长五遥二失利是因为它丨为什么火箭发动机里面还会有涡轮?
星辰大海,我们来了。...
2019年12月27日晚,长征五号遥三火箭,经过两年的修整,一飞冲天,这个消息振奋人心(回顾:成功!成功!“长五”发射现场高清大图来了!)。要知道上一次长征五号遥二的发射,还是在2017年7月份,距今已经时隔两年多了。
原因是因为涡轮位置发生异常
△长征五号遥二故障原因△
相信心细的朋友已经发现了一个小细节:故障原因是“一分机涡轮排气装置”位置出现异常,这里有“涡轮”两个字。涡轮这个东西各位朋友应该是既,熟悉又陌生。
之所以说熟悉,是因为我们经常可以在生活,中听到,比如说有一种,汽车发动机就是“涡轮增压发动机”,估计有不少读者朋友开的,就是这种汽车;而之所以又说是陌生,是因为可能大家都听说过,涡轮,但是真的不知道“涡轮”到底是什么,也估计不知道为什么火箭里面,也会有这种东西呢?
什么是涡轮?
所以“涡轮”实际上就是“会转的轮子”。那么为什么一个轮子会转,起来呢?是因为外界的环境会推动这个轮子转动。
比如说风车实际上也是一种,涡轮,我们叫做风力涡轮(Wind Turbine);如果我们用水流来推动,轮子转,那么就是水力涡轮(Water Turbine),这种涡轮可能大家,或多或少都见过,只是大家不知道这其实也是,一种涡轮;又或者是我们要通过高温,高压的气体来让这个轮子转动,那就是燃气涡轮(Gas Turbine)……总而言之,就是有外力推动轮子转动,那就是涡轮。
△风力涡轮△
△水力涡轮△
人们肯定不是因为好玩儿才会利用外界的力量去推动轮子转动的,而是希望这样的转动,能够为我们所用。比如说风车人们,可以用来发电,水力涡轮可以用来驱动,机器运转,等等。总结一下:涡轮,就是把外界的,能量转换为转动,然后利用转动实现我们想要的功能,的一种机械。
为什么火箭需要涡轮?
确实,火箭是这样一种机械,通过混合燃料和,氧化剂然后燃烧,随后这些高温燃气,被高速排出,而根据动量定理,火箭在高速排出这些燃气的,过程中就会获得一个反方向的推力——火箭就是在这样的推力作用下飞,离地球表面的。
△长征五号向后,高速排出燃气,获得一个向前的推力△
但是对于长征五号来说,它的助推器使用的煤油,和液氧,芯级部分则都使用的,是液氢和液氧,这个时候问题就出现了:燃料是怎么进入,燃烧室燃烧的呢?要知道在燃烧的过程,中燃烧室的压力是很高的,如果没有足够的,压力把液体燃料“压”进燃烧室,这些燃料是不会自己流,进去的。
一种办法是我们找一个,高压罐,里面灌上高压气体,通过这些高压气体把,液体燃料“吹”进燃烧室。但是这种方法问题很大,一方面是很难保证燃料,输入速度,另一方面需要有专门的罐子来,储存高压气体,很浪费空间。
△通过高压气体把液氢液氧吹进燃烧室△
于是我们就有了第二个办法:“泵”。我相信大家应该,都看到过水泵,这种东西简单来说,就是给液体加压,从而初始液体从压力较低的地方流到,压力更高的地方去。所以我们只要在燃料箱和燃烧室,之间加一个“泵”,于是就可以把低压的燃料“压”进高压的燃烧室进行燃烧。
△水泵的原理示意图△
但是这个时候问题又来了:想要让泵转动是需要,能量的,不然泵不会自己转起来。这个能量从哪儿来?又通过什么机构来实现呢?答案就是我们刚刚铺垫了,很久的东西:涡轮!
以长征五号芯一级的,火箭发动机yf-77为例,这个发动机里面,有一个涡轮连着一个泵,通过预先燃烧一部分氢,和氧推动涡轮,涡轮带动泵,泵驱动氢和氧进入燃烧室——这才构成了火箭,源源不断的能量来源。△通过涡轮带动泵将燃料和氧化剂压入燃烧室△
所以准确的说,火箭发动机中的,那个部件叫做“涡轮泵”(tubopump),表示涡轮和泵连在一起,通过涡轮驱动泵,从而把低压的燃料泵入高压的,燃烧室用的。而且因为火箭需要的燃料,太多了,涡轮泵往往要,保持很高的转速,同时泵端温度低(因为要接触液氢液氧)、涡轮端温度高(因为要接触高温燃气),所以无论是结构的强度、振动还是高低温区域之间的,密封问题,难度都非常大。
△一种典型的涡轮泵△
结论
而且因为涡轮泵转速高、负荷大、同时接触高低温两种介质,所以设计难度非常大,长征五号遥二火箭,就是这里出现了问题,现在能够发现问题、排除故障,想必也是科研人员付出了,极大的心血,一定要向那些奋斗在科研第一线的科研人员,致以最崇高的敬意!
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