遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)

遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)用于使人造地球衛(wèi)星在過(guò)渡軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)上獲得所需沖量的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)01結(jié)構(gòu)分類(lèi)熱控制特點(diǎn)任務(wù)目錄03050204基本信息遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)是用于使人造地球衛(wèi)星在過(guò)渡軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)上獲得所需沖量的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。它能使衛(wèi)星從有一定傾角的大橢圓過(guò)渡軌道轉(zhuǎn)入赤道平面內(nèi)的近圓形準(zhǔn)同步軌道。固體推進(jìn)劑遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)用于自旋穩(wěn)定的衛(wèi)星，為提高衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，燃燒室的外形通常近似球形。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。液體推進(jìn)劑遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的沖量偏差比較小、能夠多次起動(dòng)、入軌精度也高，可以根據(jù)任務(wù)要求改變沖量大小和發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間，使用與姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)相同的推進(jìn)劑和推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)。液體遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)于70年代中期首先在“交響樂(lè)”號(hào)通信衛(wèi)星上應(yīng)用。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的推進(jìn)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(dá)300秒。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)一般的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī),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(dòng)機(jī)的性能必須減少它的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)是一種壓力容器(內(nèi)壓50kgf/cm2),對(duì)內(nèi)壓來(lái)說(shuō),球的體積最小,重量最輕。遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)由球形殼體、內(nèi)面上的襯里、裝填的推進(jìn)劑、排棘燃?xì)獾膰娮旌忘c(diǎn)火用的點(diǎn)火器構(gòu)成。

圖11.發(fā)動(dòng)機(jī)外殼發(fā)動(dòng)機(jī)外殼(簡(jiǎn)稱(chēng)外殼,燃燒室)使用碳素纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)、卡普綸玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)或鈦合金(Ti-6A1-4Va)。因?yàn)檫@些材料的比強(qiáng)度(平均單位質(zhì)量的強(qiáng)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(shí)際效果,而且價(jià)格昂貴。2.襯里襯里介于外殼和推進(jìn)劑之間,完成外殼與推進(jìn)劑之間的粘接任務(wù)。推進(jìn)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(huì)把外殼燒毀,使發(fā)動(dòng)機(jī)破壞。如果襯里與推進(jìn)劑之間有剝離,火焰燒到那里,提高了推進(jìn)劑燃燒面積的設(shè)計(jì)值,由于內(nèi)壓升壓異常,發(fā)動(dòng)機(jī)破壞。因此,襯里對(duì)外殼有防熱作用。特點(diǎn)高性能高可靠性高精度特點(diǎn)高性能遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)劑（HTPB)，其比沖為2834N·s/kg(噴管擴(kuò)張比AR=45)。若采用四組元推進(jìn)劑，比沖可達(dá)2863N·s/kg，此值與美國(guó)星系列發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)酯復(fù)合材料，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量比達(dá)到λ=0.88?0.895。若采用更先進(jìn)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(jìn)劑遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)是一次點(diǎn)火，準(zhǔn)確入軌#星上肼推進(jìn)系統(tǒng)是為了修正日、月攝動(dòng)對(duì)衛(wèi)星位置的影響，其推力很小。假如遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力不準(zhǔn)，引起軌道偏差，那將是無(wú)法彌補(bǔ)的。因此，要求遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的總沖精度很高，偏差不大于1%。對(duì)推力偏心的要求也很?chē)?yán)格。由于我們嚴(yán)格控制了推進(jìn)劑配方組分，采用減量法控制藥重。因此，多次發(fā)射中測(cè)控中心給出的速度增量遙測(cè)數(shù)據(jù)表明.實(shí)際總沖精度滿(mǎn)足偏差不大于1%的要求。困難主要在于地面試車(chē)中總沖測(cè)量精度還達(dá)不到上述要求。

高可靠性衛(wèi)星和運(yùn)載火箭造價(jià)很高，任何一個(gè)分系統(tǒng)的失敗都會(huì)給發(fā)射帶來(lái)極大損失。由于遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)是在太空工作的，因此它要經(jīng)受運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)的振動(dòng)環(huán)境的影響、地球范阿倫粒子輻射帶的影響、自旋對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道的影響，以及高真空對(duì)點(diǎn)火可靠性的影響等，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，必須安排地面旋轉(zhuǎn)試車(chē)、高空模擬試車(chē)、靜力試驗(yàn)、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，以及高真空度密封試驗(yàn)和射線輻照試驗(yàn)等。20年的研制經(jīng)驗(yàn)證明，由于試驗(yàn)工作充分，我院研制的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)具有很高的可靠性。

