航天集團公司研製泵後襬液體發動機最大的問題還是工程技術問題,主要是不能解決承受高壓高溫的的軟管和高功率的渦輪泵技術。
對於火箭來說,一個強大的發動機,是其擺脫地心引力衝上太空的核心保障,液體火箭發動機一般由推力室、推進劑供應系統、發動機控制系統組成。
推力室由推進劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成,推進劑通過噴注器注入燃燒室,經霧化,蒸發,混合和燃燒等過程生成燃燒產物,以2500到5000每秒的速度從噴管中衝出而產生推力。
其中燃燒室內壓力可達20兆帕,即使是普通的火箭發動機燃燒室的壓力也能達到8兆帕左右,赫赫有名的前蘇聯RD-180發動機,燃燒室壓力更是高達25兆帕!
燃燒室壓力越高,通常性能也越好,蘇聯將自己的合金技術利用到了極致,將火箭燃燒室的壓力能提升到如此恐怖的程度,這也是到現在爲止連美利堅都爲什麼一直向俄羅斯採購大推力火箭發動機的原因。
燃燒室如此巨大的壓力就會帶來一個極爲困難的問題——那就是推進劑怎麼進去?
爲了在真空中飛行,火箭是自帶燃料和氧化劑的,它們都存儲在貯箱中,可以說一枚火箭身上90%的重量都是推進劑,如果要讓推進劑進入高壓的燃燒室,最直接的辦法就是讓推進劑所受的壓力大於燃燒室內的壓力。
火箭貯箱是出名的薄皮大餡,能承受的壓力是有限的,如果選擇提高貯箱結構強度,那新增加的重量又是一個無法接受的數字,所以大推力發動機則用泵壓式供應系統,這個系統最核心的就是大功率渦輪泵了。
渦輪泵由兩部分組成,分爲渦輪部份與泵部份,一般採用直聯,由渦輪驅動泵對氧化劑和燃料進行增壓。
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,並實時輸送給燃氣發生器和推力室進行燃燒。
發動機被稱爲火箭的心臟,而渦輪泵又是火箭發動機的心臟,是核心部件中的核心,而且工作方式極爲暴烈——
液體火箭發動機工作幾分鐘,幾百噸的燃料就要消耗掉,渦輪泵的功率非常大,假如它是個水泵,它這個輸出壓力,可以把海面上的水打到5000米高空!
渦輪泵是液體火箭發動機中高速旋轉組件,也是發動機重要組合件中唯一一個高速旋轉類機械,在火箭發動機發生的故障中,約有一半左右發生在渦輪泵中。
華夏國也是能設計出高性能的渦輪泵出來的,但是在材料技術上不過關,在渦輪泵的軸承、密封件、渦輪葉型、高性能的誘導輪每一個部都是現階段材料和加工工藝的最高要求,一個部件不達標渦輪泵性能就大打折扣。
也只有蘇聯傾盡全部的力量纔在合金技術上做到了極致,研製成功了最高效率的渦輪泵,這個也是蘇聯的看家本領。
華夏國90年代的時候從蘇聯購聯航天機構引進過RD-120發動機,這是蘇聯七十年代動力機械製造科研發的一種火箭爲發動機,真空推力達到84.7噸,在當時也是屬於世界性的比較高端的成果,這種火箭發動機也是用在了海上發射公司的火箭上面,用在了“天頂號”的第二級。
隨後西安機廠做了將近一年的準備工作,開始仿製蘇聯的這款液氧煤油發動機,不僅從當時的蘇聯引進機器,還引進更多的技術方面的問題,瞭解了蘇聯生產廠家的工藝設備、技術問題等。
國內在這款發動機的基礎上也是設計了一款YF-100的發動機,設計指標達到了120噸的,一直到2000年的時候這方面的技術纔算完全掌握了這款RD-120的技術。
