长征四号系列火箭姿控发动机研制历程及发展方向.pdf

第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）长征四号系列火箭姿控发动机研制历程及发展方向杨忆湄，王晓红，朱皓楠，景育，王吉星，徐立峰，刘传（上海空间推进研究所，上海 201112）摘要:长征四号系列火箭姿控发动机作为火箭动力系统的重要组成部分，有力地支撑了型号任务的发射。本文介绍了长征四号系列火箭姿控发动机的研制历程，对姿控发动机的研制现状进行了总结，对 HAN 基无毒推进技术进行了分析，提出了姿控发动机的发展方向。关键词:姿控发动机；研制历程；研制现状；发展方向中图分类号：V 439.7 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.032Development Process and Direction of CZ-4 Series Rocket Attitude Control EngineYANG Yimei，WANG Xiaohong，ZHU Haonan，JING Yu，WANG Jixing，XU Lifeng，LIU Chuan（Shanghai Institute of Space Propulsion，Shanghai 201112）Abstract:As an important part of a vehicle propulsion system，the attitude control engine effectively supports the launch of the tasks.In this paper，the development of the CZ-4 series rocket attitude control engine was introduced，after that，the current development status of the attitude control engine was summarized.The HAN-Based nontoxic propulsion technology was analyzed and the future development of the attitude control engine could be inspired.Key words:attitude control engine；development process；development status；development directions0引言 长征四号系列火箭自 1977年开始研制至今，衍生出 CZ-4A、CZ-4B、CZ-4C 三种状态，形成了长征四号系列火箭，已完成 100 次发射。与火箭配套的三级姿控发动机作为火箭动力系统的重要组成部分，主要用于火箭三级的俯仰、偏航、滚动姿态控制，推进剂沉底管理和末速修正等1-3。三级姿控发动机研制历程中，由于技术的更新换代和火箭总体任务的变化，共出现了 FY-82、FY-82B、FY-82C、FY-82C（B）、FY-82D-J、FY-82E-J、FY-82D、FY-82E这 8种状态。姿控发动机系统采用恒压挤压式推进系统方案4-5，系统配置高压气瓶、推进剂贮箱、各类推力器和各类阀门等组件。高压氦气贮存在高压气瓶内，按预先设定的程序，在规定的时间起爆火工品，打开气路通道，高压氦气通过减压阀减压设定压力，进入推进剂贮箱将推进剂挤压到各推力器电磁阀前。推力器电磁阀接到控制系统信号通电打开，推进剂流入推力器的推力室，与推力室的催化剂相遇迅速催化分解成高温气体，经喷管喷出产生反作用力。各推力器根据布置位置实现不同姿态控制功能。控制系统信号关闭后，电磁阀关闭（断电关闭），推进剂断流，推力随即消失。46年的研制历程中，姿控发动机经历了从表面张力贮箱到囊式贮箱、从无水肼到单推三低冰点推进剂、从单贮箱到双贮箱的适应性替换，组件产品升级换代、管路接头从单密封到双密封、增加偏航冗余等可靠性提升，确保了火箭发射任务的顺利完成。收稿日期：20230522；修回日期：20230624作者简介：杨忆湄（1987），女，硕士，主要研究方向为运载领域姿轨控发动机系统。220第 40 卷 2023 年第 s1 期杨忆湄，等：长征四号系列火箭姿控发动机研制历程及发展方向研制历程及主要技术成果 姿控发动机根据长征四号系列火箭任务需求的变化，进行多项关键技术攻关和可靠性提升改进，研制历程各设计状态及取得的主要技术成果见表1。