[科普中國]-推進劑供應系統(tǒng)

作用

推進劑供應系統(tǒng)的功用是將貯箱中的推進劑按照要求的流量和壓力輸送到推力室中。推進劑供應系統(tǒng)一般分為兩大類：一類是擠壓式供應系統(tǒng)，簡稱擠壓式系統(tǒng)；另一類是泵壓式供應系統(tǒng)，簡稱泵壓式系統(tǒng)。擠壓式系統(tǒng)由高壓氣體建立供應壓力；泵壓式系統(tǒng)主要由泵建立供應壓力。為了使泵不產生氣蝕，泵壓式系統(tǒng)也需要一定的貯箱壓力．但其壓力值比擠壓系統(tǒng)低得多。1

推進劑供應系統(tǒng)有兩個主要功能：提高推進劑的壓力；把推進劑輸送到一個或多個推力室。完成這些功能所需的能量要么來自于高壓氣體或離心泵，要么同時來自于這兩者。具體供應系統(tǒng)及其組件的選擇主要取決于發(fā)動機的用途、本章一開始提到的發(fā)動機要求、工作時間、推力室數(shù)目或類型、以往研制經驗、任務以及對發(fā)動機的一般要求(方案簡單、容易制造、成本低、質量小)。所有供應系統(tǒng)都包括管路、多個閥門、用于加注和排放推進劑的裝置以及用于啟動、關機、調節(jié)流量和工況的控制裝置。

一般來說，當總沖或推進劑量相對較小、室壓較低、發(fā)動機推重比較小(小于0．6)、需要反復的短脈沖工作時，采用擠壓式供應系統(tǒng)的飛行器的性能要優(yōu)于泵壓式系統(tǒng)，這種情況下發(fā)動機系統(tǒng)的主要死重通常是厚壁推進劑貯箱和氣瓶的質量。在泵壓式系統(tǒng)中，推進劑貯箱壓力要低得多(相差10～40倍)，因此貯箱質量要小很多(同樣也相差10～40倍)。當總沖較大(速度增量大)、室壓較高時，通常采用泵壓式系統(tǒng)的飛行器性能更好。2

系統(tǒng)組成推進劑供應系統(tǒng)是液體火箭發(fā)動機的重要組成部分，主要包括貯存和產生增壓氣體的裝置、推進劑升壓裝置、輸送管路、各種閥門及流量或壓力調節(jié)裝置等。

推進劑供應系統(tǒng)組成部分的范圍并沒有嚴格的劃分方法。一般以以下事實來區(qū)分供應系統(tǒng)組成部分的范同：若貯箱及其增壓系統(tǒng)由發(fā)動機設計和生產部門提供，則把貯箱及其增壓系統(tǒng)作為發(fā)動機供應系統(tǒng)的組成部分；若貯箱及其增壓系統(tǒng)由運載火箭設計和生產部門提供，則把它作為運載火箭的組成部分。習慣上，把擠壓式系統(tǒng)的貯箱及其增壓系統(tǒng)作為發(fā)動機供應系統(tǒng)的組成部分。1

分類液體火箭中將推進劑從貯箱輸送入推力室的系統(tǒng)。推進劑供應系統(tǒng)按工作方式分為擠壓式和泵壓式兩類。

擠壓式供應系統(tǒng)

通常由高壓氣瓶、減壓器等組成。貯存在氣瓶中的高壓惰性氣體（氦、氮等）經減壓

器后進入貯箱，將推進劑從貯箱擠壓到推力室。推進劑的流量由減壓器所調定的壓力控制。從高壓氣瓶輸出的氣體也可經加熱后再使用，以節(jié)省用氣量和減輕氣瓶重量。在失重條件下工作的發(fā)動機，貯箱內的推進劑有時裝在彈性貯囊內，高壓氣體擠壓貯囊以保證推進劑的連續(xù)供應。

