遠地點發(fā)動機

遠地點發(fā)動機用于使人造地球衛(wèi)星在過渡軌道遠地點上獲得所需沖量的火箭發(fā)動機01結(jié)構(gòu)分類熱控制特點任務目錄03050204基本信息遠地點發(fā)動機是用于使人造地球衛(wèi)星在過渡軌道遠地點上獲得所需沖量的火箭發(fā)動機。它能使衛(wèi)星從有一定傾角的大橢圓過渡軌道轉(zhuǎn)入赤道平面內(nèi)的近圓形準同步軌道。固體推進劑遠地點發(fā)動機用于自旋穩(wěn)定的衛(wèi)星，為提高衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動慣量，燃燒室的外形通常近似球形。這種發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。液體推進劑遠地點發(fā)動機的沖量偏差比較小、能夠多次起動、入軌精度也高，可以根據(jù)任務要求改變沖量大小和發(fā)動機工作時間，使用與姿態(tài)控制發(fā)動機相同的推進劑和推進劑供應系統(tǒng)。液體遠地點發(fā)動機于70年代中期首先在“交響樂”號通信衛(wèi)星上應用。這臺發(fā)動機使用的推進劑是四氧化二氮和混肼50，真空推力為400牛（約40公斤力），比沖達300秒。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)一般的遠地點發(fā)動機,如圖1所示,呈球形或亞球形結(jié)構(gòu)。理由是,為提高發(fā)動機的性能必須減少它的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。發(fā)動機是一種壓力容器(內(nèi)壓50kgf/cm2),對內(nèi)壓來說,球的體積最小,重量最輕。遠地點發(fā)動機由球形殼體、內(nèi)面上的襯里、裝填的推進劑、排棘燃氣的噴嘴和點火用的點火器構(gòu)成。

圖11.發(fā)動機外殼發(fā)動機外殼(簡稱外殼,燃燒室)使用碳素纖維增強塑料(CFRP)、卡普綸玻璃纖維增強塑料(FRP)或鈦合金(Ti-6A1-4Va)。因為這些材料的比強度(平均單位質(zhì)量的強度)都比鋼大,且能減輕外殼的重量。但是,這些材料都是歷史很短的新材料,在制造、加工、可靠性等方面,不一定有充分的實際效果,而且價格昂貴。2.襯里襯里介于外殼和推進劑之間,完成外殼與推進劑之間的粘接任務。推進劑與金屬和FRP的粘接性不怎么好。若外殼和襯里之間出現(xiàn)剝離,火焰燒到那里會把外殼燒毀,使發(fā)動機破壞。如果襯里與推進劑之間有剝離,火焰燒到那里,提高了推進劑燃燒面積的設計值,由于內(nèi)壓升壓異常,發(fā)動機破壞。因此,襯里對外殼有防熱作用。特點高性能高可靠性高精度特點高性能遠地點發(fā)動機既然是衛(wèi)星的一部分，就要求它有較高比沖和質(zhì)量比。我們采用的中能推進劑（HTPB)，其比沖為2834N·s/kg(噴管擴張比AR=45)。若采用四組元推進劑，比沖可達2863N·s/kg，此值與美國星系列發(fā)動機比沖在同一水平。在殼體材料方面.我們采用了玻璃纖維/環(huán)氧樹酯復合材料，發(fā)動機質(zhì)量比達到λ=0.88?0.895。若采用更先進的芳綸纖維，質(zhì)量比可提高到λ=0.9以上。

高精度固體推進劑遠地點發(fā)動機的工作特點是一次點火，準確入軌#星上肼推進系統(tǒng)是為了修正日、月攝動對衛(wèi)星位置的影響，其推力很小。假如遠地點發(fā)動機的推力不準，引起軌道偏差，那將是無法彌補的。因此，要求遠地點發(fā)動機的總沖精度很高，偏差不大于1%。對推力偏心的要求也很嚴格。由于我們嚴格控制了推進劑配方組分，采用減量法控制藥重。因此，多次發(fā)射中測控中心給出的速度增量遙測數(shù)據(jù)表明.實際總沖精度滿足偏差不大于1%的要求。困難主要在于地面試車中總沖測量精度還達不到上述要求。

