谱写新历史: 韩华的火箭发动机技术和泵技术将Nuri号火箭送入目标轨道

没有哪个行业像航天行业那样受发射成功与否的影响之深。
去年10月, 韩国Nuri号火箭(KSLV-II)未能实现将模拟实验卫星送入轨道的目标。但近日, 韩华与韩国航空技术人员终于书写了韩国航天历史的新篇章。6月21日, 经过改进技术, 将Nuri号成功送入目标轨道。参与该发射项目的韩华等300多家韩国企业也松了口气。本次发射成功, 证明了无论有多大的困难, 只要汇聚人才, 同心合力, 就没有达不成的目标。
Nuri号能够脱离地球重力成功进入太空, 可以归功于韩华设计制造的6台强大的发动机。在起飞的最初阶段由4台75吨的液体推进器提供推力, 随后在二级点火时利用另一台75吨发动机, 到了第三阶段使用了一个相对小容量的发动机。
三级推进系统将火箭从地球送入了600-800公里之外的目标轨道。在开发过程中, 因为每个阶段都有不同的挑战, 韩华从多方面思考摸索出了相应的解决方案。凭借原创技术和对太空技术创新的热忱, 为确保Nuri号在旅程的每个阶段都能安全进入目标高度和轨道, 韩华提供了优秀设备和必要的解决方案。
为旅程的每个阶段赋能
STAGE 01
重力: 超越无形的地球引力
Nuri号火箭的第一个任务是克服巨大的地球引力, 让300吨重的发射体从地面腾空而起。这需要在极短的时间内将巨大的动能传到火箭底部。为了向火箭升空提供动力, 在火箭底部, 安装了4台由韩华Aerospace制造的75吨级发动机。
为了让发动机精准输出大功率, 必须向发动机高速、定量输送大量的燃料。关键就在Nuri号内部。这里有另一项韩华的尖端技术, 确保向四台强大发动机稳定供应燃料。
火箭在发射过程中, 燃料要从推进剂箱送到发动机燃烧室。此时, 需要使用增压泵或涡轮泵。增压泵通过直接对液氧贮箱和燃料箱增压来输送燃料。但这种方法有一个问题, 燃料和推力需求越大, 要承受的压力也越大, 这意味着需要更强、更重的贮箱。但是, 发射火箭时, 仅增加几克重量都会影响整个发射过程。因此, Nuri号采用了韩华Aerospace提供的涡轮泵技术。该技术无需增加重量, 推进剂箱以最小的压力, 就能提供起飞所需的足够推力。

Nuri号的第一级推进器负责最艰巨的工作, 即让火箭离开地面升空。
火箭通过精准的燃烧得到每个阶段所需的推力。
涡轮泵的任务是将燃料(火箭的动力来源)和氧化剂(燃烧燃料的媒介), 以一定的压力输送给发动机。这好比人的心脏, 向身体各个部位供血一样, 向发动机供应燃料和氧化剂。在升空的时候, 75吨重的发动机每秒燃烧255公斤的燃料和氧化剂, 相当于一秒钟燃烧200升的燃料。
由于涡轮泵需要高速向燃烧室输送大量的燃料和氧化剂, 因此需要对涡轮泵的氧化剂泵和燃油泵分别施加100巴(约为海平面大气压的99倍)和120巴(约为海平面大气压的118倍)的压力。此时, 涡轮泵一方面要承受巨大的压力, 同时, 要最大限度地减少施加在氧化剂泵和燃油泵上的压力。
为脱离地球所产生的巨大推力反过来而会影响火箭, 所以在火箭内部要应用可控推力的复杂而精密的技术。得益于这些技术, 火箭可以迈出脱离地球升空的第一步。
STAGE 02
超低温: 承受极冷, 只为成功在准备升空时, 四台75吨的发动机会释放出3300摄氏度至3500摄氏度的高温燃烧气体。为了获得巨大推进力, Nuri号不仅要承受这样的高温, 准备最终起飞, 内部还携带有一些极低温的材料。

氧化剂将氧气和燃料混合, 使之燃烧。
火箭内部的氧化剂
Nuri号内部的氧化剂以极低温状态储存在发动机顶部的液氧贮箱里, 直到被涡轮泵推到燃烧室。氧化剂是混合燃烧氧气和燃料的物质, 通过燃烧获得的能量使火箭向空中升起。然而, 火箭离地球越远, 可获得的氧气也就越少。一旦进入太空, 几乎不存在任何氧气, 所以火箭必须从地球携带所需的所有氧气。但氧气体积大, 无法以气态携带, 所以为了储存氧气, 就给氧气加压, 以极低的温度使之变为液态。气态氧气在-183摄氏度的温度下从气态变成液态, 并储存在低温贮箱里。
氧化剂不仅在液氧贮箱内, 而且在燃烧之前流动的通道内, 都要保持极低温状态。因此, 氧化泵和其他发动机部件(如管道、阀门、泵等)都要确保在低温状态下正常运行。韩华 Aerospace在设计、制作时, 都保证所有部件在极低的温度之下也能将液氧准确无误地向发动机输送。
总而言之, Nuri号不仅要克服升空时的超高温, 而且也要为获得升空时的能量, 经受超低温。
STAGE 03
碰撞: 征服惯性以防止自我碰撞
采用三级推进系统的Nuri号, 在不同阶段释放出不同能量, 并在各自所设定的高度发力进入目标轨道。第一级从发射时的0公里持续到55公里, 第二级从59公里至243公里, 最后第三级从248公里到701公里, 包括Nuri号分离卫星体的瞬间。Nuri号在每个阶段完成其任务后都成功脱落推进器, 直至独自留在太空。
然而, 即使燃烧结束, 向上的巨大推力仍然存在。由于每枚火箭底部的推力比顶部高, 因此在分离时, 需要特殊的装置来防止碰撞, 确保每一级推进器都能安全返回地球, 而火箭顶部继续上升。

加速器和反推发动机协同工作, 确保每一级安全分离。
(株)韩华参与国产化开发的“反推发动机”和“加速器”是其中的核心部件。反推发动机抑制分离后的底部运动, 而加速器则为火箭的上层增加推进力。反推发动机在第一级和第二级推进器分离时使用8台, 在第二级和第三级分离时使用2台。在分离的第一阶段反推发动机大约每秒产生20吨推力, 将第一级推进器向相反的方向推离, 而加速器则往飞行的方向加速推至第二级。时间点稍有闪失, 都可能使不同的两级推进器碰撞或导致卫星偏离轨道。确保Nuri号在很短的飞行时间内, 安全分离, 使上下两端都能到达各自的目标非常重要。
携手共进, 更上一层楼
太空项目潜伏着各种风险, 不允许有任何偏差。无论是送人还是送卫星, 都需要绝对精准和卓越的技术来保障成功飞行。韩华与合作公司利用太空方面的专业知识和顶级技术, 帮助Nuri号冲出大气层, 进入目标轨道稳定飞行。随着本次火箭成功发射, 韩国终于跻身于国际航天前沿国家之列。韩华再度证明, 只有要坚定的意志和顶级技术就能造就辉煌成果。
*图片和视频资料来源: 韩国航空宇宙研究院(KARI)