航天火箭的渦輪泵,作為火箭發動機重要組合件中唯一一個高速旋轉類機械,在業內被稱為液體火箭發動機的心臟。
它的工作原理與汽車的渦輪增壓器相似,利用燃氣驅動渦輪旋轉帶動泵工作,將火箭貯箱中的低壓推進劑進行增壓,并實時輸送給燃氣發生器和推力室進行燃燒。
液體火箭發動機渦輪泵在設計時十分強調重量輕和高性能,很多渦輪泵組件被設計成接近于技術發展水平的極限。
因此,要使渦輪泵可靠,并能適應運載火箭或者宇宙飛船的要求,就必須解決許多方面的問題。
例如:為滿足性能和重量的要求,渦輪泵必須在高速下工作,從而就必須具有在高速下滿足壽命要求的軸承和密封。
此外,泵必須具有高抽吸性能的誘導輪,以減少貯箱的壓力和重量。
目前在搞煤油液氧分級燃燒循環發動機發動機的航天機構,就是東唐和毛熊兩家。
但分級燃燒循環發動機有很多種,太陽國和米粒家用的是氫氧發動機,他們一般是高壓補氧。
火箭的核心是發動機,發動機的核心是燃料泵,因為火箭發動機本身只是一個很簡單的空腔,關鍵問題是如何給它提供足夠的燃料。
提供燃料的方式就是循環方式。
火箭發動機的循環方式,從目前的發展趨勢來看大致是:擠壓、膨脹、燃氣渦輪、電推。
燃氣渦輪下面可以分成燃氣發生器、分級燃燒、全流量分級燃燒等幾個種類。
都是用火箭燃料驅動一個小型發動機,然后驅動渦輪泵往外抽燃料。
燃氣發生器是從燃料中抽出一部分,驅動燃氣渦輪機,然后驅動渦輪泵抽更多的燃料供給主發動機。
燃氣渦輪機產生的廢氣直接排出體外,太空探索公司的梅林發動機就是這個原理,因為利用過的燃料不參加二次循環,所以也叫開式循環。
更高級一點的是分級燃燒循環,燃氣渦輪機產生的廢氣會和其他燃料一起進入主發動機再燃燒一次,避免浪費。
供給燃氣渦輪機的燃料和氧化劑有兩種混合方式,一種是燃料過剩,也就是富燃燃燒;一種是氧化劑過剩,也就是富氧燃燒。
其中富氧燃燒后的廢氣,流入主發動機需要補充更多燃料,所以叫補燃。
比分級燃燒循環再高級的,是全流量分級燃燒循環。
和抽部分燃料驅動渦輪不同,全流量是所有燃料都先燃燒一次驅動渦輪,可以提供更強大的渦輪動力,而且之后在主發動機混合后燃燒效果更好。
太空探索公司現在研制的猛禽發動機就是這種,燃料是甲烷,分別走富燃燃燒和富氧燃燒兩個預燃室,然后在主燃燒室會和。
高壓,說的是發動機的性能指標。
火箭是靠向后噴氣產生推力的,決定噴氣速度的是發動機燃燒室內部的壓力(室壓),壓力高性能就好。
而且室壓高,就意味著渦輪泵要有足夠的壓力才能把燃料送進發動機,所以渦輪泵發動機的性能肯定也會更高。
東唐航天系統的YF100的室壓是18兆帕(1兆帕等于10標準大氣壓),屬于高壓,作為對比,獵鷹9的梅林發動機不到10兆帕。
不過米粒家的絕技是低室壓高性能,土星五號的F1發動機就是低壓燃氣發生器循環。
不知不覺之間,黃豪杰的電動車已經到了氫氧發動機研究所門口。
幾個安保人員連忙跑過來。
“老板,我馬上去通知秦所長。”
“不用了,我直接進去就好了。”
氫氧發動機研究所依山傍水,有一大半以上的空間是在山體或者地下。
已經聽到黃豪杰過來,所長秦同興連忙過來。
“老板,歡迎過來指導工作。”
“氫氧發動機研發進度到哪里了”
“我們正在研發磁懸浮軸承系統。”
“去看看。”
“請跟我來。”
一行人來到了一個正在研發磁懸浮軸承的實驗室里面。
一臺巨大的電動機正在瘋狂的運轉著。
“這個電動機就是我們采用了常溫超導體和強磁斥材料研發的實驗機。”秦同興指著電動機介紹起來。
航天火箭發動機的渦輪系統,和汽車上面的渦輪系統不一樣的地方,就是渦輪的動力來源。
汽車渦輪系統,按照動力來源可以劃分為三種:廢氣渦輪、機械渦輪、電動渦輪。
廢氣渦輪顧名思義,就是利用排氣管的廢氣推動渦輪;而機械渦輪,就是利用汽車的傳動系統驅動渦輪;至于電動渦輪,就是利用電池驅動電動機,從而帶動渦輪增壓。
而航天火箭發動機上面的渦輪系統,一般是兩種。
一種是小發動機渦輪,另一種是電動機渦輪。前者比較常見,后者由于電動機難以做到十幾萬以上的轉速,目前正在研發階段。
氫氧發動機研究所正在研發的,就是電動機渦輪系統。
“轉速達到多少了”
“每分鐘15萬轉。”
黃豪杰滿意的點了點頭,能夠做到這個轉速,已經是非常難得了。
目前廢氣渦輪或者機械渦輪,可以達到12~16萬轉每分鐘。
但是電動機最多就1萬多轉每分鐘,這個還是直流電機,如果是交流電機,最多就3000轉每分鐘。
為什么電動機的轉速這么低
轉子動力學決定了轉子的線速度到達一定速度時(如150m/s),離心應力超過轉子強度導致轉子部分部件脫離。
這是所有高速電機共同面臨的問題。
簡單說,就是機械強度限制了轉速。
另外對于有刷直流電機而言,轉速過高導致換向器與電刷摩擦嚴重,電弧也顯著增大,二者積聚的熱量很快會燒毀電刷。
電機端部的軸承也有一定的轉速限制,讓轉速擁有一個瓶頸。
說來說去,就是材料的問題。
如果材料達到要求,理論上直流電機的轉速可以接近無限大。
材料學恰恰是銀河科技的強項,所以在各種新材料的應用下,氫氧發動機研究所的電動機渦輪,轉速才可以達到15萬轉每分鐘。
“你們可以做到這個程度,我非常欣慰,再接再厲。”
“一定不會讓老板和大家失望的。”秦同興連忙說道。
“現在燃燒室的室壓可以做到多少了”黃豪杰接著問道。
“21~22兆帕是極限,我們預計將渦輪系統的轉速提升到40~50萬轉每分鐘,這樣就可以將燃燒室的室壓提升到30兆帕左右。”
“燃燒室可以承受30兆帕的壓力嗎”
“沒有問題,我們采用了納米不銹鋼材料,不僅僅強度非常大,而且可以承受2700攝氏度的極限高溫,經過測試之后,新材料的燃燒室可以承受59兆帕是極限壓力。”秦同興解釋道。
“電機的轉速提升,你們可以和電機研究所交流合作。”
“這方面,我們經常和他們在交流合作。”
“嗯!”
黃豪杰在秦同興的陪同下,繼續在氫氧發動機研究所考察。
1住愛尚:
請:m.022003