1.1FY-82姿控发动机1978 年，用于发射东方红 2 号同步定点通信卫星的长征三号运载火箭，其三子级氢氧发动机在研制中遇到困难。因此，在 1978 年当年 8 月国防科委规划会上，决定采用三级常温推进剂火箭，即CZ-4 火箭作为发射该卫星的备份方案。1982 年10 月，在 CZ-4 运载火箭发射气象卫星审定会上，又确定 CZ-4 运载火箭定位于发射中国太阳同步轨道卫星-风云一号气象卫星为设计目标，代号“867工程”，火箭取名为 CZ-4A 运载火箭，火箭三级主发动机为一次启动状态。为 CZ-4A 火箭配套的姿控发动机代号为 FY-82，如图 1 所示。1979年初，CZ-4火箭针对拟用于发射地球同步通信卫星任务的需求开展了方案论证，并通过了相关的关键技术攻关，确定姿控发动机采用无水肼推进剂、60L囊式球形贮箱、地面和箭上设置加温系统的方案。1982年，CZ-4A 运载火箭改为发射太阳同步轨道的气象卫星，三级发动机仅工作一次，不需要进行推进剂沉底管理，故姿控发动机使用的推进剂量减少。为此研制了当时国内尚属空白的半管理型 28 L 表面张力贮箱，用了一年多时间逐项解决了诸多关键技术。姿控发动机先后进行了 5次整机振动试验、4次整机热试车，3次三子级联合热试车，完成了初样阶段的研制工作，1985年进入试样研制阶段。1988 年 9 月 7 日，参加了 CZ-4A 火箭首飞试验，取得圆满成功，1990 年 9 月 3 日，CZ-4A 火箭第 2 次发射飞行取得成功后，退出了现役运载火箭的行列。FY-82 姿控发动机的研制过程中，主要完成了表面张力贮箱受振动影响筛网破坏故障攻关和“气液隔离器”设计技术攻关。采用表面张力贮箱后，贮箱中的增压气体与推进剂直接相通，必须采取有效措施确保在任何工作条件下贮箱中的推进剂不倒流入增压气路。国外采用在增压气路中设置单向阀的方法，虽可分隔气液，但贮箱中的增压压力值将受单向阀打开或关闭的影响，使发动机产生附加推力偏差，据估算，该偏差约为 7.5%，从而使推力总偏差超过总体设计要求值。根据1 g 状态下小振动试验结果，表明筛网在某种结构状态时具有相当的蓄留液体的能力，从而研制出“气液隔离器”，它能够在发动机性能不受影响的前提下，在任何工作状态有效阻隔贮箱中推进剂倒流入气路。首次完成了表面张力贮箱研制，在国内也是首次用于型号飞行试验，1992 年 12 月，“表面张力贮箱”获航空表 1姿控发动机研制历程及主要技术成果Tab.1Development history and main technical achievements of attitude control engine火箭代号CZ4ACZ4BCZ4C姿控代号FY82FY82BFY82CFY82DJFY82DFY82C(B)FY82EJFY82E首飞时间1988年 9月 7日1999年 5月 10日2004年 9月 9日2022年 12月 27日待首飞2006年 4月 27日2022年 11月 15日2023年 3月 10日飞行发次2640204631技术特点及主要技术成果采用无水肼推进剂，首次采用表面张力贮箱采用无水肼推进剂，60L囊式球形贮箱，采取主动防热措施采用单推三低冰点推进剂组件产品升级换代，管路接头从单密封到双密封增加偏航冗余增加一个 25L囊式球形贮箱，采用双贮箱并联结构组件产品升级换代，管路接头从单密封到双密封增加偏航冗余图 1FY-82姿控发动机照片Fig.1FY-82 attitude control engine photo221第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）航天工业部科学技术进步一等奖、国防科学技术进步三等奖。该项技术的研究和应用对我国追赶航天新技术起到了促进作用，为后续研制更多品种、规格的表面张力贮箱提供了宝贵经验，为后续争取更多的卫星型号任务作出了重要贡献。1.2FY-82B姿控发动机CZ-4B 火箭用于发射中国太阳同步轨道卫星，是在 CZ-4A 运载火箭基础上进行的研制。火箭三级主发动机为一次启动状态，增加了推进剂排放管理要求。为 CZ-4B 火 箭 配 套 的 姿 控 发 动 机 代 号 为 FY-82B。FY-82B姿控发动机继承了 FY-82姿控发动机的成熟产品和研制成果。