载人登月航天器推进系统方案选择分析

摘要:载人登月航天器完成近月制动和着陆下降等空间任务，需要装载大量推进剂，推进系统方案选择是航天器总体方案设计优化的重要组成部分。建立了推进系统关键组件设计仿真模型，仿真分析了推进系统质量和干重系数随推进剂装载量的变化规律，并对比了20 t级载人登月航天器挤压和泵压推进系统方案。结果表明:推进系统方案质量与推进剂装载量有关，推进剂装载量越大，泵压推进系统轻量化优势越大，主要由泵压系统贮箱质量较轻导致；球形封头贮箱轻量化可采用增加贮箱封头直径的技术途径，椭球形封头贮箱轻量化可采用增加贮箱圆柱段长度的技术途径；对20 t级载人登月航天器算例进行仿真分析表明，从实现系统轻量化角度出发，宜选用泵压推进系统方案。

关键词:载人月球探测；航天器；推进系统；仿真分析

1 引言

推进系统是航天器的重要组成部分，为航天器轨道机动和姿态控制提供推力和控制力矩。随着空间探测任务的日益广泛，推进系统在航天器中的作用以及质量占比越来越大，推进系统方案和性能的优劣显著影响航天器设计水平和任务效益[1-3]。航天器通常选用空间应用成熟度高的液体推进系统，液体推进系统按照推进剂输送方式主要分为挤压推进系统和泵压推进系统，挤压推进系统方案因其系统简单可靠的突出特点在航天器中应用最广泛[4-8]。

在载人月球探测任务中，航天器为运送航天员和载荷逃逸出地球完成月球探测和返回，需要装载大量推进剂为探测任务提供需要的速度增量。推进系统方案选择需要考虑技术基础、系统性能、轻量化、可靠性和安全性等因素[9-14]。本文从推进系统轻量化角度出发，建立推进系统关键组件设计仿真模型，研究分析航天器挤压和泵压推进系统质量变化规律、关键影响因素及其应用优势，为载人月球探测航天器推进系统方案选择提供支撑。

2 挤压和泵压推进系统原理及特点

2.1 航天器常用推进剂输送系统

目前航天器多选用液体火箭发动机，液体火箭发动机按推进剂供应方式分为挤压发动机和泵压发动机，对应的推进剂输送系统分为2大类:一类是利用增压气体进入贮箱直接将推进剂挤压到液体火箭发动机入口的输送系统，简称为挤压推进系统；另一类是利用涡轮泵将推进剂从贮箱抽出，通过泵将推进剂增压后输送到液体火箭发动机入口的输送系统，简称为泵压推进系统[15]。

2.2 挤压和泵压推进系统特点对比

挤压和泵压推进系统的优缺点如表1所示，挤压推进系统因其简单可靠的突出特点，被传统空间航天器广泛采用。但随着空间探测任务的日益广泛，推进系统性能和质量在航天器中的比重和作用越来越大，同时泵压推进系统相关技术不断发展成熟，性能高、质量轻的优势越来越凸显，将成为后续航天器可选可行的推进系统方案。

表1 航天器推进剂输送系统对比
Table 1 Comparison of propellant feed systems in spacecraft

3 推进系统模型

3.1 总体设计原则

本文首先选定可用的泵压和挤压发动机，基于航天器推进系统工作参数和约束条件，建立了推进系统中关键组件(气瓶和贮箱)和增压气体工质设计和仿真模型，对不同规模航天器(推进剂装载量不同)挤压和泵压推进系统质量特性进行仿真分析。

3.2 发动机设计

发动机质量由发动机入口后的涡轮泵、阀门、管路、喷注器、燃烧室和喷管组成。推进系统方案选择分析时，选用的挤压发动机入口压力1.7 MPa，贮箱工作压力设计为2.0 MPa，发动机质量为100 kg；选用泵压发动机入口压力0.5 MPa，贮箱工作压力设计为0.8 MPa，发动机质量为150 kg。

3.3 贮箱设计

根据强度计算获得贮箱尺寸参数和质量，再以贮箱质量为优化目标，采用优化算法进行贮箱方案设计优化，其中贮箱直径不超过1.5 m，圆柱段高度不超过2.0 m，获得最优贮箱设计方案。

3.3.1 强度计算

贮箱圆柱段厚度通过式(1)确定:

贮箱封头厚度通过式(2)确定:

贮箱总体积计算公式为式(3):

贮箱总质量计算公式为:

贮箱圆柱段质量与容积近似比值为式(5):

贮箱两端封头质量与容积近似比值为式(6):

式中，ρtank为贮箱密度，P tank为贮箱压力；D tank为贮箱直径；σt为贮箱材料许用应力；φ为焊缝系数，H ft为封头高度，k＝ [2＋(D tank/2H ft)2]/6为贮箱封头形状系数，K h＝D tank/H ft为贮箱封头高度系数。

