[科普中国]-膨胀循环

基本概念

在膨胀循环中，燃料燃烧前通常被主燃烧室余热的加热。 当液态燃料通过在燃烧室壁里的冷却通道时，相变成气态。 气态燃料产生的气压差推动涡轮泵转动，从而使推进剂高速进入推力室燃烧产生推力。

钟罩形的发动机由于没有足够的喷嘴面积来加热燃料来驾驶涡轮机，因此单纯的膨胀循环发动机的推力最多300KN。更高的推力级可以靠燃料分流来达到，一部分燃料被分流到涡轮机和推力室的冷却通道，最后一起注入主燃烧室。瓦形发动机由于废气紧贴室壁，因此传热效率更高，可以产生更大的推力。两种类型的发动机都必须使用低温燃料，例如液氢、甲烷、丙烷等，这些燃料可以轻易达到沸点。

有些膨胀循环发动机使用燃气发生器来启动涡轮机，直到燃烧室和喷管加热的燃料产生的压力能独自启动涡轮机。

分类膨胀循环技术有泵压式和挤压式两种。泵压式膨胀循环技术，与挤压式膨胀循环技术相比，它具有在最小的轮廓尺寸下提供最大比冲的潜力，也是最简单的一种泵压式动力循环系统。泵压式膨胀循环发动机的独特优势使得它在小推力氢氧发动机上得到了实际应用。为了在太空中重复启动，膨胀循环发动机可利用太阳能来加热喷管的冷却剂去驱动涡轮泵。另外，膨胀循环发动机易于调节，能可靠地实现离轨机动飞行的推力调节。1

优点相对其他设计，膨胀循环有如下优点：

低温：在燃料转化为气态后，其温度通常接近室温，对涡轮机的损害微乎其微，使得发动机可重用性提高。与此相反，燃气发生器循环或分级燃烧循环的发动机涡轮机都运行在高温下。

容错性：在RL-10开发期间，工程师担心燃料箱里的绝缘泡沫可能脱落从而引起发动机故障。他们故意放置松动的泡沫来测试这种情形。RL-10运行平稳，并未出现故障或性能损耗。而常规的使用燃气发生器的发动机即使一小块泡沫脱落也会造成严重后果。而膨胀循环所采用的燃料管道通常比较粗，对这种意外情况有较强的适应性。固有安全性：因为膨胀循环发动机的推力是有限的，因此在设计时可以很容易地将理论最大推力情况考虑在内。 而在其他类型的发动机中，反馈系统故障或类似的问题可能导致发动机失控，其他类型的发动机需要复杂的机械或电子控制器来确保这种情况不会发生。膨胀循环不会出这种故障。

膨胀循环发动机工作原理膨胀循环发动机利用冷却推力室和被加热的氢作为涡轮工质和能源，驱动涡轮，带动氢、氧泵对推进剂进行增压。涡轮做功后的氢全部进入推力室，与氧在推力室内燃烧使化学能转变为热能，经喷管加速排出，将热能转化成动能，从而产生推力。整个过程无额外推进剂和能量损失，故也被称为“最优动力循环”。2

特点膨胀循环发动机结构简单、性能高，具有把有效载荷送入轨道成本低廉的特点，特别适用于高性能的可重复启动的上面级发动机。膨胀循环火箭发动机利用发动机燃料冷却燃烧室和喷管组件，冷却过程带走的热量提供驱动涡轮泵的动力。与燃气发生器循环相比，膨胀循环发动机具有更高的性能潜力；与分级燃烧循环相比，膨胀循环发动机需要的涡轮泵压力较低。膨胀循环发动机相对适中的涡轮入口温度使其具有其他循环所不具备的重量、成本和可靠性的优势。驱动涡轮泵的燃烧装置及其副系统的取消进一步增强了这些优势。1

