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。

△长征五号遥三一飞冲天，一雪前耻△  图：陈肖/摄回想起两年前的那次发射失利，实在是令人感慨不已，不过在故障发生后，虽然艰难，但好在定位了故障所在，后经过紧张的排故归零，最终实现了“反击”一雪前耻，实在是非常不容易。下图就是2018年4月的时候宣布，长征五号找到故障原因的微博消息图。

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？涡轮这个词原本不是，中国来的词汇，但是它的翻译的非常准确。首先“涡”这个字来自于英文“whirling”，意思是“转”；“轮”这个字大家估计，就很熟悉了，就是“轮子、轮状的物体”。

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。

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。好的，我们知道涡轮是什么了，那么为什么火箭会，需要这种东西呢？火箭不是点完燃料就等着，燃料燃烧产生推力就可以了吗？

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。

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。

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。

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。因为需要快速、均匀地把大量的燃料压入到压力，很高的燃烧室中，所以我们必须要使用“泵”这种结构，而为了让泵转动起来，我们又需要“涡轮”这个结构来带动泵转动，这也是为什么我们会，在火箭中看到“涡轮”这个结构的原因。

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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