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变推力发动机国内外研究现状和发展趋势文献综述

目前国际上对变推力发动机机动技术研究工作和学术氛围非常活跃。主要研究集中变推力发动机的无毒推进剂技术、针栓喷注器调节技术、单组元和双组元变推力发动机技术以及变推力发动机在空间机动中的应用研究。

1.1无毒变推力发动机技术研究现状

国内西安航天动力研究所以及北京航天动力等研究所开展了大量无毒低温推进剂泵压式变推力液体发动机研究。

2016年西安航天动力研究所提出大推力变比10:1的补燃循环系统方案，通过燃发器分流阀调节驱动涡轮的燃气流量，从而改变燃发器混合比，进一步改变涡轮功率，泵功率随之改变，最终改变推进剂流量，原理如图1-2所示。喷注器为双歧路喷注器，该方案在实现大推力变比的同时保证了喷注压降。

图1-2变推力发动机补燃循环系统

同时下表1-1是目前国内外无毒变推力发动机主要型号统计：

表1-1无毒变推力发动机主要型号统计

时间

飞行器/工程

发动机型号

最大推力/KN

推

力变比

推进剂

2

1991-1

995

1996

1997

2005-2

010

2005-2

010

2011-2

014

DC-X/DC-XA

JointCooperative

Study

JointCooperative

Study

CECE

LSAM

Morpheus

RL10A-5

RD-0120

SSME

Modified

RL10

TR202

Morpheus主发

动机

65

1962

2087

61

37

24

3.3:

1

4:1

6.4:

1

10:1

5.3:1

4:1

LH2/LO2

LH2/LO2

LH2/LO2

LH2/LO2

GH2/LO2

LCH4/LO2

相较于有毒变推力推进，采用无毒变推力推进可以减少地面操作人员风险、缩短操作转场时间、降低发动机成本，对操作人员安全与环境保护有利。尤其是甲烷由于具有沸点高、无积碳、高比冲以及高蒸发潜热等优势，成为理想推进剂，并且基于双涡轮系统的液氧甲烷膨胀循环变推力发动机能够在甲烷做功能力利用率更高的情况下更好地保证混合比，实现推力大范围调节12]。因而无毒变推力发动机会带来更大效益，因此无毒变推力发动机是变推力发动机技术发展的一个重要热点。

1.2针栓式喷注器变推力发动机技术

在变推力发动机设计中，对于喷注器的设计十分重要。针栓式喷注器与用在双组元液体火箭发动机上的典型的撞击式或同轴式喷嘴比较，具有独特的几何特性和喷注特性。针栓式喷注器能够产生很高的燃烧效率(96~99%),并具有如下工作特性：很强的调节能力、面关机特性、成本低、可靠性高以及操作安全等。因此，国内外关

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于变推力发动机研究主要集中于使用针栓式喷注器的变推力发动机4]。美国诺格公司研发的TR202变推力发动机就是变推力针栓发动机。如下图1-3所示。TR202在100%功率下可提供的真空推力为38.8kN,在18.8%功率的情况下可节流至7.1kN,设计额定功率为最大功率的75%,节流能力为4:1。

气

气、

a0

K管

W气话—

图1-3TR202变推力针栓发动机

国际上其他各国也对变推力针栓发动机技术研究深入，特别是我国西安航天动力研究所研发的某型针栓发动机，下表二则是目前研制的典型针栓喷注器发动机。

表1-2研制的典型针栓喷注器发动机3

发动机名称或研究单位

推进剂

设计推力/kN

室压/MPa

比冲/s

备注

LMDE

N?O?/A-50

4.4~44

0.69

303

累计10次飞行

TR201

N?O?/A-50

44

0.69

303

77次飞行全部成功

ISPS

HAD/USO

0.44

0.65

272

28次飞行全部成功

TR-308

N?O?/N2H4

0.53

0.69

322

4次飞行全部成功

Merdin1A

LOX/RP1

340

6.89

飞行2次，一次失败

Merlin1D+

LOX/RP1

934

10.8

348

用于猎鹰重型芯级和助推级

西安航天动力研究所

MON-1/MMH

1.5~7.5

-

用于嫦娥三号和嫦娥四号

针栓式变推力发动机是未来变推力发动机高性能、低成本、重复使用的航天动力发展趋势。

1.3单组元与双组元变推力发动机技术

单组元发动机工作时，推进剂由喷注器进入催化床，经催化分解为高温燃气，高温的混合气体经喷管膨胀产生推力。MR-80和MR-80B单组元变推力发动机为了实现大推力化设计和大流量变比范围内稳定工作，攻克了径向双层夹套催化床设计、径向喷注器设计、流量稳定调节技术、催化床空穴控制等关键技术。国外单组元变

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推力发动机成功完成了“海盗”号和“好奇”号着陆器在火星表面的软着陆任务，代表其单组元