|
4、Vulcain发动机的前世今生 关于Vulcain发动机的前世最早可追溯到1978年，那时欧洲科学家们所构想的大型低温发动机还主要是用于二级，提出的推力在50t，因此也将其命名为HM50（Hydrogen-Motor-50）。但在Ariane I 火箭首次飞行的1979年圣诞夜之前，设计师们经过多方面的认真论证和分析评估，确定其推力应具备在60t到80t之间可调性，同时最好能在飞行中点火。
基于当时欧洲航天后续的发展，安全性、可靠性以及低成本是重点考虑的因素，这对于发动机而言也就意味着简单和技术可达性，因此燃气发生器循环方式并不意外地就这样被确定了下来。随后的问题就集中在了燃气发生器的布局优化，最初是考虑使用两个燃气发生器分别给两个独立的涡轮泵提供燃气，但经过之后的深入分析后，发生器变成了一个；随后的一年，各项工作全面开展，直到1982年Ariane L05失利，所有研制队伍工作都不得不移师故障分析以便Ariane I 能早日重返蓝天；当设计师们能够得以再次打开Ariane 5火箭文件的时候，时间已经悄然到了1984年，设计师们用他们的努力对火箭构型进行了一次全新设计，这次设计的结果基本就保持到了现在：1）低温芯级捆绑两个固体助推；2）HM60为一级发动机，起飞前点火；3）只使用1台100t级发动机。 1984年12月12日，发动机的研制在巴黎正式宣布启动，虽然当时德国的研究者们似乎还有一些其他不见得一致的想法，但在随后的几周之内，他们就达成一致、凝聚了共识。1985年方案进行了评审，18个月后的1986年，Vulcain发动机就此诞生了！和以往Ariane火箭一样，Ariane是欧洲的，Vulcain发动机也是欧洲的，涉及到超过30多个跨地域的协作组织来共同开展研制！发动机的研制计划是按照3个层次来开展的，即组件级、分系统和发动机整系统。
研制工作在1988年全面铺开，也开展了首个具有标志性意义的分系统级系统试验：氧涡轮泵、氢涡轮泵、燃气发生器和推力室。该试验验证了新设计的正确性。考虑到固体助推器SRB的严酷热流可能对发动机造成影响，在研究中对很多组件尤其是电缆都采取了详细的热防护，同时也重点关注了高压氢发动机的紧固。
PF52 Vulcain动力单元试验台 1990年4月4日，首台M1发动机运抵位于Vernon新建成的PF50发动机试验站，进行了多次低工况下的热试车，当年年底进行了额定工况15s试车，而首次全程600s的额定工况试车于1991年6月13日进行。
PF50和P5发动机试车台 一年之后，Ariane5的任务有了调整，原先用于载人任务的计划取消，这使得火箭研制也更加专注于GTO任务。重新评估的结果是对Vulcain的推力需求需要从1025kN提高到1140kN。在使用15台发动机经过约300次试车总计超过80000s的研制之后，1995年6月，Vulcain完成了鉴定。同年也在库努完成了模块试车，验证了发动机、增压输送系统和贮箱工作的协调性。1996年6月，Vulcain发动机参加了Ariane V火箭首飞，虽然首飞失利，但数据分析表明并非推进系统发生故障；1997年Ariane V 502次飞行，部分成功，事后数据显示Vulcain发动机产生了一个滚动力矩导致贮箱内推进剂液面晃动而提前触发了耗尽信号而关机；1998年10月，Ariane V 503任务，改进后的Vulcain发动机圆满完成任务，也随Ariane V 火箭正式承担发射任务。 遵循欧洲Ariane I 发展到Ariane IV的成功经验，早在1989年欧洲航天的研究者们在稳步推进Ariane V向前研制的同时，几乎就已经在开展Ariane V 性能改进的可行性分析，并将其称为Ariane 5E，其目标就是将地球同步转移轨道的运载能力再提高1400kg，在提出的主要改进方案中，就有对Vulcain发动机进行升级改进，最初命名为Vulcain MK2，这也是Vulcain 2的最初小名。
