膨脹循環

膨脹循環，是雙元液體推進劑火箭發動機的一種動力循環，能提高燃料供給的效率。在膨脹循環中，燃料燃燒前通常被主燃燒室餘熱的加熱。 當液態燃料通過在燃燒室壁里的冷卻通道時，相變成氣態。 氣態燃料產生的氣壓差推動渦輪泵轉動，從而使推進劑高速進入推力室燃燒產生推力。性能高、結構簡單、重量低、可靠性高、啟動平穩等是膨脹循環發動機的主要優點。

基本介紹

• 中文名：膨脹循環
• 外文名：Expander cycle
• 分類：泵壓式/擠壓式膨脹循環技術
• 優點：低溫、容錯性
• 舉例：YF-75D 發動機

基本概念

在膨脹循環中，燃料燃燒前通常被主燃燒室餘熱的加熱。 當液態燃料通過在燃燒室壁里的冷卻通道時，相變成氣態。 氣態燃料產生的氣壓差推動渦輪泵轉動，從而使推進劑高速進入推力室燃燒產生推力。

鐘罩形的發動機由於沒有足夠的噴嘴面積來加熱燃料來駕駛渦輪機，因此單純的膨脹循環發動機的推力最多300KN。更高的推力級可以靠燃料分流來達到，一部分燃料被分流到渦輪機和推力室的冷卻通道，最後一起注入主燃燒室。瓦形發動機由於廢氣緊貼室壁，因此傳熱效率更高，可以產生更大的推力。兩種類型的發動機都必須使用低溫燃料，例如液氫、甲烷、丙烷等，這些燃料可以輕易達到沸點。

有些膨脹循環發動機使用燃氣發生器來啟動渦輪機，直到燃燒室和噴管加熱的燃料產生的壓力能獨自啟動渦輪機。

分類

膨脹循環技術有泵壓式和擠壓式兩種。泵壓式膨脹循環技術，與擠壓式膨脹循環技術相比，它具有在最小的輪廓尺寸下提供最大比沖的潛力，也是最簡單的一種泵壓式動力循環系統。泵壓式膨脹循環發動機的獨特優勢使得它在小推力氫氧發動機上得到了實際套用。為了在太空中重複啟動，膨脹循環發動機可利用太陽能來加熱噴管的冷卻劑去驅動渦輪泵。另外，膨脹循環發動機易於調節，能可靠地實現離軌機動飛行的推力調節。

優點

相對其他設計，膨脹循環有如下優點：

低溫：在燃料轉化為氣態後，其溫度通常接近室溫，對渦輪機的損害微乎其微，使得發動機可重用性提高。與此相反，燃氣發生器循環或分級燃燒循環的發動機渦輪機都運行在高溫下。

容錯性：在RL-10開發期間，工程師擔心燃料箱裡的絕緣泡沫可能脫落從而引起發動機故障。他們故意放置鬆動的泡沫來測試這種情形。RL-10運行平穩，並未出現故障或性能損耗。而常規的使用燃氣發生器的發動機即使一小塊泡沫脫落也會造成嚴重後果。而膨脹循環所採用的燃料管道通常比較粗，對這種意外情況有較強的適應性。固有安全性：因為膨脹循環發動機的推力是有限的，因此在設計時可以很容易地將理論最大推力情況考慮在內。 而在其他類型的發動機中，反饋系統故障或類似的問題可能導致發動機失控，其他類型的發動機需要複雜的機械或電子控制器來確保這種情況不會發生。膨脹循環不會出這種故障。

膨脹循環發動機

工作原理

膨脹循環發動機利用冷卻推力室和被加熱的氫作為渦輪工質和能源，驅動渦輪，帶動氫、氧泵對推進劑進行增壓。渦輪做功後的氫全部進入推力室，與氧在推力室內燃燒使化學能轉變為熱能，經噴管加速排出，將熱能轉化成動能，從而產生推力。整個過程無額外推進劑和能量損失，故也被稱為“最優動力循環”。

特點

膨脹循環發動機結構簡單、性能高，具有把有效載荷送入軌道成本低廉的特點，特別適用於高性能的可重複啟動的上面級發動機。膨脹循環火箭發動機利用發動機燃料冷卻燃燒室和噴管組件，冷卻過程帶走的熱量提供驅動渦輪泵的動力。與燃氣發生器循環相比，膨脹循環發動機具有更高的性能潛力；與分級燃燒循環相比，膨脹循環發動機需要的渦輪泵壓力較低。膨脹循環發動機相對適中的渦輪入口溫度使其具有其他循環所不具備的重量、成本和可靠性的優勢。驅動渦輪泵的燃燒裝置及其副系統的取消進一步增強了這些優勢。

