焦点一号液氧甲烷发动机顺利通过大范围连续变推力长程试车

2020年7月8日,北京星际荣耀空间科技有限公司(以下简称“星际荣耀”)自主研发的焦点一号(代号“JD-1”)可重复使用液氧甲烷发动机顺利通过连续变推力长程试车,试车时间200秒此次试验验证了JD-1推力调节系统方案的正确性,获取了JD-1连续变推力功能及性能的准确数据,试验取得圆满成功据公开资料,这是我国首次完成泵压式低温发动机大范围连续推力调节试验

本次试验连续变推力从高工况到低工况,然后再到高工况,“V”形变化覆盖实际飞行工况需求。为保障此次连续推力调节试验顺利进行,试验前星际荣耀天镜实验室还进行了发动机推力调节半实物仿真试验及模拟试车试验这是国内首次完成液体火箭发动机推力可调系统仿真试验,突破了液体火箭回收利用的关键仿真测试技术。
发动机具备连续变推力能力是实现运载火箭垂直回收技术的必要条件,也是最核心的技术之一。采用变推力火箭发动机一方面可以实现最佳推力控制,从而实现火箭回收返回过程的精确控制;另一方面也可以精确控制运载火箭飞行过程中的过载,确保飞行安全,为卫星提供良好的力学环境条件。
焦点一号液氧甲烷发动机顺利通过大范围连续变推力长程试车
JD-1此次实现的是连续变推力试车,与传统的阶梯式变推力相比,可通过发动机推力调节控制系统,驱动流量调节阀对推进剂流量进行连续调节,这样不仅可以实现推力的连续控制,而且还可以实现在变推力工况下推力室混合比的稳定控制。
为保障JD-1连续变推力能力,星际荣耀在发动机推力调节控制律设计、发动机系统故障诊断及控制重构、发动机控制器、流量调节机构、低温连续介质调节阀、发动机推力控制半实物仿真试验、模拟试车试验等诸多方面取得了技术突破,并在本次试车中分别得到验证:
· 发动机推力连续调节控制技术
本次发动机连续变推力控制系统,采用了发动机多传感器的信息融合技术,强非线性多时标发动机建模及模型优化技术,线性/非线性复合双闭环控制技术,发动机故障诊断技术及自适应控制重构技术,实现了发动机连续变推力控制和推力室混合比控制,确保了发动机安全、精确、可靠地完成推力调节热试车试验任务。
· 发动机控制器
焦点一号液氧甲烷发动机顺利通过大范围连续变推力长程试车
此款发动机控制器是在星控一号的基础上,星际荣耀专门针对液体发动机控制和测试研发的一款基于冗余架构的通用型电气产品,是集成动力系统传感器信号采集、多信息融合、发动机故障诊断、推力调节控制、点火与关机控制、阀门开关控制、遥测信息处理、高速总线远程交互等多种功能于一身的高集成度智能设备,采用基于专家系统的人工智能故障诊断,初步实现了发动机主要部件多模故障状态下的控制重构,为后续SQX-2运载火箭动力系统的智能重构奠定了基础
搭载部署嵌入式实时操作系统,控制软件以通用网络通讯技术为基础,实现发动机控制软件动态加载、远程调试和高带宽遥测数据下传等全新开发模式,开启了新一代网络化、智能化液体火箭发动机控制软硬件平台。
· 流量调节机构
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流量调节机构是发动机工作过程中调节液氧甲烷流量的关键机构。可在液氧和甲烷管路-180℃左右的极端低温条件下,实现各调节阀精确的调节精度、大范围的动态调节特性。经过技术攻关,星际荣耀技术团队突破了适应极端温度条件下的减速机构润滑设计;极端温度条件下机电结合部位线胀系数差异导致结构容易卡死等技术关键。机电控制回路采用自抗扰控制技术实现了极低温到高温的宽温条件下的鲁棒控制,对于不确定的强干扰力矩,通过对扰动的实时估计补偿,实现了精确的动态调节精度。
· 低温连续介质调节阀
