火神之心——阿丽亚娜5火箭的液体发动机推力室

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阿丽亚娜5（Ariane 5）型运载火箭是欧洲航天局（ESA）的主力火箭，其最新型号起飞重量777吨，可把近11吨重的载荷送往地球同步转移轨道（GTO）。2023年4月14日，阿丽亚娜5火箭在法属圭亚那航天中心成功发射“木星冰月探测器”（JUICE），将对木星的卫星木卫二、木卫三、木卫四开展详细探测，因为这三颗卫星表面的冰层下可能存在海洋，是研究外星海洋和潜在外星生命的重要对象。此次发射的是倒数第二枚阿丽亚娜5火箭，预计六月份发射完最后一枚阿丽亚娜5之后，这型火箭将会退役，未来由阿丽亚娜6型火箭接替。

阿丽亚娜5火箭是一种两级半火箭，芯一级和芯二级各有一台液氢液氧发动机，并捆绑两枚固体助推器。德意志博物馆以解剖的形式展出了其芯一级所用的“火神”发动机（Vulcain，最新型号使用改进型Vulcain 2）喷注器和主燃烧室，就让我们来看一看，什么样的材料才能驱动“火神”澎湃的心跳。




“火神”发动机采用燃气发生器循环，部分液氢和液氧在燃气发生器内燃烧产生高温高压燃气，驱动涡轮泵，以每分钟数万转的转速将液氢和液氧加压到100多个大气压。除了少部分液氢、液氧进入燃气发生器外，液氢流经主燃烧室壁内的通道，起到冷却作用（被称为“再生冷却”），随后经喷注器注入主燃烧室（另有一小部分氢流经喷管内壁的冷却通道之后喷出，被称为“排放冷却”）；液氧则直接从喷注器进入主燃烧室。每秒两百多千克的液氢液氧混合燃烧，从喷管喷出，产生一百多吨的推力。


对于主燃烧室，材料上的挑战在于满足耐高温、高强度的性能要求，且要通过特殊工艺制作出供液氢流动的空心夹层。


看这金灿灿的颜色，没错，内壁材料是铜，具体来说是铜银锆合金，具有良好的导热性和高温强度。


通过旋压成形的方法，制造出铜制内壁。随后，在内壁的外表面铣削出供液氢流动的凹槽。外壁银白色的金属是镍。铜与镍复合的方法有两种，“火神”发动机采用的是电铸法。所谓电铸，就是电解沉积，使溶液中的金属阳离子还原沉积到基体表面，类似于传统的电镀，不过电铸的目的是获得大厚度的金属沉积层。


用导电蜡（在蜡中添加石墨粉、银粉等导电添加剂）填充铜基体上的凹槽，先电铸一层铜，封闭住冷却通道，随后再电铸数十毫米厚的镍（下图绿色的是镍的溶液）。电铸之后把蜡融化去除，就得到通道。这样的复合工艺能够保留铜内壁的加工硬化状态，获得较高的力学性能，但电铸镍外壁的性能较差，需要较大的厚度。


电铸获得的镍外壁经过机械加工，再与其他镍合金部件焊接。



另一种外壁与铜内壁复合的方法是钎焊法，即在铜内壁外表面和外壁（由耐热合金钢或者镍基高温合金制成）内表面镀上银、铜、镍、锰等金属作为钎料，加热使镀层之间发生相互扩散形成合金，从而实现内、外壁的结合，更进一步的发展是热等静压法（HIP），使内壁和外壁金属在高温高压下直接扩散结合。这样的工艺虽然使铜内壁发生退火软化，但由高强度合金制成的外壁保证了燃烧室的强度，且生产周期比电铸镍法更短。



喷注器是推力室的另一部件，负责把液氢、液氧注入主燃烧室，并实现两者的均匀混合。“火神”发动机的喷注器由铜合金和镍基高温合金制成。



主燃烧室内上百个大气压的高温气体在喷管内膨胀，加速到超音速喷出，产生推力。连接在主燃烧室末端的喷管延伸段也是推力室的重要组成部分，暴露在高温气流中的它同样需要解决耐热的问题。


“火神”发动机的喷管延伸段为螺旋管束式结构，由数百根方形镍合金管呈螺旋状排列、焊接而成，氢在其中流动，起到冷却作用（上图为HM7B液氢液氧发动机的喷管延伸段及螺旋管束切片，HM7B是阿丽亚娜4型火箭的第三级发动机和阿丽亚娜5型火箭的二级发动机）。

“火神-2”发动机的喷管延伸段前段为螺旋管束式，后段则采用更简单的高温合金单壁结构，使用一部分氢和燃气发生器的排气作为冷却气膜，简化生产工艺、减轻重量、降低冷却用氢的消耗。为了提高耐热能力，在喷管内壁还涂有热障涂层，外层为起隔热作用的氧化钇（Y2O3）稳定化氧化锆（ZrO2）陶瓷涂层，在陶瓷涂层与基体金属之间是缓冲二者热膨胀系数差异、阻止基体金属氧化的MCrAlY（M=Fe,Co,Ni）合金粘结层（上图为阿丽亚娜4型火箭第二级所用的VIKIN 4B“维京”火箭发动机，使用偏二甲肼/肼-四氧化二氮推进剂，喷管延伸段由钴基高温合金制成，内壁涂氧化锆热障涂层）。
“火神”系列发动机由法国航空工业巨头斯奈克玛（Snecma，现为Safran赛峰集团的一部分）作为研制的主承包商，主燃烧室由德国阿斯特里姆公司（Astrium，原为EADS欧洲宇航防务集团的子公司，也就是如今Airbus空客公司的一部分）设计制造，喷管延伸段由瑞典沃尔沃公司（Volvo）研制。欲知我国的液体火箭发动机研制情况如何，请看——

饮冰不凉热血——液体火箭发动机推力室

参考资料和素材来源：

德意志博物馆现场视频Manufacturing of combustion chamber of Vulcain-1 engine

Lars-Olof Winterfeldt, Björn Laumert, Robert Tano, Philippe James, Fabien Geneau, Roland Blasi and Gerald Hagemann. Redesign of the Vulcain 2 Nozzle Extension. 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2005.

丁兆波,孙纪国,路晓红.国外典型大推力氢氧发动机推力室技术方案综述.导弹与航天运载技术,2012(04):27-30+38.

丁新玲.液体火箭发动机制造技术发展现状.航天制造技术,2005(06):13-17.

周万盛.火箭发动机推力室钎焊技术的发展.航天工艺,1997(01):31-35.