發展趨勢

通過對膨脹循環發動機技術的發展路線、發展方向、未來可拓展的套用領域等方面的分析和研究，對膨脹循環發動機技術未來發展的展望如下：（1）膨脹循環發動機以其高可靠、高性能的技術優勢在世界各國新一代運載火箭上面級動力領域得到普遍套用；（2）我國通過YF-75D 發動機的成功研製，全面自主地掌握了膨脹循環發動機技術，使我國高性能低溫上面級發動機技術躍上了一個新台階，但受研製條件制約，發動機綜合性能與世界先進水平相比尚有差距。以YF-75D 發動機為平台，進一步開展改進工作，使其功能進一步完善，性能達到世界先進水平，成為未來我國新一代高性能通用上面級發動機十分必要，且具有重要意義；（3）大推力開式膨脹循環發動機將膨脹循環發動機推力提高到百噸級以上，大大拓展了膨脹循環發動機技術的套用領域，是膨脹循環發動機的一個重要技術發展方向。由於其具有系統簡單、可靠性高、成本低優勢，未來將在低成本、高可靠運載火箭領域發揮重要作用；（4）液氧甲烷發動機採用膨脹循環技術方案可行且具有獨特優點，液氧/甲烷發動機是未來發展高性能空間可長時間在軌太空飛行器動力的重要技術方向。未來無論是深空探測任務的太空飛行器下降、上升，還是太空飛行器在軌服務、大範圍軌道轉移任務等，都是液氧甲烷發動機技術可以發揮重要作用的領域。

YF-75D 發動機

發展與套用

美國P&W公司研製了世界上第1台氫氧膨脹循環發動機RL-10。經過幾十年的發展，RL-10已發展為一個系列並成功地套用於型號上。日本LE- 5A發動機則發展成另一個系列，它採用了獨特的分流式部分膨脹循環。美國目前正在實施的“整體高收益火箭推進技術( IHPRPT)”工程計畫研製先進的液氫液氧膨脹燃燒室( AEC) ，現階段正進行先期關鍵技術研究。為提高阿里安等火箭上面級發動機的性能和可靠性，德國的“低溫火箭推進計畫( TEKAN)”也正進行真空推力為150 kN，真空比沖為460 s的先進的膨脹循環發動機關鍵技術研究。膨脹循環發動機再次引起國際航天界的廣泛重視。

膨脹循環發動機已經被用於：半人馬座上面級、DC-X計畫中的單級入軌火箭（未曾進行軌道飛行）、阿麗亞娜五號上面級、土星一號、H-II/H-IIA。

YF-75D 發動機是中國新一代運載火箭的芯二級發動機，採用閉式膨脹循環系統。膨脹循環是指從泵出來的燃料經過燃燒室冷卻夾套加熱後，變成高壓氣體驅動渦輪，經過渦輪做功後的燃料進入燃燒室與氧化劑燃燒的動力循環方式。由於渦輪的動力全部來自於燃料吸收的熱量，過程中基本沒有推進劑和熱量浪費，因此稱為最優循環。由於渦輪工質為低溫氣體，減輕了渦輪的熱應力，避免了渦輪燒蝕問題，發動機工作可靠性高。另外，發動機採用箱壓下自身啟動，易於實現多次啟動。

日前，由中國航天科技集團公司六院北京11所設計的長征五號芯二級氫氧膨脹循環發動機，完成了首台雙機

模態及振動考核試驗。模態試驗是為了摸清發動機結構的固有動態特性，為箭體及發動機結構動力學計算分析提供依據。振動考核試驗包括發動機低頻正弦掃描驗收試驗，火箭一級、二級飛行段隨機振動驗收試驗，以及鑑定級低頻正弦掃描試驗，主要考核發動機對飛行環境下的跨音速抖振、火箭一級啟動、分離等特殊工況的環境適應性。雙機模態及振動試驗充分驗證了發動機對火箭一級飛行狀態的動力學環境適應性，及發動機產品工作狀態的環境適應性，是首飛前的重要考核環節。試驗結果表明發動機結構設計合理、可靠性高，能夠滿足飛行環境要求，為交付首飛奠定了重要基礎。

中國長征5號重型火箭模型