3.3.2 设计优化

采用优化算法对不同封头高度贮箱进行设计优化，本文建立的优化函数如式(7):

其中，H tank为贮箱圆柱段高度，单位m；P tank为贮箱工作压力，单位为MPa；V tank为贮箱设计容积，单位m3。

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3.4 气瓶设计

推进系统设计时，选用空间推进系统广泛采用的氦气对贮箱进行增压，氦气分子量小，有利于减小增压所需的气体体积和质量。气瓶中增压气体体积和质量近似计算如式(8):

式中，P tank为贮箱工作压力，V tank_total为推进系统贮箱总容积，Pgas_ini为气瓶初始时压力，P gas_end为气瓶终止时压力，R为通用气体常数，V PreGas为增压气体体积，m PreGas为增压气体质量，M PreGas为增压气体摩尔质量，T PreGas为气体温度，

3.4.2 气体结构质量

推进系统中气瓶采用偶数配置，气瓶初始压力为35 MPa，终止压力为5 MPa，依据增压气体体积确定单个气瓶容积，再基于强度设计采用优化算法获得气瓶质量最优的气瓶设计方案，气瓶设计优化模型同贮箱设计优化模型，其中气瓶直径不超过0.5 m，气瓶圆柱段的高度不超过1.0 m。

4 推进系统方案仿真结果分析

4.1 推进系统质量分析

泵压和挤压推进系统方案质量对比分析时，考虑到推进系统管路、阀门和姿控发动机等组件与具体飞行任务和航天器总体布局相关，本文选取推进系统中关键组件和介质质量(GBTM质量)进行计算对比分析，GBTM包括增压气体(Gas)、气瓶(Battle)、贮箱(Tank)和主发动机(Motor)质量。

贮箱采用球形封头时，挤压和泵压系统GBTM质量与航天器推进剂装载质量关系如图1所示。可以看出，GBTM质量近似与推进剂装载质量线性正相关。①推进剂总重小于2500 kg时，挤压系统GBTM总量小于泵压系统GBTM质量，这是因为推进剂装载量较少时，主发动机质量占比较大，约为GBTM总重的50%左右，如表2所示，采用泵压系统增压气体、气瓶和贮箱减轻的质量没能弥补泵压发动机相比于挤压发动机增加的质量，所以从推进系统关键组件GBTM质量看，推进剂装载质量少于2500 kg，采用挤压推进系统具有质量优势。②推进剂装载质量大于2500 kg时，采用泵压推进系统具有质量优势，且随着推进剂装载质量的不断增加，泵压推进系统的质量优势越大，这是因为推进剂装载量越大，贮箱质量占推进系统GBTM质量比例不断增大(表3)，同时单贮箱容积越大，泵压推进系统的贮箱比挤压推进系统的贮箱质量越轻(图2)，最终使得泵压推进系统GBTM比挤压系统GBTM质量越轻，越有优势。

图1 推进系统GBTM质量与推进剂质量的关系
Fig.1 Changes of GBTM massw ith propellant load

图2 泵压和挤压系统贮箱质量随贮箱容积的关系
Fig.2 Changes of tank mass w ith tank volume in pump-fed and pressure-fed system

表2 推进剂质量较少时系统GBTM质量及占比
Table 2 GBTM mass and proportion w ith less propellant

4.2 气瓶及增压气体

泵压和挤压推进系统气瓶总质量随推进剂装载量的变化关系如图3所示。可以看出，随着推进剂装载总质量的不断增加。挤压和泵压推进系统气瓶总质量相差越大，这是因为随着推进剂总量增加，需要的增压气体总体积也不断增加，如图4所示。航天器装载推进剂15 t时，挤压推进系统比挤压推进系统需要多43.1 kg增压气体，气瓶总质量相应地增加168.4 kg。同时图中挤压推进系统气瓶总质量曲线有两次阶跃，这是因在在气瓶设计约束条件下，挤压系统配置的气瓶数量由初始的2个增加到推进剂装载量7 t时的4个，推进剂装载量14 t时的6个，而泵压系统由于需要增压气体相对较少，只需要配置2个增压气瓶，不同推进剂装载量时只需要调整气瓶容积。

表3 贮箱容积和质量随推进剂装载量的变化
Table 3 Changes of tank volume and massw ith propellant load

图3 泵压和挤压系统气瓶随推进剂总重变化
Fig.3 Changes of gas ball in pump-fed and pressurefed system w ith propellant load

4.3 不同封头形式贮箱质量分析

针对3000 L容积贮箱，采用不同封头高度贮箱质量最优设计方案变化如下表4所示，为对比分析，表中计算增加了球形封头(D tank/2)和椭球形封头(D tank/4)方案中贮箱圆柱段直径或高度取优化约束边界值的非最优设计方案。可以看出，采用球形封头贮箱质量最轻，因为相同载荷下球形封头应力小，封头厚度较小，贮箱质量较轻。