由于火箭三子级增加了推进剂排放要求，姿控发动机的贮箱容积需加大，采用了最初研制的 60 L 囊式球形贮箱，其次为了防止三级发动机工作对姿控发动机工作环境带来的热影响，设置了挡火板等被动防热措施。其余组成与 FY-82姿控发动机保持一致。FY-82B 姿控发动机研制过程中，通过采取改变发动机测压导管走向、更换支架材料、改进支座设计等技术措施解决了整机振动试验中支架开裂、导管断裂问题，提高了姿控发动机结构可靠性；首次开发研制了电磁阀测试软件，解决了电磁阀自动采集的问题；采用被动防热措施，改善了姿控发动机组件工作环境，通过模拟定热流试验验证，并经后续飞行试验验证有效。2000 年 12 月，FY-82B 三级姿控发动机获得国防科技进步三等奖。1.3FY-82C姿控发动机2000 年 CZ-4B 火箭开始了进入 02 批的研制。为提高冬季发射可靠性，姿控发动机改用了低冰点的单推三（DT-3）推进剂，取消了地面及箭上加温系统；2台沉底推力器推力由 39.2 N 提高到 45.0 N，其他推力器性能指标也有提高；增加了对三子级火箭剩 余 推 进 剂 的 排 放 要 求。姿 控 发 动 机 代 号 为 FY-82C。2001 年进入初样阶段的研制工作；2003年开始试样研制。2004 年 9 月 9 日，参加了 CZ-4B 02批火箭首飞试验，取得圆满成功。FY-82C 姿控发动机研制过程中，主要完成了推力室与单推三（DT-3）推进剂匹配性研究。在使用 816-LB 催化剂组合进行可靠性摸底热试车过程中，发现因推力室头部流阻设计值较小，存在与催化剂组合不匹配的问题，表现在室压粗糙度过高，超出指标要求，对推力室结构进行改进设计，通过增加头部流阻的方法来稳定室压，改进后的推力室通过了鉴定级力学环境试验后，继而进行了可靠性增长热试车，试车结果良好，各项测量参数均满足指标要求，室压粗糙度得到了有效抑制，满足了指标要求。1.4FY-82C(B)姿控发动机为了进一步提高 CZ-4B 火箭运载能力，三级主发动机采用二次启动方案，火箭代号为 CZ-4C，主要用于发射中国各种太阳同步轨道卫星。由于增加了滑行段推进剂管理和姿态控制要求，姿控发动机推进剂用量增加，在原来 60 L 囊式球形贮箱的基础上，增加了一个 25 L 囊式球形贮箱，姿控发动机代号为 FY-82C（B），如图 2所示。根据 CZ-4C 火箭研制计划安排，FY-82C（B）姿控发动机与 FY-82C 同时开展研制工作。2001年进入初样阶段研制，2003 年开始试样研制。2006 年 4 月 27 日，参加了 CZ-4C 火箭首飞试验，取得圆满成功。FY-82C（B）姿控发动机研制过程中，针对热环境对产品的影响进行了大量的试验和研究工作，在防热设计和应用上又有了新的认识并积累了较多的经验和教训。1.5FY-82D-J、FY-82E-J、FY-82D、FY-82E 姿控发动机2018年，为进一步贯彻落实航天科技集团公司图 2FY-82C（B）姿控发动机照片Fig.2FY-82C（B）attitude control engine photo222第 40 卷 2023 年第 s1 期杨忆湄，等：长征四号系列火箭姿控发动机研制历程及发展方向型号工作会和现役运载火箭发射成功率提升工程总体要求，姿控发动机按照要求开展了“三再分析”工作，针对薄弱环节提出了改进措施。2020 年起，CZ-4B 运载火箭姿控发动机针对“三再分析”识别的薄弱环节开展了可靠性提升工作，主要改进为：电爆阀、减压阀等组件的升级换型；贮箱壳体成型工艺由焊接改为旋压成型；各组件和管路接口的双密封改进；总装结构和接口的适应性更改等。可靠性提升后的姿控发动机代号分别为 FY-82D-J（配套 CZ-4B 火箭）和 FY-82E-J（配套 CZ-4C 火箭）。2020 年底，为满足增加偏航通道冗余要求，在偏航通道增加了 2台 40N 推力器，偏航冗余改进后的姿控发动机代号分别为 FY-82D（配套 CZ-4B 火箭）和 FY-82E（配套 CZ-4C 火箭）。可靠性提升及偏航冗余改进研制工作以 FY-82E 状态开展，2021 年 8 月 9 日和 9 月 8 日，分别完成了整机振动试验和热试车考核。2022 年 11 月 15 日、12 月27 日和 2023 年 3 月 10 日，分别完成了 FY-82E-J、FY-82D-J和 FY-82E姿控发动机首飞试验。