高可靠性衛(wèi)星和運載火箭造價很高，任何一個分系統(tǒng)的失敗都會給發(fā)射帶來極大損失。由于遠地點發(fā)動機是在太空工作的，因此它要經(jīng)受運載火箭發(fā)射時的振動環(huán)境的影響、地球范阿倫粒子輻射帶的影響、自旋對發(fā)動機內(nèi)彈道的影響，以及高真空對點火可靠性的影響等，在發(fā)動機研制過程中，必須安排地面旋轉(zhuǎn)試車、高空模擬試車、靜力試驗、振動和沖擊試驗，以及高真空度密封試驗和射線輻照試驗等。20年的研制經(jīng)驗證明，由于試驗工作充分，我院研制的遠地點發(fā)動機具有很高的可靠性。

分類液體燃料發(fā)動機固體燃料發(fā)動機分類固體燃料發(fā)動機遠地點發(fā)動機分固體燃料發(fā)動機和液體燃料發(fā)動機兩種。到20世紀80年代為止，除了法德合作研制的“交響樂”通信衛(wèi)星是用雙組元液體燃料發(fā)動機外，其它已發(fā)射的靜止通信衛(wèi)星和試驗廣播衛(wèi)星的遠地點發(fā)動機都是采用固體燃料發(fā)動機。固體燃料發(fā)動機通常由燃燒室，藥柱(推進劑)、噴管、點火器和安全裝置構(gòu)成。遠地點發(fā)動機裝在衛(wèi)星內(nèi)部，它所帶的燃料重量幾乎同星體重量相等。概述圖表示出“國際通信衛(wèi)星-Ⅲ”。的固體燃料遠地點發(fā)動機外形和結(jié)構(gòu)。固體燃料發(fā)動機的特點是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、性能良好，使用方便，并有較高的質(zhì)量比，因此得到廣泛：的應用。其缺點是比沖較低，總沖偏差較大、只能一次起動及推力不能調(diào)節(jié)等。根據(jù)水平，比沖一般可以達到290秒左右，歐洲空間局研制的“軌道試驗衛(wèi)星”已經(jīng)做到296秒；總沖偏差約為1%左右。質(zhì)量比是指發(fā)動機燃料重量與整個發(fā)動機重量之比，已達0.93-0.94。比沖和質(zhì)量比是標志發(fā)動機性能的重要指標，提高發(fā)動機性能，就會增加有效載荷，提高入軌精度。

液體燃料發(fā)動機液體燃料發(fā)動機用作衛(wèi)星在遠地點變軌的動力裝置，其特點是：比沖較高，一般可超過300秒；總沖偏差很小，為0.1%左右，因此，可大大提高入軌精度，減少軌道修正用的燃料量；推力可以調(diào)節(jié)，能多次起動，靈活性較好；軸向與橫向轉(zhuǎn)動慣量比可根據(jù)穩(wěn)定性要求做得比較大些，調(diào)整也容易等等。因此，對于一定運載能力的火箭來說，衛(wèi)星采用液體燃料遠地點發(fā)動機，可增加有效載荷，提高入軌精度。但是，液體燃料發(fā)動機需要專用的燃料貯箱和燃料輸送系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復雜，可靠性較差；尤其是對于自旋穩(wěn)定衛(wèi)星或者三軸穩(wěn)定衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道自旋穩(wěn)定階段，衛(wèi)星晃動引起液體燃料晃動比較大，因此需要設法解決燃料晃動對姿態(tài)穩(wěn)定性的影響。綜上所述，由于液體燃料發(fā)動機有其獨特的優(yōu)點，所以近年來有些國家對這種發(fā)動機非常重視，進行了大量研究試驗工作，并首次成功地用于“交響樂”通信衛(wèi)星；但是，與固體燃料發(fā)動機相比，還有不少的技術(shù)問題需要研究解決。