擠壓式供應系統(tǒng)結構簡單，工作可靠，但由于推進劑貯箱要承受高壓，因而貯箱結構質量較大。這種系統(tǒng)適合于小推力、短時間工作及多次啟動的發(fā)動機。

擠壓物質利用率為有效氣體質量與擠壓物質總質量的比值。擠壓物質利用率越高，表示擠壓物質的利用越充分。

在選擇擠壓物質時，要遵循以下幾個原則：

①擠壓物質與推進劑和貯箱材料要有良好的相容性。

②擠壓系統(tǒng)的質量和尺寸盡可能小。擠壓物質密度要大，從而只需要較小體積的容器。

③擠壓氣體的擠壓能力要大。擠壓能力定義為貯箱擠壓氣體壓力與擠壓氣體體積的乘積。由氣體狀態(tài)方程可知，擠壓氣體的分子量越小，溫度越高，則一定質量氣體的擠壓能力就越大。

按照擠壓氣體的來源，通常將擠壓式系統(tǒng)分為貯氣系統(tǒng)、液體汽化系統(tǒng)和化學反應系統(tǒng)三種主要類型。3

泵壓式供應系統(tǒng)通常由渦輪泵、燃氣發(fā)生器、火藥起動器等組成。渦輪泵將推進劑輸入推力室。渦輪泵是渦輪與泵的組合裝置，還包括軸承、密封件和齒輪等。渦輪由燃氣發(fā)生器生成的燃氣或其他氣源驅動（見動力循環(huán)），通常采用沖擊式渦輪，結構簡單，重量輕。在閉式動力循環(huán)中則采用低壓比反力式渦輪。氧化劑泵和燃料泵可由同一渦輪驅動，也可分別由兩個渦輪驅動。渦輪與泵同軸或通過齒輪傳動，以便在高轉速下獲得較高效率。液體火箭發(fā)動機大都采用離心泵，單級壓頭高，結構簡單。高壓液氫泵采用多級離心泵或多級軸流泵。為了防止泵在工作中發(fā)生氣蝕（在流道中當液體靜壓低于當?shù)販囟认碌娘柡驼羝麎?時產生的氣穴現(xiàn)象），須對推進劑貯箱增壓，以提高泵的入口壓力。貯箱增壓按氣源可分為貯氣增壓、自生增壓和化學增壓。貯氣增壓用貯存在高壓氣瓶中的氣體作增壓氣源。自生增壓是將低沸點的推進劑從泵后某處分流經換熱器加熱氣化，或從燃氣發(fā)生器抽出一部分燃氣經換熱器降溫而獲得增壓氣源。化學增壓是在自燃推進劑的一種組元的貯箱內注入少量另一組元，在貯箱內發(fā)生化學反應生成燃氣，用于增壓。為了提高泵的抗氣蝕性能，通常在離心泵前安裝誘導輪或在泵前增設增壓泵。燃氣發(fā)生器的結構與燃燒室類似，利用雙組元推進劑的化學反應或單組元推進劑的分解而生成燃氣。雙組元燃氣發(fā)生器所用的推進劑通常與推力室用的相同，但兩推進劑組元的混合比偏離發(fā)動機額定值較遠，以防止燃氣溫度過高而損壞渦輪葉片。火藥起動器是使用固體推進劑的燃氣發(fā)生器。點火裝置將固體藥柱點燃，生成燃氣驅動渦輪，工作時間很短，用于發(fā)動機起動。還可用其他起動方式，如用增壓氣體或液體推進劑起動箱和推進劑貯箱壓頭起動等。

供應系統(tǒng)方案的選擇取決于燃燒室的壓力、推力和起動次數(shù)等。擠壓式供應系統(tǒng)用于低燃燒室壓力、小推力和起動頻繁的發(fā)動機，如姿態(tài)控制發(fā)動機等。推力較大的助推發(fā)動機和主發(fā)動機大都采用泵壓式供應系統(tǒng)。4