FY-82D-J、FY-82E-J、FY-82D、FY-82E 姿控发动机的研制过程中，主要解决了组件换型及增加偏航冗余后系统参数匹配及总装布局问题，贮箱壳体一体旋压成型工艺改进、管路接头密封形式改进的攻关。研究管路接头密封失效机理及影响因素，形成了接头密封改进方案，设计密封冗余，消除了姿控发动机管路接头密封单点故障模式。对管路接头密封改进结构进行工艺试验研究，开展了性能和环境适应性试验。顺利通过了液压强度、力矩有效性验证试验、反复拆装试验、单 O 形圈密封试验、高、低温氦检漏试验等试验，并经地面振动及试车试验、飞行试验验证，表明双密封管路能够适应运载领域姿控发动机复杂工作环境，达到提高姿控发动机可靠性目的。双密封管路接头已经形成技术标准，广泛应用于运载、卫星等领域。2研制现状 自 2018年以来，长征四号系列火箭的高密度发射已成常态，姿控发动机的研制生产任务也相应增长，产品交付及发射数量一度达到一年 14发次。为了适应高密度发射常态化的需求，姿控发动机在研制过程中，持续开展了可靠性提升、流程优化、精细化落地等工作，有效提升了产品高密度交付下的质量一致性和节点可控性，确保了火箭发射任务的顺利进行。2.1可靠性提升姿控发动机组件大多研制于二十世纪七十年代，受限于当时的技术、工艺及生产条件等因素，组件产品在可靠性、安全性及性能方面均有较大的提升空间。通过持续进行“三再”工作，在长征四号运载火箭姿控发动机研制历程中开展了：取消推力室室压传感器、催化剂组合改型、电磁阀锥面密封改平面密封、压力传感器换型、热控组件优化设计、增加偏航冗余等一系列可靠性提升工作；对减压阀、电爆阀等存在薄弱环节的组件产品，在组件型谱中优选性能更优的新一代组件，进行了升级换代，实现组件产品性能和可靠性提升。2.1.1催化剂组合改型FY-82C 与 FY-82（B）姿控发动机为了满足低温发射要求，使用了低冰点的单推三推进剂，与816-814 催化剂组合进行了多次型号任务发射，均取得成功，但由于其中 814 的催化活性组份为钼和铬，属非贵金属，其催化分解单推三推进剂的能力、性能稳定性、耐高温性均较铱、钌等铂系金属弱，由于催化分解温度比使用无水肼推进剂时更高、工况更恶劣，同时单推三推进剂还含有 9%的水分和一定的氧化性，因此对催化剂组合床的耐高温性、耐水性、耐氧化性及长时间工作的可靠性提出更苛刻的要求。LB 催化剂比 814 催化剂肼分解活性高，抗高温、耐氧化性能好，产品批次性能稳定，由多种推力多台次发动机可靠性增长热试车、高低温试车、地面冷启动试车的结果表明，使用 816-LB催化剂组合可提高姿控发动机推力室可靠性。因此将 816-814催化剂组合改型为 816-LB催化剂组合，同时针对某推力室与单推三推进剂、816-LB 催化剂组合匹配性不足的问题，改进了发动机结构，并通过了力学环境试验及可靠性增长考核等相关试验考核。2.1.2减压阀换型减压阀的功能是将气瓶的高压气体减压为贮箱使用要求压力的气体，为贮箱推进剂提供稳定的气体挤压压力。FY-82C 与 FY-82（B）及前期姿控发动机配套减压阀，设计出口压力适应范围相对较窄，压力调试相对难度较大，集成了常耗口和保险223第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）活门，增加了装配测试难度。此外，用于本型号火箭姿控发动机时，存在一定的概率会出现共振现象，表现为系统建压过程中减压阀出口压力小幅超调或振荡，虽然减压阀出口设有保险活门，同时也采取了降低减压阀调试压力的措施，但故障风险不能完全消除。基于上述考虑，对减压阀进行换型，采用综合性能更优的减压阀代替，取消了常耗和保险活门，结构和功能更单一，提高了可靠性；管嘴与壳体采用焊接方式，提高了密封性能；阀芯密封材料改进为 F3 材料，提高了静压锁闭性能；入口过滤器改为不锈钢材料，改善了工艺性。换型后减压阀不带常耗和保险活门，因此单独增加了安全阀对贮箱囊外进行过压保护，增设了一处常耗口满足钝化要求。2.1.3双密封管路接头的研制及应用为消除姿控发动机系统管路密封的单点故障，提高管路接头密封可靠性，研究了管路接头密封失效机理及影响因素，借鉴了载人航天工程等型号的管路接头方案，在充分考虑姿控发动机管路系统空间结构特点、使用环境要求等，形成适用于运载型号轻质24双密封管路接头，示意图如图 3所示。目前，轻质 24双密封管路接头已成功应用于多个型号产品。