不過蘇聯方面在八十年代中期世界上最大推力的RD-170發動機就研製成功了,這款發動機設計的目的是爲了爲了給發射暴風雪航天飛機配套,爲了達到變態的1500噸的推力,蘇聯設計了一個四噴口四燃燒室的火箭發動機,也是被人稱作是“魔鬼設計的火箭發動機”。
隨後的RD-180是一款雙噴口雙燃燒室單渦輪泵的火箭發動機,是縮減規格的RD-170,是在八十年年代中期開始研發的,現在這款發動機已經開始進行實用化了,達到380多噸推力的RD-180卻只有5噸半的重量,這是火箭發動機的傑出顛覆之作。
RD-180發動機是俄羅斯的強力火箭動力,本來用於蘇聯的能源號火箭第一級,到了1996年,竟然變成了洛馬宇宙神火箭的第一級,現在美方一直在向俄羅斯採購這款發動機,每臺發動機達到了1000萬美元,比航空發動機便宜,生產RD-180發動機的工廠還扭虧爲盈。
現在國內在RD-120的基礎上進行改進的YF100技術差不多成熟了,幾年前也是這個基礎上研發泵後襬發動機技術,發動機的設計對班志農這些總設計師來說問題不大,困難的是渦輪泵的設計以及能夠承受高壓高溫的軟管。
蘇聯人設計的是分級燃燒室,預燃燒室富燃產生的高溫高壓的氣體能達到3000到5000度的,這些燃燒物通過旁邊的管道帶動渦輪泵,然後產生更高的壓力注入主燃燒室進行補燃,因爲蘇聯人設計的泵後襬液體火箭發動機要擺動,所以這些管路是軟管,這種技術目前就連美國人也是辦不到的。
航天集團公司這些年旗下的工廠和科研機構一直都是在研發這些核心的部件,不過材料工業的配方哪裡是那麼容易就能摸索出來的?
不過華興集團公司旗下的永瀚航空科技公司、機牀研究院這些年在高溫合金材料、燃燒室技術方面不停地進行了各種研究,尤其是在高溫合金材料上取得了非常大的突破,只不過這是作爲永瀚航空科技公司的核心機密並沒有申請什麼技術專利。
在火箭發動機生產線的時候,班志農此時激動地向楊傑等人詳細地介紹着一個已經加工成型的火箭發動機的噴注盤。
“楊少,宋董、楊董,這個噴注器的中心鑽了18個孔,用來噴射氫油,往外一圈看到兩兩一組的18個孔,用來噴射液態氧,噴注盤的每一圈孔都是氫油噴射孔和液氧噴射孔交替排布的。這些小孔的直徑比例經過我們是經過在燃燒室2000多次試驗後,總算是摸索出了這些噴射孔的本身的尺寸和每一圈之間的距離和比例。”
班志農說道:“這個噴注器是永瀚航空科技公司的技術團隊設計出來的,我們在燃燒室實驗室也是進行過了幾百次的實驗,噴注器氫油和液氧的混合濃度達到了最佳的效果。”
因爲是分級燃燒,預燃燒室和主燃燒室的氫油和液氧的混合的濃度都是不同的,噴注器的噴射孔的分佈自然是不同的,如果讓濃度達到最佳是極爲考驗設計師經驗的。
這兩個噴射器、渦輪泵、軟管的設計都是有康斯坦丁帶領的設計團隊參與,這支技術團隊在航空發動機的設計研發上已經非常成熟了,而且培養出來了兩個在這方面非常有天賦的人才,現在這兩個設計師已經各自帶着技術團隊在設計研發不同類型的發動機,彼此之間也是有競爭的。
班志農加入公司後跟永瀚航空科技公司接觸後這才察覺到永瀚航空科技公司在氣動佈局、燃燒室技術、高溫合金材料研發上的驚人技術實力!
而機牀研究院和儀器設備公司在高精度加工設備和工藝上的水平是處在世界一流的水準,工廠這邊需要什麼樣的特殊加工設備和檢測儀器設備公司都是能夠提供,已經不需要從國外進口高端的實驗設備了。
也正是有了這樣強大的技術和設備等方面的支撐,班志農在火箭研發上卻是感到無比的爽利。