渦輪泵,火箭發(fā)動機的關鍵心臟

胖五遙3的順利飛天,克服的最大難關,就是YF77氫氧發(fā)動機的供氧泵轉子在一定極限條件下產生裂紋的問題。遙2的墜海就是因為其中一臺發(fā)動機的渦輪供氧泵出現(xiàn)了停止工作的問題。一臺液發(fā)不工作,火箭推力不足開始掉頭向下;而另外一臺液發(fā)還在工作,導致了火箭加速向下沖入了大海里。其實遙2只要多工作10秒就可以挽救。這等于用七八億美元和2年的代價徹底暴露了渦輪供氧泵的問題。到了遙3改變了設計,就解決了這個問題。其實液體大火箭,從二戰(zhàn)末期,德國的布勞恩制造出用酒精當燃料,用液氧當氧化劑的V2飛彈以來,一直到今天,總體布局并沒有出現(xiàn)多少根本性的設計改變。無非是后來用了更多類型的燃料和氧化劑,但是液體大火箭的基本技術布局并沒有什么變化。凡是液體運載火箭,
包括液體洲際導彈?;久恳患墸际巧厦嬉粋€大儲罐,里面包括燃料箱和氧化劑箱,下面再帶上一個帶大噴管的發(fā)動機。外界對液體大火箭的觀感,往往都集中在碩大的像倒置酒杯一樣的噴嘴上。其實巨大的噴嘴并不是液體火箭發(fā)動機的核心部分,核心部分其實是渦輪泵。由于液體火箭從發(fā)明到今天原理和設計基本不變,瀚海狼山認為這也是發(fā)明V2的布勞恩也是土星5號這樣的超級液體火箭總師的原因。我們知道航空發(fā)動機上有渦輪這種裝置,是安裝在整個航空噴氣發(fā)動機靠后的部分,以接受燃料燃燒做功后帶來的動力。甚至現(xiàn)代汽車的發(fā)動機上都有渦輪增壓。液體大火箭上的渦輪泵,也是給火箭的燃料和氧化劑增壓用的,不過不像航空噴氣發(fā)動機的渦輪一樣,直接安裝在整個發(fā)動機的軸線上。液體火箭發(fā)動機的渦輪泵,一般安裝在液體發(fā)動機燃燒室和噴嘴這個噴火做功軸線的一側。

火箭的渦輪泵,也是動力泵,一般設計成渦輪部份與泵的部份。兩者多采用直聯(lián),由渦輪驅動泵。液體火箭的燃燒室其實很簡單,就像一個悶葫蘆,兩頭小而中間大?;鸺囊后w燃料和氧化劑,一般是相互碰到一起就可以自動持續(xù)燃燒的化學反應物。比如煤油和液氧,氫氣和氧氣等,所謂的火箭點火,其實大多數時候是名義上的。因此火箭上層的2種儲存物質,由各自的加壓渦輪泵分別加注到火箭的燃燒室內,就會劇烈的燃燒膨脹。而火箭燃燒室到噴嘴之間的喉部比較狹窄,這就會大大增強火箭尾流噴出的壓力和速度,可以達到音速的10倍以上。因此給火箭巨大的反沖力開始起飛。那么給燃燒室增壓加注燃料和氧化劑的渦輪泵的動力從哪里來呢?其實就是從火箭的高壓燃燒室引出2股高壓燃氣,用來推動渦輪泵做功,這也是一種能量的循環(huán)利用。渦輪泵是液體火箭發(fā)動機中高速旋轉組件,同時進入渦輪高溫高壓燃氣以及經過泵增壓的低溫推進劑,隨著壓力的提高,渦輪泵的可靠性在整個發(fā)動機的可靠性中占有重要地位。

火箭發(fā)動機內部猛烈燃燒時,大部分熱部件其實都是基本固定的。只要把他們設計的足夠耐熱和強度足夠大就可以確保安全可靠。而渦輪泵幾乎是液體火箭發(fā)動機中唯一一個高速旋轉而又承受高溫高壓和劇烈震動的關鍵部件,因此對一種火箭的可靠性至關重要。別看液體火箭發(fā)動機外觀最大的是噴嘴,但是重量最大的部件卻就是渦輪泵。可以占到整個液體火箭發(fā)動機自重的一半。如果這類渦輪泵用到第二級或者上面級上,就會和載荷直接爭奪重量。因此渦輪泵如果做到又輕又堅固就是高技術了。