2.2流程优化2.2.1发射场测试流程优化从 2019 年开始，为适应高密度发射任务，姿控发动机开展了发射场测试流程优化工作，取消了气密和电性能单元测试，将火工品装测工作提前至火箭出厂前进行，将姿控发动机加注时机由发射区提前至技术区，在保证测试覆盖性和质量控制标准不下降的前提下，缩短了发射场工作周期，为火箭进一步缩短发射周期提供了保障。2.2.2去任务化从 2018 年开始，姿控发动机在统一热控状态后，由按火箭发次进行姿控配套模式，更改为去任务化的通用编号模式，使产品发次编号与火箭发次解绑，实现滚动生产，避免了火箭任务顺序更替带来的产品进度紧张问题，实现了整机产品的去任务化，有效提升出产效率。2.2.3导管批产化从 2019年开始，姿控发动机进一步优化装配流程，对导管采取组批生成模式，并使用数字弯管机进行批量弯制，保证导管一致性，使每发产品导管生产周期由 20.0 d 缩短至 2.4 d，大大缩短了整机产品的生产周期，同时也节约了管理和人工成本。2.3产品保证机制落实为了从根本上提高工艺设计质量和工艺文件对生产试验的指导作用，结合产品保证理念，姿控发动机从 2018年起采用了作业指导书模式，对已有的工艺文件进行细化、量化和优化，通过更为细致的图、文形式指导产品装测过程，并增加过程确认环节，细化过程中的记录。作业指导书的编制和使用，进一步提高了工艺文件的可操作可追溯性，提高了操作和检验的质量和效率，有效提升产品生产过程质量控制。并采用各型号间交叉互审模式，按“三个一致”、“四可三不同”、记录可追溯的工作标准，对设计文件、工艺文件、过程记录在对上精准承接、向下精细控制方面进行审查，形成审查意见，通过精细化落地，把所有研制成果、归零成果、举一反三的成果落实到最终的执行文件，受控管理。外套螺母 球形接头螺纹接头O形圈（a）低压接头 外套螺母球形接头螺纹接头 O形圈挡圈（b）高压接头图 3轻质 24双密封管路接头Fig.324 Double seal pipe joint224第 40 卷 2023 年第 s1 期杨忆湄，等：长征四号系列火箭姿控发动机研制历程及发展方向3发展方向 航天运输系统对于姿控发动机提出了高可靠、高性能、低成本、无毒无污染等发展需求6-9，围绕发动机可靠性提升、使用维护性改进、综合性能指标优化等方面持续推动高性能动力技术革新10。而近年来，姿控发动机的历次研制，均以继承已有成熟技术为主，在新技术创新和应用方面尚存在较大差距。当前国内绝大部分传统单组元发动机均采用有毒的肼类推进剂，其整机加注、维护操作相对复杂，一旦发生泄露将危害人的身体健康、造成环境污染。目前，运载火箭主发动机已可采用液氧/煤油和液氧/液氢推进剂，实现了无毒化，姿控发动机向无毒化方向发展是实现运载火箭全箭无毒化的必然趋势11-12。硝酸羟铵（HAN）基单组元推进剂（由硝酸羟铵、相容的燃料、添加剂和适量的水组成）是一种新型绿色单组元推进剂，由于具有安全无毒、密度大、能量高、操作成本低等优点而成为肼类单组元推进剂的优良替代品种13-15。从上世纪 90年代开始开展HAN 基单组元发动机的研制，经过多年攻关，1 N发动机已经在小卫星型号实现了应用16，400 N 发动机已经在新一代载人飞船实现了首飞。前期受限于产品的成本较高，经济效益不明显。近几年低成本非铱催化剂的研制进展较为明显，目前已具备开展运载姿控发动机应用研究的条件。该技术的应用，不仅可以实现单组元发动机催化剂的自主可控，而且可以实现姿控发动机的无毒化，满足航天动力系统绿色无毒的发展需求。4结束语 长征四号系列火箭姿控发动机的研制，一直遵循“更严、更细、更慎、更实”的型号要求，扎扎实实开展各阶段的研制工作。后续仍需继续深入实践，不断开拓创新，采用先进技术，提升产品性能和可靠性。参考文献1 陈士强，黄辉，邵业涛，等.航天动力系统未来需求方向及发展建议的思考J.宇航总体技术，2019，3（5）：62-70.2 龙乐豪，李平岐，秦旭东，等.我国航天运输系统 60 年发展回顾 J.宇航总体技术，2018，2（2）：1-6.3 李平.姿控发动机技术成就与发展 J.火箭推进，2000（1）：29-38.4 杨明磊，刘涛，王吉星.运载火箭辅助动力系统研制现状及发展方向 J.导弹与航天运载技术，2019，1（2）：44-50.5 张绪虎，汪翔，贾中华，等.小推力姿控轨控火箭发动机J.导弹与航天运载技术，2005（6）：32-37.6 鲁宇，汪小卫，高朝辉.重复使用运载火箭技术进展与展望 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