3.1 地面试验
对于新研发动机产品,地面试验须循序渐进开展,否则需承担相应的研制风险。远征三号上面级5 000 N发动机,按照设计方案地面热试车、设计方案高空热试车、鉴定级力学环境试验后热试车、动力系统热试车、可靠性热试车和批抽检热试车的顺序,先后开展了(5个子样)7次地面试验,各次地面试验中发动机累计点火时间17 074 s,累计点火次数680次,表1给出了5 000 N发动机试验情况。图6给出了发动机竖直状态热试车照片,图7给出了发动机水平状态热试车照片。
图6 竖直状态热试车
Fig.6 Firing test in vertical state
表1 5 000 N发动机试验情况
Tab.1 Experimental situation of 5 000 N engine
图7 水平状态热试车
Fig.7 Firing test in horizontal state
3.1.1 设计方案地面热试车
2013年8月,发动机进行了设计方案地面热试车,累计工作时间436 s,启动31次。试车过程中,正常启动,正常关机,试车后发动机结构完好,冷却剂温升约65 ℃(汽化温度为160 ℃),额定工况发动机燃烧效率为0.947,推算真空比冲308 s。图8给出了发动机设计方案地面热试车中5 s点火曲线。通过设计方案地面热试车,验证发动机头部喷注器、再生冷却身部、摇摆机构、推进剂控制阀门的技术方案合理。
图8 设计方案地面热试车工作曲线
Fig.8 Performance of ground firing test for design scheme
3.1.2 设计方案高空热试车
2014年6月,发动机进行了设计方案高空热试车,发动机累计工作时间436 s,启动次数8次,发动机出现了推力下降的异常现象,推力范围2 912～5 120 N,混合比范围0.45～1.96,未能完成既定的试验任务。经分析,试验台产生的多余物进入发动机氧化剂路流道,是导致发动机出现推力下降异常现象的原因。图9给出了第一次设计方案高空热试车压力和推力曲线。为避免类似问题发生,在下一轮设计方案高空热试车时,加强多余物检查和多余物防控管理,同时在发动机入口安装高精度过滤器。
图9 第一次设计方案高空热试车压力和推力曲线
Fig.9 Performance of thrust and inlet pressure in the first high altitude simulation test
第一次设计方案高空热试车的发动机产品经分解、清洗、组装,于2014年9月再次进行了设计方案高空热试车,液氮热沉实现-150 ℃深冷背景,发动机共点火23次,单次最长工作时间1 300 s,最短工作时间2 s,累计工作2 044 s,
图 10给出了第二次设计方案高空热试车典型稳态工作曲线。试车过程中,正常启动,正常关机,试车后发动机结构完好,混合比范围1.55～1.75,推力范围4 563～5 723 N,冷却剂温升为79 ℃。通过设计方案高空热试车,获取了发动机真空比冲308 s,试车后发动机结构完好,验证发动机喷管延伸段及其连接结构、热控组件技术方案合理。
图 10 第二次设计方案高空热试车典型稳态工作曲线
Fig.10 Performance of steady state operation in the second high altitude simulation test
3.1.3 鉴定级力学环境试验后地面热试车
2015年12月,发动机进行了鉴定级力学环境试验后地面热试车,发动机共点火296次,累计工作5 357 s。通过鉴定级力学环境试验后地面热试车,验证了发动机鉴定级力学环境试验后地面热试车性能; 验证了发动机地面竖直状态下工作的适应性,降低后续动力系统试车风险; 结合摇摆工况和多次启动工况验证了发动机的可靠性,并对发动机进行了寿命摸底。图 11给出了发动机鉴定级力学环境试验后地面热试车中5 s多次启动程序曲线,点火间隔时间2 s,燃烧室压力数据平稳,表明发动机多次启动工作可靠。
图 11 发动机鉴定级力学环境试验后地面热试车工作曲线
Fig.11 Performance of ground firing test after engine identification level mechanical environmental test
3.1.4 动力系统热试车
2016年1月,发动机参加了动力系统热试车,发动机共点火21次,单次最长工作时间800 s,最短工作时间10 s,累计工作1 000 s。发动机按程序完成了长程、脉冲及摇摆点火工况,其主要性能满足技术指标要求,说明5 000 N发动机与动力系统工作协调、参数匹配。
3.1.5 可靠性地面热试车
2016年9月,发动机进行可靠性地面热试车,发动机共点火256次,累计工作4 120 s,该产品曾参加过动力系统热试车。通过可靠性地面热试车,验证了发动机可靠性,按发动机启动次数评估发动机可靠度为0.999 1; 另外,本次试车还验证了发动机具有极强的偏工况适应能力,燃烧室压力范围0.54～1.18 MPa,混合比范围1.19～2.06。图 12给出可靠性地面热试车中1 000 s工作曲线。
3.1.6 批抽检地面热试车
2016年6月,发动机进行了批抽检地面热试车,发动机共点火45次,累计工作3 653 s,通过批抽检地面热试车,验证发动机各项性能参数满足任务使用要求,达到检验批次产品质量的目的,同时还模拟验证飞行工作程序。批抽检地面热试车顺利结束标志着发动机具备交付飞行的条件。图 13给出批抽检地面热试车中模拟飞行程序工作曲线,累计点火21次,因试验条件限制,点火间隔时间均为2 s,发动机各次点火燃烧室压力数据平稳,表明发动机工作正常。
图 12 可靠性地面热试车工作曲线
Fig.12 Performance of reliability ground firing test
图 13 批抽检地面热试车工作曲线
Fig.13 Performance of batch sampling ground firing test
3.2 在轨验证
2018年12月29日,在酒泉卫星发射中心长征二号丁火箭点火发射远征三号上面级首飞产品,605 s后上面级和基础级成功分离,远征三号上面级经过三个半小时的飞行,成功将首颗鸿雁星座试验星“重庆号”和6颗XX-X卫星送入预定轨道。
此次飞行应用中,远征三号上面级轨控发动机在发射后3 108 s时刻第一次制导启动工作,工作正常。在随后的多次启动工作中,发动机表现良好。发动机圆满完成了21次的启动工作,单次最短点火时间20 s,单次最长点火时间152 s,累计点火时间1 034 s。
根据此次在轨验证中发动机入口压力数据和推进剂温度数据,结合地面批抽检热试车结果,利用小偏差方程,可分析出发动机在点火过程中的推力、流量、混合比和比冲情况,图 14给出了飞行应用过程中典型稳态工作曲线,真空比冲均值为307.2 s,满足总体使用要求。
图 14 飞行应用过程中典型稳态工作曲线
Fig.14 During in-orbit verification performance of steady state operation