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低温连续介质调节阀是适用于低温推进剂的调节阀。该部件通过电机控制阀门开度对流量进行连续控制,属于变推力核心技术。星际荣耀攻克了阀门流量连续调节仿真及实现技术,通过真实介质实现获取不同工况下的流量特性,为变推力提供数据支撑。
· 发动机推力调节半实物仿真试验及模拟试车试验
焦点一号液氧甲烷发动机顺利通过大范围连续变推力长程试车
星际荣耀天镜实验室在国内首次完成了液体火箭发动机推力调节控制系统仿真试验,突破了液体火箭回收推力调节控制的关键仿真测试技术。基于航天控制系统仿真技术,融合航空领域的大飞机、汽车发动机仿真技术,成功将发动机推力可调控制系统的所有电气产品、控制软件、发动机动力学模型部署在高精度高动态仿真系统中,将发动机试车全流程1:1模拟了几百次。为保证发动机连续变推力热试车试验的成功,通过发动机模拟及故障发生装置,模拟发动机各种正常、偏差及故障工况,实现控制系统各部件(各传感器、发动机控制器、流量调节机构、阀门等)的正常和故障状态模拟,完成了发动机推力调节控制系统线性/非线性双闭环控制、混合比控制、自主故障诊断、自适应控制重构等技术的半实物仿真试验考核。设计了发动机模拟试车试验系统,可在发动机热试车试验前实现推力调节控制系统和发动机试车系统的联合匹配测试,确保试车前发动机推力调节控制系统的设备完好、通讯正常、时序可靠、极性正确、软硬件匹配。发动机推力调节控制仿真技术的突破,为后续SQX-2可重复使用运载火箭开展更高可信度的箭体控制系统+发动机推力控制系统联合仿真试验,奠定了坚实的基础。
JD-1是星际荣耀自主研发的15吨级可重复使用液氧甲烷发动机。该发动机采用一型多用的设计思路,由一种定推力基本型衍生形成变推型、真空型共三型发动机,组件可共用,有利于降低研发周期与经费。据了解,15吨级推力发动机既可采用多机并联的方式作为运载火箭一级基础动力使用,也可单台发动机作为火箭垂直回收动力或者火箭上面级动力,一型兼顾两级需求。此前,JD-1已相继完成多次全系统长程试车二次启动试车,累计试车时长突破2200秒。后续,JD-1将继续进行摇摆试车、发动机整机振动模态试验、发动机各类边界试验、发动机寿命与可靠性摸底试车等地面试验。
焦点一号液氧甲烷发动机顺利通过大范围连续变推力长程试车
未来,JD-1系列构型发动机将使用在星际荣耀自主研发的可重复使用运载火箭“双曲线二号”上,一级安装9台,二级安装1台。公司计划通过双曲线二号一子级百公里垂直起降试验突破并全面掌握可重复使用运载火箭技术,并于 2021 年执行双曲线二号运载火箭首飞任务。届时,公司将掌握液体推进剂运载火箭的可重复使用技术,实现我国商业航天领域进入空间能力的又一次跨越式提升。
焦点一号液氧甲烷发动机顺利通过大范围连续变推力长程试车
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北京星际荣耀空间科技有限公司(简称“星际荣耀”)致力于研发优秀的商业运载火箭并提供系统性的发射解决方案,为全球商业航天客户提供更高效、更优质、更具性价比的发射服务,以大幅提升人类自由进出空间的能力。星际荣耀拥有一支极具专业经验和创造力的队伍,人员囊括了技术研发、业务管理、顾问咨询等多个领域的精英,拥有强大的综合实力,志在商业航天领域大有所为。公司专注于高品质、低成本、快响应的智能运载火箭产品研发,为全球卫星及星座客户提供一体化的商业发射服务。

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