21吨燃料1秒钟变气体，还要10倍超音速喷出来，人类真的能做到？

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文 | 南柯归洵

编辑 | 南柯归洵

前言

涡轮泵，也称为立式涡轮泵，是用于将液体(通常是水)从一个地方输送到另一个地方的重要机器，这些泵的工作原理是通过叶轮或叶片的旋转将机械能转化为流体动能。

涡轮泵的发明是推进和流体动力学领域的一项巨大成就，涡轮泵是一种复杂的设备，通过在高压下将推进剂有效地输送到燃烧室，在现代火箭发动机和其他推进系统中起着关键作用，那么它是如何发明的呢？

制作过程

制造涡轮泵的过程包括几个复杂的步骤，从设计和材料选择到制造和组装，制造涡轮泵的过程始于精心的设计和工程，这一阶段至关重要，因为它为整个制造过程奠定了基础。

工程师密切合作设计泵的部件，考虑泵的容量、扬程要求、效率和被泵送流体的特性等因素，现代计算机辅助设计(CAD)软件经常被用来创建泵的叶轮、碗、轴和其他基本部件的详细3D模型。

设计阶段还包括为泵的部件选择合适的材料，选择的材料必须耐腐蚀、耐用，并且能够承受操作过程中施加的压力和作用力，不锈钢、青铜和其他合金因其机械性能和耐腐蚀性而被广泛使用。

一旦设计完成，材料选定，制造过程就开始了，涡轮泵的每个部件都是使用专门的加工和制造技术单独制造的，叶轮和碗是涡轮泵的关键部件，负责流体运动。

叶轮是将能量传递给流体的旋转叶片，而转鼓是引导流体流动的固定外壳，这些部件通常使用精密铸造技术制造，例如熔模铸造，其产生高度精确和复杂的形状。

轴是将叶轮连接到泵的驱动器(通常是电机)的另一个重要部件，轴通常由不锈钢棒或锻件加工而成，以确保强度和耐用性，支撑旋转部件的轴承通常由高质量材料制成，可提供平稳运行并最大限度地减少摩擦。

电机和驱动组件对于将电能转化为驱动泵的机械能至关重要，这些部件在装配阶段集成到泵系统中，确保电机和泵驱动轴之间的正确对准和耦合。

装配涡轮泵是一个复杂的过程，需要精度和对细节的关注，每个部件，从叶轮和转鼓到电机和驱动组件，都必须根据设计规范仔细组装。

组装过程包括在转鼓内对准叶轮，将轴连接到电机，并确保所有部件都牢固固定，组装后，泵经过严格的测试，以确保其性能符合设计规范。

液压测试包括用水运行泵，以验证流速、扬程和效率，通过调整或修改来解决与预期性能的任何偏差，一旦涡轮泵被制造、组装和测试，它就准备好安装在其预定位置。

安装包括将泵放置在井、储层或其他流体源内的指定位置，正确安装对于确保泵的最佳性能和使用寿命至关重要，调试泵包括在实际运行条件下测试其运行，并进行任何必要的调整以微调其性能。

涡轮泵的生命周期超出了最初的制造和安装，定期维护和保养对于确保泵的持续可靠性和效率至关重要，维护任务可能包括检查和润滑轴承，检查泄漏，更换磨损或损坏的部件。

如果出现故障或失灵，专业技术人员可以诊断问题并进行维修或更换，先进的维护技术，如状态监控系统和预测性维护技术，有助于在潜在问题升级为重大问题之前发现它们。

制造涡轮泵的过程是一个全面的旅程，包括设计、工程、制造、装配、测试、安装和日常维护，涡轮泵在从农业灌溉到市政供水系统和工业过程的各种应用中输送液体方面起着至关重要的作用。

涡轮泵的复杂设计需要对流体动力学、材料科学和机械工程原理有深刻的理解，现代制造技术，如精密铸造和计算机辅助设计，能够制造出性能高效可靠的复杂部件。

严格的测试和质量控制措施确保每台泵都符合设计规格，并可随时进行安装和调试，随着技术的不断进步，制造涡轮泵的过程可能会结合更复杂的设计工具、制造技术和维护策略。

这些创新将有助于提高涡轮泵的效率、可靠性和整体性能，满足不同行业不断增长的流体输送需求。

发明原理

涡轮泵的发展历程充满了科学独创性、工程挑战和各学科的融合，涡轮泵的起源可以追溯到19世纪，当时工程师和科学家们开始探索使用旋转机械来提高流体流量和压力的概念。

约翰·埃里克森(John Ericsson)等工程师在19世纪中期发明了离心泵，他们的工作为理解流体动力学原理和旋转叶轮移动液体的潜力奠定了基础。

20世纪初见证了飞机推进和内燃机的进步，激发了人们对燃油喷射用高压泵开发的兴趣，像现代火箭之父罗伯特·戈达德这样的创新者认识到需要高效的泵将推进剂输送到火箭发动机的燃烧室。

