒,液位改变将导致两极之间的介电常数变化,从而使电容量发生变化。变换器将传感器输出的电容转换成直流电压信号,送往计算控制装置。计算控制装置根据两个贮箱的液位高度计算出两种推进剂的剩余量,如果液氧与液氢的比例大于发动机的额定质量混合比(k=5),则令两个推进剂利用阀(指单台发动机)全部打开,以增大进入推力室的液氧流量;当该比例小于发动机的额定混合比时,则令两个推进剂利用阀全部关闭,以减小液氧的流量;如果该比例等于发动机的混合比,则令两个阀门一开一闭,维持正常的流量。

推进剂利用系统开始工作和停止工作的时间受控制系统控制。贮箱中推进剂的液位变化信息,在飞行状态下,同时送往推进剂利用系统和遥测系统,而在加注推进剂时,则送往地面的加注控制台。

(5)推进剂管理系统长征三号A 推进剂管理系统的原理、组成和功能都与长征三号的相同,只是动力部分采用

了FY-83发动机,其推进剂为单

推3(DT -3)。和长征三号一样,该发动机的部分推力室用于推进剂管理,另一部分推力室则用于滑行段的姿态控制。

表9　FY -83发动机的推力室参数

推力室功能单室推力(牛)推力室数量俯仰控制702偏航控制702滚动控制404推进剂管理

300240

2

(6)其它系统

长征三号A 三子级推进系统中还包含有排气系统、吹除和气封系统,它们的组成和功能都与长征三号的相同。

(待续)・

17・Aug.1998　A er osp ace China