不管是自旋穩(wěn)定衛(wèi)星還是三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，在轉(zhuǎn)移軌道階段都是采用自旋穩(wěn)定，以保證遠地點發(fā)動機點火姿態(tài)符合要求，減小推力方向偏差所產(chǎn)生的影響。因此，在遠地點發(fā)動機點火之前，衛(wèi)星必須調(diào)整姿態(tài)，使自旋軸進動到遠地點發(fā)動機點火時所要求的方位，姿態(tài)偏差不大于1'。

任務任務人造衛(wèi)星的軌道,按照它的不同目的,有各種各樣。例如,廣播衛(wèi)星選擇靜止軌道最合適。所謂靜止軌道是指在地球赤道上空約公里處的圓形軌道,在這個軌道氣的衛(wèi)星環(huán)繞地球運行一圈需要24小時,從地球上看這個衛(wèi)星是在天空的一點上靜止的,(即地球的自轉(zhuǎn)運動和衛(wèi)星在軌道上的運動同步),所以稱之為靜止軌道。

為了使衛(wèi)星進入靜止軌道,:首先將其發(fā)射到離地面300公里左右高度圓形軌道附近的近地軌道上,從這里再向轉(zhuǎn)移軌道過渡。人們把這個橢圓軌道上離地球最近的點稱為近地點,離地球最遠的點稱為遠地點。從近地軌道向轉(zhuǎn)移軌道轉(zhuǎn)移衛(wèi)星時,在近地點必須給衛(wèi)星加速,這個加速叫近地點起動。從轉(zhuǎn)移軌道向靜止軌道過渡時,在遠地點上需要1.8km/s的加速度,而把完成這個任務的發(fā)動機叫作遠地點起動發(fā)動機或遠地點助推發(fā)動機。簡稱遠地點發(fā)動機。

近年來,在美國,作為天地往返的宇宙輸送系統(tǒng)航天飛機已經(jīng)實用化了。從航天飛機上發(fā)射靜止衛(wèi)星時,航天飛機進入近地軌道,在這里由叫作載荷助推艙(PAM)和慣性上面級（IUS）的二級火箭系統(tǒng)的第一級進行近地點起動,進入轉(zhuǎn)移軌道,在遠地點,由組裝在衛(wèi)星本體中央部分的遠地點發(fā)動機和IUS的上面級發(fā)動機進行遠地點起動,進入與靜止軌道近似的漂移軌道,再對衛(wèi)星進行微調(diào)將其送入靜止軌道。使用一次性火箭時可不經(jīng)過近地軌道直接進入轉(zhuǎn)移軌道,日本的N-1和N-2以及歐空局的阿里安都使用了這種方式,·此時遠地點發(fā)動機的任務與前面敘述的一樣。熱控制熱控制遠地點發(fā)動機用于靜止通信衛(wèi)星，是衛(wèi)星由大橢圓軌道進入準同步軌道的關(guān)鍵設備.為了保證它的工作性能，發(fā)動機藥柱和噴管喉部的溫度狀況必須保持在它們要求的范圍之內(nèi).遠地點發(fā)動機安裝在衛(wèi)星殼體之外，直接向外部空間輻射散熱.點火之前溫度呈下降趨勢.點火后，噴射火焰熱輻射將影響星體的熱平衡，雖然時間較短，但熱控制必須考慮這兩種因素.

因此，對遠地點發(fā)動機熱設計的基本要求是（以我國靜止軌道通信衛(wèi)星為例）:從發(fā)射到遠地點點火的100多小時內(nèi)，藥柱和喉部的溫度在-20?40°C之內(nèi)，并規(guī)定熱控功耗不得大于20瓦.相應的熱設計方案是，在衛(wèi)星起飛前，把遠地點發(fā)動機加熱到接近于允許溫度的上限；在起飛后，則利用發(fā)動機自身的熱容量、保溫措施以及電加熱手段保證發(fā)動機點火前的溫度水平.具體措施如下：①在發(fā)動機殼體表面包扎多層隔熱材料，緊貼殼體的內(nèi)層采用較耐高溫的雙面