相对于Vulcain发动机参数，当时制定的发动机的基本性能包括：真空推力由1145kN提高到1350kN；真空比冲由431.2s提高到433s；燃烧室压力由110bar提高到116bar；喷管面积比由45增加到60。于此同时，还制订了研制程序，计划于1995年开展初样研制；1998年实施首台发动机试车；2002年参加首次飞行。研制中，实际首台发动机试车开始于1999年6月，为了加快研制，同时在两个试车台（德国的P5和法国的PF50）上开展试车，在2002年参加首次飞行之前，累计通过6台发动机共开展了128次试车，累计试车时长超过40000s。2002年11月，参加了Ariane V ECA 首飞，由于发动机喷管破坏而失利，之后对喷管及其热结构进行了改进和完善，于2005年再次飞行，获得成功！
如今，关于Vulcain X、Vulcain 3和Vulcain 2.1在不同文献中均有所提及，尤其即将用于Ariane 6火箭的Vulcain 2.1被关注度更多一些。资料显示，其仍采用燃气发生器型式，其真空推力1370kN，燃烧室压力进一步提升至12.08MPa。虽然未见其完整系统原理图，但按照其序列号及欧洲研发氢氧发动机的经验传统和Ariane 6火箭本身的定位，预计该型发动机应是在Vulcain上的进一步改进! 下图为笔者从互联网上查找到的标为Vulcain 2.1的首个飞行状态喷管，根据介绍，该喷管生产中大规模采用激光焊接技术和激光增材制造技术，将组件减少了90%，即由原来的近1000个组件减少为100个，与此同时，这些新技术的应用也将喷管成本降低了40%，加工时间减少了30%。该类型演示喷管已经过了全尺寸的试验验证，此飞行状态喷管将在法国直接安装到Vulcain2.1发动机上，参加在德国的发动机热试车。
Vulcain 2.1的首个飞行状态喷管 （http://www./en/newsroom/news-releases/aerospace/2017/gkn-delivers-revolutionary-ariane-6-nozzle-to-airbus-safran-launchers/） Vulcain X是2005年9月CNES提出的通过减少成本、风险和时间来减少未来发动机研制难度、提升技术成熟度的一项工程。实施中以Vulcain II为对象来比较开展。下面图中给出了以氢涡轮泵为例的Vulcain II状态（下方）和Vulcain X 状态（上方）。
Vulcain X提出的氢涡轮泵改进
Vulcain X提出的技术成熟度路线 在网上也看到了少有的关于Vulcain 3的提法，但并不多，更谈不上详细，给出的下图也没看出与以往有多不同，只是仿佛与Vulcain 发动机更像（譬如两个对称的很长的燃气导管）。
网上给出的照片——Vulcain 3 ？？？ 无论是Vulcain X、Vulcain 3 还是Vulcain 2.1，笔者感受到的是欧洲航天人在航天这条路上的执着和进取，也相信这些发动机无论是选择局部完善还是全方位改进，Vulcain和Vulcain II带给它们的光荣血统必将得以延续和绵绵传承！ 5、也曾苦难，百炼终成钢 近日，在网上也流传出了SpaceX 发布的Falcon火箭在实现发射/回收的历次尝试中屡试屡败、屡败屡试、再试再败再试的视频，在言语轻松中感受当年的箭倒船倾、火光肆溅的触目惊心，着实不易！在品尝成功后体味曾经的一再、再再、仍再失败之苦!其间，有多少震撼？又有多少遗憾？更又心生多少未酬壮志的仰天长叹、痛心疾首？ “成功的花，人们只惊羡她现实的明艳，然而当初她的芽儿浸透了奋斗的泪泉，洒遍了牺牲的血雨。” 其实，在科学研究的这条道路上从来就不缺崎岖、坎坷，而它对那些在这条路上迷失的人垂青的方式就是给以最严厉的警戒和惩罚，你也可以理解为那都是考验！Falcon所经历的，在Ariane V火箭上其实早有上演。在所经历的四次挫折中，至少有两次和Vulcain发动机相关： 502任务 Vulcain、517任务Vulcain II。 Ariane 502任务 1996年6月4日，Ariane V火箭执行的首次飞行（501）因为控制软件问题在起飞后37s实施箭体自毁，飞行失利。那一刻多少人的梦想碎裂长空？
