鲜为人知的火箭尾喷管黑科技 不是你想象的那样简单

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发布时间:2019-03-05 22:57

[摘要]火箭点火时那个喷出火焰的喇叭形的装置,就是喷管,它在火箭的能量转换过程中起着非常关键的作用。

腾讯科技讯(乔辉)近日,国内商业航天企业蓝箭航天宣布,公司自主研发的“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机喷管夹层激光焊接一次成功,首台80吨发动机喷管顺利下线。据悉,使用该项技术,可使成本降低90%!带着对这种黑科技的敬畏,我们采访了蓝箭航天CEO张昌武和蓝箭航天高级工程师、推力室负责人袁宇。根据他们的介绍,我们把干货内容从科普层面进行了梳理和总结。

什么是喷管?

航天飞机发射时的三个尾喷管

火箭点火时那个喷出火焰的喇叭形的装置,就是喷管。它是火箭发动机推力室的一个重要装置。负责将推进剂燃烧产生的高温、高压燃气的热能转化为动能。大家平时看到的“大喇叭”其实是它的后半部分,喷管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉,也就是倒着的“小喇叭”。

著名的火箭工程师冯o布劳恩和巨大的土星五号火箭尾喷管

窄喉之后又由小变大向外扩张至出口,也就是我们看到的“大喇叭”。箭体中的气体受高压流入喷嘴的前半部,穿过窄喉后由后半部喷出。这一结构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化,燃气通过喉部后,在喷管中进一步的膨胀、加速,马赫数从1增加至4左右,喷管出口处的燃气喷射速度高达3500m/s以上,以获得巨大的推力。由于它是瑞典人拉瓦尔发明的,因此这种“喇叭形”的喷管被称为"拉瓦尔喷管"。可以说,喷管是火箭发动机比冲性能的保证。

反直觉的喷管现象

这里有一个看似违反直觉的现象:玩过水管的朋友都知道,当你把水管用手捏扁的时候,水流会变细且能喷出去更远。那么这个尾喷管为什么反而逐渐变粗呢?这样的话速度不是会降低了吗?简单来讲是这样的,水流与火箭的燃气不同。水流是不可压缩的流体,而火箭燃烧产生的高压燃气在窄喉的两侧的压强不同,温度也不同。无论再大的压强,燃气在窄喉处的最大速度只能达到声速,当燃气越过窄喉后,在尾喷管处迅速膨胀降温,把内能转变为动能。因此,喷管在火箭的能量转换过程中起着非常关键的作用。

喷管如何才能承受这么高的温度?

据悉,大推力液体火箭发动机在工作时,喷管需要承受燃气剧烈的高温加热作用,燃气温度在1000至3000度之间,表面热流密度从4至20MW/m2之间,与太阳表面的热流密度接近。什么材料才能承受如此高的温度呢?科学家想出了更好的办法,那就是使用推进剂来对喷管进行冷却。我们知道液氢的温度是零下253摄氏度,液氧的温度是零下183摄氏度,现成的冷却剂啊。

具体方式就是将喷管的结构做成夹层的,让推进剂在进入燃烧室之前,先在夹层里高速流动,带走燃气传给喷管的热量,保证喷管不被烧毁。燃气传给推进剂的热量对推进剂进行了预热,这部分热量最后又被推进剂带回了燃烧室,得到了再生,因此称之为再生冷却喷管,或主动冷却喷管。

对于其他没有用低温燃料的火箭,使用的是喷管内加烧蚀层的方法,烧蚀层中的烧蚀材料会带走火箭产生的高温。

喷管的焊接工艺

对液体火箭发动机再生冷却喷管,既要求其有足够的结构强度、刚度,以承受轴向的推力、内部的液压、强烈的震动;又要求其重量尽可能轻,以提高发动机推重比。同时,喷管的扩张型面精度还应与设计理论型面接近(如最大推力型面),以使燃气以最优的方式膨胀,获得最高的比冲。因此,再生冷却夹层式喷管的制造,一直以来都是液体火箭发动机生产中的难题。

机器人激光焊接设备

目前,在工程应用中,夹层式喷管结构,一般有波纹板式、铣槽式和管束式等三种。波纹板式夹层喷管是在喷管的内壁和外壁之间加入一圈一圈的波纹板,波纹板的“波峰”“波谷”分别于内外壁连接。这种喷管在我国的肼类燃料发动机上应用较多。

铣槽式喷管结构由喷管内壁和外壁组成,在钟型的内壁上,以铣削的方式加工出几百个沿轴向方向的凹槽,槽与槽之间保留的部分称为“肋”。通过特殊的工艺,将几百个肋与喷管外壁连接起来,形成几百个封闭的流动通道的喷管夹层结构。

管束式喷管,按管子的排列形式来分,可以分为直列式和螺旋式。直列管束喷管曾在美国的液体火箭发动机上得到广泛应用,著名的“土星5号”登月火箭的F-1发动机就是直列管束式再生冷却喷管。

螺旋管束喷管,是采用数百根方形等截面的高温合金薄壁管(管壁仅有0.3mm)通过改变螺旋升角的方式拼成,采用手工氩弧焊或机器人将管子与管子的拼接缝焊接在一起。这种喷管具有质量轻、刚性好、使用寿命长等优点。目前主要应用在液氧液氢发动机上。

蓝箭成功突破激光焊接夹层喷管技术

据了解,激光焊接夹层喷管技术为国内首创,并已经申报了专利。在此之前,国内尚无该技术的研究基础,国际上也无相关型号的成熟产品。此项新技术实现了大型喷管机器人全自动激光焊接,可大幅度降低喷管制造成本,缩短制造周期,提高产品质量,便于实现产品批量化制造。

“天鹊”(TQ-12)80吨发动机喷管直径1m以上,焊接用时仅2天,随着后续工艺的进一步成熟,具有压缩至10小时以内的潜力,相比传统的喷管制造工艺,制造周期和成本仅为螺旋管束喷管的1/10左右。

蓝箭航天创始人、CEO张昌武表示,“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机喷管顺利下线,表明了蓝箭的自主创新取得了重大成果,核心技术填补了国内空白,不仅极大缩短了“天鹊”发动机的研制周期,降低了成本,还证明了公司坚持核心技术自主可控的决心,也为航天制造工艺的多样性进行了一次有力的探索。

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