涡轮泵的实现之旅在20世纪中期获得了巨大的动力，全球的工程师和科学家做出了显著的贡献，苏联工程师谢尔盖·科洛列夫是苏联太空计划的关键人物，他在推进涡轮泵技术方面发挥了至关重要的作用。

在20世纪30年代，科洛列夫带领一个工程师团队设计了第一台液体燃料火箭发动机，带有涡轮泵驱动的推进剂供给系统。

这种发动机被命名为RD-1，具有一个涡轮泵，使用火箭发动机的燃烧气体驱动泵的涡轮，然后为推进剂泵提供动力，这一巧妙的设计标志着火箭推进技术的重大飞跃，因为它提供了一种在高压下输送推进剂的自持方法。

在美国，西奥多·冯·卡门和他在Aerojet的团队也是涡轮泵技术的先驱，在20世纪40年代，Aerojet开发了Aerobee火箭发动机，它使用涡轮泵将推进剂输送到燃烧室。

这标志着美国首次使用涡轮泵驱动的发动机，并为该领域的进一步发展奠定了基础，涡轮泵基于离心和轴向流动的原理运行，在离心泵中，叶轮快速旋转，将动能传递给流体。

当流体流向泵的出口时，这种动能转化为压力，另一方面，轴流泵使用旋转叶片引导流体平行于泵轴，产生轴向和径向力，涡轮泵设计有多级，以有效地增加压力和流量。

在火箭发动机中，涡轮泵在以高压和高流速向燃烧室输送液体推进剂(如液氢和液氧)方面起着至关重要的作用，这对于获得太空探索所需的推力至关重要。

涡轮泵设计的关键创新之一是使用涡轮来驱动泵的叶轮，在火箭发动机中，来自燃烧室的燃烧气体被转移来驱动涡轮，这创造了一个自我维持的系统，其中火箭自身燃烧过程产生的能量为涡轮泵提供动力。

涡轮泵的发明和改进对空间探索和火箭推进系统的进步产生了革命性的影响，在冷战时期，美国和苏联在太空竞赛中激烈竞争，两国都在努力开发能够将航天器送入轨道甚至更远的强大火箭发动机。

谢尔盖科洛列夫在涡轮泵驱动发动机方面的开创性工作导致了苏联R-7火箭的发展，该火箭于1957年将世界上第一颗人造卫星Sputnik送入太空。

类似地，美国在发动机中使用涡轮泵技术，如F-1，它在阿波罗计划中为土星五号火箭提供动力，将宇航员带到月球，涡轮泵背后的原理和技术继续塑造着现代火箭发动机的设计。

当代火箭，如SpaceX公司开发的猎鹰9号，利用涡轮泵驱动的发动机有效地输送推进剂，并实现将有效载荷发射到轨道所需的高推力。

涡轮泵的效率和可靠性使其成为火箭推进系统的基石，能够开发可重复使用的火箭，并为雄心勃勃的火星、月球和其他任务铺平了道路，涡轮泵的发明证明了人类的聪明才智和对进步的不懈追求。

从植根于流体动力学的早期概念到为现代火箭发动机提供动力的革命性设计，涡轮泵将人类推向了太空探索的新高度，像谢尔盖·科洛列夫和西奥多·冯·卡门这样的创新者认识到涡轮泵技术革新推进系统的潜力，从而永远改变了历史的进程。

当我们凝视宇宙，展望太空探索的未来时，涡轮泵仍然是人类成就的象征，是科学理论和实际应用之间的桥梁，是创新的灯塔，继续推动我们走向发现的前沿。

创新技术

在推进系统领域，涡轮泵是驱动火箭发动机和推动人类超越地球界限的技术奇迹，涡轮泵技术的发展以不懈的创新为标志，推动了效率、可靠性和性能的极限。

随着太空探索的发展和对更大推力和多功能性的需求增加，工程师和科学家们继续开发创新技术，以增强涡轮泵的设计和操作，增材制造，通常称为3D打印，通过创造具有复杂几何形状的复杂部件，使航空航天业发生了革命性的变化。