发展趋势通过对膨胀循环发动机技术的发展路线、发展方向、未来可拓展的应用领域等方面的分析和研究，对膨胀循环发动机技术未来发展的展望如下：（1）膨胀循环发动机以其高可靠、高性能的技术优势在世界各国新一代运载火箭上面级动力领域得到普遍应用；（2）我国通过YF-75D 发动机的成功研制，全面自主地掌握了膨胀循环发动机技术，使我国高性能低温上面级发动机技术跃上了一个新台阶，但受研制条件制约，发动机综合性能与世界先进水平相比尚有差距。以YF-75D 发动机为平台，进一步开展改进工作，使其功能进一步完善，性能达到世界先进水平，成为未来我国新一代高性能通用上面级发动机十分必要，且具有重要意义；（3）大推力开式膨胀循环发动机将膨胀循环发动机推力提高到百吨级以上，大大拓展了膨胀循环发动机技术的应用领域，是膨胀循环发动机的一个重要技术发展方向。由于其具有系统简单、可靠性高、成本低优势，未来将在低成本、高可靠运载火箭领域发挥重要作用；（4）液氧甲烷发动机采用膨胀循环技术方案可行且具有独特优点，液氧/甲烷发动机是未来发展高性能空间可长时间在轨航天器动力的重要技术方向。未来无论是深空探测任务的航天器下降、上升，还是航天器在轨服务、大范围轨道转移任务等，都是液氧甲烷发动机技术可以发挥重要作用的领域。2

发展与应用美国P&W公司研制了世界上第1台氢氧膨胀循环发动机RL-10。经过几十年的发展，RL-10已发展为一个系列并成功地应用于型号上。日本LE- 5A发动机则发展成另一个系列，它采用了独特的分流式部分膨胀循环。美国目前正在实施的“整体高收益火箭推进技术( IHPRPT)”工程计划研制先进的液氢液氧膨胀燃烧室( AEC) ，现阶段正进行先期关键技术研究。为提高阿里安等火箭上面级发动机的性能和可靠性，德国的“低温火箭推进计划( TEKAN)”也正进行真空推力为150 kN，真空比冲为460 s的先进的膨胀循环发动机关键技术研究。膨胀循环发动机再次引起国际航天界的广泛重视。

膨胀循环发动机已经被用于：半人马座上面级、DC-X计划中的单级入轨火箭（未曾进行轨道飞行）、阿丽亚娜五号上面级、土星一号、H-II/H-IIA。

YF-75D 发动机是中国新一代运载火箭的芯二级发动机，采用闭式膨胀循环系统。膨胀循环是指从泵出来的燃料经过燃烧室冷却夹套加热后，变成高压气体驱动涡轮，经过涡轮做功后的燃料进入燃烧室与氧化剂燃烧的动力循环方式。由于涡轮的动力全部来自于燃料吸收的热量，过程中基本没有推进剂和热量浪费，因此称为最优循环。由于涡轮工质为低温气体，减轻了涡轮的热应力，避免了涡轮烧蚀问题，发动机工作可靠性高。另外，发动机采用箱压下自身启动，易于实现多次启动。3

日前，由中国航天科技集团公司六院北京11所设计的长征五号芯二级氢氧膨胀循环发动机，完成了首台双机

模态及振动考核试验。模态试验是为了摸清发动机结构的固有动态特性，为箭体及发动机结构动力学计算分析提供依据。振动考核试验包括发动机低频正弦扫描验收试验，火箭一级、二级飞行段随机振动验收试验，以及鉴定级低频正弦扫描试验，主要考核发动机对飞行环境下的跨音速抖振、火箭一级启动、分离等特殊工况的环境适应性。双机模态及振动试验充分验证了发动机对火箭一级飞行状态的动力学环境适应性，及发动机产品工作状态的环境适应性，是首飞前的重要考核环节。试验结果表明发动机结构设计合理、可靠性高，能够满足飞行环境要求，为交付首飞奠定了重要基础。4