经过1年多的修整和痛定思痛，1997年10月30日，第二次飞行任务502肩负起所有的希望和付出再度出征！整个飞行过程完整，但火箭却未能进入预定轨道。 事后数据分析表明，在助推分离后，低温芯级存在一个异常滚转力矩，不幸的是，此值远远大于了为系统设计师之前所认知的大小！在此力矩作用下，箭体产生了约1rev/10s的旋转，虽然这样的一个转动在姿态控制系统的能力范围之外，但还不足以对飞行弹道能产生多大的影响，而真正要命的是该滚转运动导致了氢氧贮箱内推进剂液面变形，使安装在贮箱内的液位传感器过早接收到了推进剂“耗尽”信号而触发了发动机关机信号！虽然，此后火箭二级极尽所能试图纠回，但一级飞行段额外增加的这负担终究还是过大，即使卓越也未能如愿。 设计师们对此未知力矩，给出了多种解释，但最大可能还是发动机大喷管延伸段内用作冷却燃气流动所形成，该模式在此后的试验中也得到了印证。主要改进措施就是对大喷管的管束焊接方式进行调整，同时增加了滚动控制能力，这些措施的有效性为后续的飞行任务所验证。 Ariane517 任务 2002年11月11日， Ariane V 火箭ECA 构型首飞，Ariane V 系列火箭第17次飞行，而这也是Vulcain II发动机的首次飞行！ 法国当地时间23：21，火箭点火起飞，在2分35秒后两个固体助推正常分离，3分07秒整流罩正常分离，但自此之后火箭开始出现异常，速度不仅没有增加反而开始降低，在3分45秒，火箭停止上升而开始坠向大西洋深处，火箭失去控制，为确保安全，地面人员按照预先设定的程序实施了主动自毁！发射失利！它是否依然停留在深深海底？
之后的数据显示，第一次监测到的异常发生在起飞后96s，此时Vulcain II发动机喷管冷却流路出现问题，178s到186s发动机性能恶化和出现明显干扰，已经很难有效控制，187s按时序火箭有效载荷整流罩分离，此后箭体姿态出现问题，在465s实施自毁时，其高度约69km，距离法国圭亚那海岸800km。 经过调查，此次失利的最大可能是Vulcain II发动机喷管冷却通道管存在裂纹缺陷，飞行中这些缺陷使冷却系统出现泄漏，导致发动机的热条件恶化，在飞行条件下发动机喷管破坏，此后Vulcain II发动机出现推力的不平衡现象，最终导致箭体失控。在调查过程中，也提出了一个非常严肃的问题，发动机地面试车很难去模拟所有发动机应遵守的约束条件和飞行真实条件（譬如很难去创造一个真空环境下的推进系统工作条件）！ 后续的改进工作主要围绕发动机喷管开展，包括对喷管结构的加强和对热结构的设计。2005年2月12日Ariane 521任务中，改进后的Vulcain II发动机实现了首次成功飞行。 没有人愿意失败，更没有人愿意从失败中来学习成长，但我们仅仅从成功中所学到的并不足以让我们超越现状！Ariane V 火箭在失败中几度浴火重生，以不屈的航天精神和坚定的执着信念铸就了当今的辉煌！续写了属于Ariane人的骄傲！ 编后语 《胜者思维》书中，序言写到： “… 生活多么美好，奋斗多么艰辛。 其实我们谁也不知道自己的奋斗结局。 人生最大的魅力，就在于不知道结局。 正因如此，人们往往迸发出更大的创造性，悄悄改变结局。 …” 聂荣臻元帅曾总结说：“…既然是科学试验，总会有成功，有失败。成功了，我们就取得经验；失败了，我们就得到教训！成功了，功劳是你们的，失败了，责任由我来负！…” 成吉思汗说: “越不可越之山，则登其巅；渡不可渡之河，则达彼岸” 失败是差一点成功，成功是差一点失败！成功曾经离我们这么近，失败其实一直也距我们不远！做出何种选择其实就在我们自己！ 有多少没想到，就会有多少可能的血与泪！ 最遗憾的事从来都不是失败，而是我本可以！ 愿我们曾经的苦难能够铸就我们明天的辉煌和骄傲！ 冰箭写于20171002，仅以此纪念20170702192323！ 需要说明：本文内容均取自无所不能的互联网上，期间也发现有些数据并不一致，但难于考证，只好以此为聊吧！ |
|
|
来自： ZHAOJINGZHOUA > 《欧盟-5》