图4 泵压和挤压系统增压气体随推进剂总重变化
Fig.4 Changes of pressurized gas of pump-fed and pressure-fed system w ith propellant load

表4 贮箱质量随封头高度的变化
Table 4 Changes of tank massw ith tank head height

同时分析贮箱封头和圆柱段质量与容积比值随封头高度系数的变化关系，如图5所示，发现随着贮箱封头高度系数不断增加，封头质量与容积比值不断增加，大于2.6时，封头质量与容积W f比值大于圆柱段质量与容积比值W c，说明采用球形封头时，通过最大化球形封头容积，是实现贮箱的轻量化设计的有效途径，因为贮箱封头增加单位容积增加的质量小于圆柱段增加单位容积增加的质量，若贮箱封头系数大于2.6时，通过最大化圆柱段容积，是实现贮箱轻量化设计的有效途径。如表4中所示，封头系数为2时，贮箱轻量化设计最优解是贮箱直径取设计约束上限值，封头高度系数为3和4时贮箱轻量化最优解是贮箱圆柱段高度取设计约束上限值。

4.4 推进系统GBTM干重系数分析

图5 封头和圆柱段质量与容积比随封头高度变化
Fig.5 Changes of head and cylinder mass to volume ratio w ith head height

泵压和挤压系统GBTM质量占推进剂总质量的系数(干重系数)如图6所示，可以看出，随着推进剂总量的增加，泵压和挤压推进系统GBTM干重系数不断降低，推进剂总重达到10 t以后，GBTM干重系数趋于稳定，泵压GBTM干重系数稳定在4.0%左右，挤压GBTM干重系数稳定在6.7%左右。

图6 推进系统GBTM系数随推进剂总重变化
Fig.6 Changes of GBTM weight coefficientw ith p ropellant load

5 20 t级载人登月航天器推进系统方案选择分析

5.1 计算条件

参考国外载人登月航天器设计方案，研究以初始质量20 t级载人登月航天器为例，算例航天器任务速度增量取3000 m/s，采用建立的推进系统仿真模型，对该航天器的推进系统方案选择进行研究分析。该航天器选用常温推进剂和氦气增压，为对比分析发动机性能对推进系统方案选取的影响，配置的挤压发动机比冲取310 s和315 s两种规格，配置的泵压发动机比冲取315 s和320 s两种规格。仿真分析时，认为航天器初始总重不变，根据任务速度增量需求由发动机比冲计算确定推进剂装载总量，再依据需要装载的推进剂量完成GBTM设计优化，获得不同推进系统方案和发动机性能条件下的推进系统设计参数，进行对比分析。

5.2 结果分析

采用上述推进系统方案设计仿真模型获得推进剂装载量和推进系统GBTM总重见表6。从表中可以看出，若泵压发动机比挤压发动机比冲高10 s。在航天器初始总重相同的条件下，完成相同飞行任务需要的推进剂量少233.5 kg，同时利用上述获得挤压和泵压推进系统GBTM干重系数，可快速对比分析航天器配置不同发动机时推进系统质量特性。由于泵压发动机GBTM组件占推进剂总重的系数比挤压发动机低约2.5%，该航天器采用泵压推进系统GBTM总质量比采用挤压推进系统轻317.2 kg。这主要因为泵压推进系统贮箱工作压力比挤压推挤系统工作压力低，使得泵压系统增压气体、气瓶容积和质量以及贮箱质量均比挤压系统的轻。如表7所示:泵压推进系统发动机比冲315 s方案比挤压推进系统发动机比冲310 s方案总质量少431.7 kg。泵压推进系统发动机比冲320 s方案比挤压推进系统发动机比冲310 s方案总质量少550.7 kg。因此从航天器总体轻量化角度出发，该20 t级载人登月航天器宜选用发动机性能较高的泵压推进系统方案。

表6 载人登月航天器不同推进系统方案质量对比
Table 6 Mass comparison and analysis of different propulsion system schemes for manned lunar spacecraft

表7 载人登月航天器泵压和挤压推进系统各项质量对比
Table 7 M ass comparison of pum p-fed and pressure-fed propulsion systems in manned lunar spacecraft

6 结论

1)贮箱质量在推进系统总质量中占比较大，且随着推进剂总装载量的增加，贮箱占比不断增加，泵压和挤压推进系统质量差别主要由贮箱质量决定；

2)航天器推进剂装载总量较小时，挤压推进系统关键组件总重小于泵压推进系统关键组件质量，随着推进剂装载量不断增加，泵压推进系统比挤压推进系统轻量化优势越大；

3)贮箱选用球形封头方案时质量最轻，当贮箱封头高度系数大于一定值时，贮箱轻量化的有效技术途径之一是最大化贮箱圆柱段长度；

4)针对本文选取的20 t级载人登月航天器推进系统方案选择算例，从轻量化角度出发，宜选用泵压推进系统方案，但在推进系统方案选择时，也需要综合考虑系统可靠性、性能和质量等因素。

文章来源：问空天