分類(lèi)液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi)固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)分固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)兩種。到20世紀(jì)80年代為止，除了法德合作研制的“交響樂(lè)”通信衛(wèi)星是用雙組元液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外，其它已發(fā)射的靜止通信衛(wèi)星和試驗(yàn)廣播衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)都是采用固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)通常由燃燒室，藥柱(推進(jìn)劑)、噴管、點(diǎn)火器和安全裝置構(gòu)成。遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)際通信衛(wèi)星-Ⅲ”。的固體燃料遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)外形和結(jié)構(gòu)。固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用。其缺點(diǎn)是比沖較低，總沖偏差較大、只能一次起動(dòng)及推力不能調(diào)節(jié)等。根據(jù)水平，比沖一般可以達(dá)到290秒左右，歐洲空間局研制的“軌道試驗(yàn)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(dòng)機(jī)燃料重量與整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)重量之比，已達(dá)0.93-0.94。比沖和質(zhì)量比是標(biāo)志發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，就會(huì)增加有效載荷，提高入軌精度。

液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)用作衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌的動(dòng)力裝置，其特點(diǎn)是：比沖較高，一般可超過(guò)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(dòng)，靈活性較好；軸向與橫向轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)于一定運(yùn)載能力的火箭來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星采用液體燃料遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，可增加有效載荷，提高入軌精度。但是，液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要專(zhuān)用的燃料貯箱和燃料輸送系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較差；尤其是對(duì)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(dòng)引起液體燃料晃動(dòng)比較大，因此需要設(shè)法解決燃料晃動(dòng)對(duì)姿態(tài)穩(wěn)定性的影響。綜上所述，由于液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以近年來(lái)有些國(guó)家對(duì)這種發(fā)動(dòng)機(jī)非常重視，進(jìn)行了大量研究試驗(yàn)工作，并首次成功地用于“交響樂(lè)”通信衛(wèi)星；但是，與固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相比，還有不少的技術(shù)問(wèn)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(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)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(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火之前，衛(wèi)星必須調(diào)整姿態(tài)，使自旋軸進(jìn)動(dòng)到遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)所要求的方位，姿態(tài)偏差不大于1'。

任務(wù)任務(wù)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(gè)軌道氣的衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行一圈需要24小時(shí),從地球上看這個(gè)衛(wèi)星是在天空的一點(diǎn)上靜止的,(即地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)動(dòng)同步),所以稱(chēng)之為靜止軌道。

為了使衛(wèi)星進(jìn)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(guò)渡。人們把這個(gè)橢圓軌道上離地球最近的點(diǎn)稱(chēng)為近地點(diǎn),離地球最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱(chēng)為遠(yuǎn)地點(diǎn)。從近地軌道向轉(zhuǎn)移軌道轉(zhuǎn)移衛(wèi)星時(shí),在近地點(diǎn)必須給衛(wèi)星加速,這個(gè)加速叫近地點(diǎn)起動(dòng)。從轉(zhuǎn)移軌道向靜止軌道過(guò)渡時(shí),在遠(yuǎn)地點(diǎn)上需要1.8km/s的加速度,而把完成這個(gè)任務(wù)的發(fā)動(dòng)機(jī)叫作遠(yuǎn)地點(diǎn)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或遠(yuǎn)地點(diǎn)助推發(fā)動(dòng)機(jī)。簡(jiǎn)稱(chēng)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

近年來(lái),在美國(guó),作為天地往返的宇宙輸送系統(tǒng)航天飛機(jī)已經(jīng)實(shí)用化了。從航天飛機(jī)上發(fā)射靜止衛(wèi)星時(shí),航天飛機(jī)進(jìn)入近地軌道,在這里由叫作載荷助推艙(PAM)和慣性上面級(jí)（IUS）的二級(jí)火箭系統(tǒng)的第一級(jí)進(jìn)行近地點(diǎn)起動(dòng),進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道,在遠(yuǎn)地點(diǎn),由組裝在衛(wèi)星本體中央部分的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和IUS的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)地點(diǎn)起動(dòng),進(jìn)入與靜止軌道近似的漂移軌道,再對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行微調(diào)將其送入靜止軌道。使用一次性火箭時(shí)可不經(jīng)過(guò)近地軌道直接進(jìn)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(shí)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)與前面敘述的一樣。熱控制熱控制遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)用于靜止通信衛(wèi)星，是衛(wèi)星由大橢圓軌道進(jìn)入準(zhǔn)同步軌道的關(guān)鍵設(shè)備.為了保證它的工作性能，發(fā)動(dòng)機(jī)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(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在衛(wèi)星殼體之外，直接向外部空間輻射散熱.點(diǎn)火之前溫度呈下降趨勢(shì).點(diǎn)火后，噴射火焰熱輻射將影響星體的熱平衡，雖然時(shí)間較短，但熱控制必須考慮這兩種因素.

因此，對(duì)遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱設(shè)計(jì)的基本要求是（以我國(guó)靜止軌道通信衛(wèi)星為例）:從發(fā)射到遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火的100多小時(shí)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(yīng)的熱設(shè)計(jì)方案是，在衛(wèi)星起飛前，把遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)加熱到接近于允許溫度的上限；在起飛后，則利用發(fā)動(dòng)機(jī)自身的熱容量、保溫措施以及電加熱手段保證發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前的溫度水平.具體措施如下：①在發(fā)動(dòng)機(jī)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