为改进头部铠装加热丝的不足之处,提高加热器的性能、可靠性以及安装性,提出了片式加热器加热方法^[7],如图2所示,新型片式加热器为双圆弧平板状。

图2 490 N发动机头部上的加热器
Fig.2 Heater on the head of 490 N engine

490 N头部法兰盘上新型片式加热器安装在喷管一侧,外面用20单元揉皱的双面镀铝聚酰亚胺薄膜多层隔热材料包覆,并用钛箔压住,再通过钛箔条点焊方式将钛箔固定在法兰盘上。测温传感器安装于法兰盘阀门一侧。发动机安装法兰与机架安装面采用5 mm厚酚醛树脂层压布板作为隔热垫片。

管路和阀门上,在安装好相应的加热器和温度传感器后,在外面用5单元聚脂薄膜和涤纶丝网构成的多层包覆。

对发动机头部及电磁阀的温度分布进行仿真时,假定发轨控发动机的安装底板及舱内的最低温度为-10℃,发动机喷管辐射的空间环境温度为4 K^[8],未考虑发动机及机组所受的外热流影响,依据发动机真实尺寸建模,490 N轨控发动机头部主加热片功率为20.0 W,单个电磁阀加热片功率为1.0 W,分析结果见图3和图4。

图3 490 N发动机头部仿真温度
Fig.3 Simulation temperature of 490 N engine head

图4 490 N发动机电磁阀仿真温度
Fig.4 Simulation temperature of solenoid valves of 490 N engine

从图3和图4可以看出:头部温度范围为0.9～35.4 ℃、电磁阀温度范围为12.2～17.5℃。仿真表明,加热功率可以满足要求,保证发动机在点火前头部和阀门温度超过0 ℃。

每台490 N发动机头部加热共有3个加热回路,1个是主加热回路,功率为20.0 W; 另一个是备份加热回路,功率为10.0 W; 第3个是遥控强制加热回路,功率为10.0 W。2台发动机阀门上的薄膜式加热片构成主备两个加热回路,每个加热回路的功率4.0 W,含4个控温传感器。

发动机头部和阀门上的加热回路(头部的2路强制加热回路除外)由推进管理器根据三控温点(T₁,T₂,T₃)进行自动控温,这里T₁≤T₂≤T₃。当加热回路中的最低温度控温点的温度低于T₃時,主加热回路打开,否则关闭主加热回路,在短控温周期内(2 s)要对控温测点温度巡检一次; 当加热回路中的最低控温点的温度低于T₂時,则备加热回路打开,否则关闭备加热回路,在短控温周期内,要对控温测点温度巡检一次; 当加热回路中的最低控温点的温度低于T₁时,同时打开主备加热回路,并且在长控温周期(30 s)内,要对控温测点温度巡检一次。强制加热回路可在主备回路失效時,发动机工作前30 min时刻由遥控指令打开,在发动机工作前5 min时刻关闭,以保证在主备控温回路失控的意外情况下,仍具备加热手段。

热敏电阻耐温上限为350 ℃。热敏电阻引线为镀银导线AF46-200 0.22,其绝缘层耐温上限为250 ℃。

发动机头部安装的新型片式加热器的额定工作温度范围为-20～300 ℃。温度交变鉴定试验能承受最高温度为350 ℃。该加热器采用金属螺栓固定安装在头部法兰盘的扇形安装槽内。加热器引线为Fy1-2型聚酰亚胺薄膜导线,可经受不超过250 ℃的环境温度。

热敏电阻和新型片式加热器的外引线焊接方式为绕焊,焊点保护方式为双层2 751玻璃纤维套管加聚酰亚胺薄膜缠绕包覆,焊点不与头部法兰盘直接接触。热敏电阻引线固定于相邻的发动机阀门上或者与阀门相连的导管上。

490 N发动机头部法兰盘外包覆20单元揉皱的单面镀铝聚酰亚胺薄膜,通过钛带与钛箔和法兰盘的点焊将多层及钛箔固定于法兰盘上。聚酰亚胺薄膜长期使用温度范围为-196～+250 ℃,短期使用温度范围为不大于400 ℃(30 min内为短期)。隔热垫片采用酚醛层压布板,其耐温上限为250℃。

星用490 N发动机在轨运行情况表明,头部温度在250 ℃时发动机仍能够长时间正常工作。因此,250 ℃对发动机自身的工作性能(推力、比冲、流量、混合比等)和可靠性无影响。如图1所示,空间实验室变轨机架上共有2台490 N发动机,机架为杆系结构,通过8根直径20 mm壁厚2 mm的6A02铝合金杆支撑2台发动机所在的平面。假定当发动机工作时铝合金杆支撑杆的温度也达到250 ℃。计算表明,在250 ℃时支撑杆应力约为0.23 MPa,经查支撑杆在250 ℃下的屈服极限为127 MPa,前者为后者的1.8‰。因此,机架具有足够的结构性能裕度保证发动机的有效支撑。

基于发动机及其热控组件的耐温能力,制定发动机的关机策略为“当490 N发动机头部温度达到250 ℃时发动机停机”。