这些部件以前是通过传统制造方法无法实现的，就涡轮泵而言，增材制造提供了制造叶轮、涡轮叶片和其他具有优化形状的部件的可能性，以改善流体流动和性能。

添加制造允许制造轻质和复杂的结构，提高涡轮泵的整体效率，同时减少重量和材料浪费，这一创新在太空探索的背景下尤为重要，因为每一盎司的有效载荷质量都很重要。

先进材料的集成进一步提高了涡轮泵的性能和耐用性，高温合金、碳复合材料和陶瓷基复合材料等材料具有高强度、耐热性和耐腐蚀性，这些是在极端条件下工作的部件的基本特性。

这些先进材料有助于延长涡轮泵的寿命，减少维护需求，并使涡轮泵能够承受太空旅行的严格要求，从发射到轨道运行，涡轮泵在极端温度的环境中运行，特别是在火箭发动机的燃烧室中。

为了确保经受高热的部件的完整性，正在开发主动冷却系统，液体冷却有助于散热和防止热降解，其中冷却液通过部件中的通道循环。

主动冷却系统不仅延长了涡轮泵部件的寿命，还提高了整个系统的可靠性，允许在漫长的空间任务中保持性能，物联网(IoT)和传感器技术的出现为提高涡轮泵的性能和可靠性开辟了新的途径。

配备传感器的集成健康监控系统可以连续监控温度、压力、振动和流体流量等参数，这些实时数据使工程师能够在异常和潜在问题升级为重大问题之前发现它们。

由高级数据分析和人工智能驱动的预测性维护策略确保涡轮泵保持最佳状态，减少停机时间，提高任务成功率，传统的涡轮泵依赖于机械轴承，随着时间的推移，机械轴承会经历磨损和摩擦。

电磁轴承是一项突破性技术，它提供无摩擦旋转，消除了运动部件之间的物理接触，电磁轴承不仅能减少磨损，还能提高转速，从而提高泵的效率和整体系统性能。

驱动和控制系统的创新提高了涡轮泵的精度和响应能力，先进的致动技术，如压电和电动静液压致动器，对叶轮旋转和流体流动提供更精细的控制。

这些技术允许实时动态调整，根据不断变化的条件优化性能，在太空探索中，像液氢和液氧这样的低温推进剂由于其高能量含量而被普遍使用，然而，处理低温流体提出了独特的挑战，包括绝缘要求，蒸发和温度管理。

低温流体管理技术的创新确保涡轮泵能够有效地处理和输送低温推进剂，同时最大限度地减少浪费并保持所需的温度，随着航天机构、私营公司和研究机构合作推进推进技术的发展，涡轮泵创新的未来充满希望。

像核热推进这样的概念，涉及使用核反应堆来加热推进剂并产生推力，正在被探索作为传统化学推进系统的潜在替代品，核热推进与先进涡轮泵技术的结合可能会导致空间探索的突破性进展。

此外，商业航天业的增长刺激了竞争和投资，推动了涡轮泵设计和制造的加速创新，随着越来越多的公司进入航天领域，涡轮泵技术的各种方法正在出现，进一步推动了进展。

创新技术正在将涡轮泵从传统组件转变为尖端的推进系统，为太空探索提供动力，并使前往遥远星球甚至更远的旅程成为可能。

增材制造、先进材料、主动冷却、传感器集成、电磁轴承和低温流体管理只是塑造涡轮泵未来的开创性进步的几个例子，随着我们探索宇宙的更深处，并努力在太空探索中取得前所未有的成就，涡轮泵创新是实现这些雄心壮志的关键。

科学、工程和想象力的交汇继续推动着涡轮泵的发展，推动着可能性的边界，推动人类走向知识、发现和冒险的新领域。

参考文献

【1】《涡轮战略：快速引爆利润成就企业蜕变》博恩·崔西机械工业出版社2014年9月

【2】《涡轮战略》博恩·崔西华艺出版社2004年12月1

【3】《高效节能发动机文集（第五分册）：涡轮设计和试验》航空工业出版社1991年12月