本文翻譯轉(zhuǎn)載于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

太空探索一直是一個(gè)由精準(zhǔn)與創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的前沿領(lǐng)域。在太空發(fā)射器的關(guān)鍵組件中，渦輪泵是其中之一，它確保了推進(jìn)劑能無(wú)縫且高效地流向火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，從而產(chǎn)生掙脫地球引力所需的巨大推力。然而，設(shè)計(jì)渦輪泵面臨著特殊的挑戰(zhàn)。從減輕空化到應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)的轉(zhuǎn)速和壓力上升，這些組件必須經(jīng)過(guò)完美的工程設(shè)計(jì)，才能在極端的條件下運(yùn)行。

當(dāng)前，CFD 工具正在顯著推動(dòng)渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程的發(fā)展。本文章探討了先進(jìn) CFD 技術(shù)（如 Fidelity CFD）的作用，Ariane 集團(tuán)將其用于 Ariane 6 型太空發(fā)射器中的 Vinci 氫氣渦輪泵，助力突破渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)和性能的突破。

Ariane 計(jì)劃與 Ariane 6 的多用途性

20 世紀(jì) 70 年代啟動(dòng)的 Ariane 計(jì)劃，通過(guò)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立進(jìn)入太空的能力，徹底改變了歐洲的太空探索格局。該計(jì)劃由 Ariane 集團(tuán)管理，在過(guò)去的五十多年里已成功發(fā)射了數(shù)千顆衛(wèi)星并執(zhí)行了眾多任務(wù)。Ariane 6 旨在繼承這一傳統(tǒng)，通過(guò)提升效率和成本效益來(lái)延續(xù)優(yōu)勢(shì)，其具備任務(wù)靈活性、降低的生產(chǎn)成本以及先進(jìn)的技術(shù)等特點(diǎn)，以此在全球市場(chǎng)中保持著競(jìng)爭(zhēng)力。

Ariane 6 的一個(gè)突出亮點(diǎn)是 Vinci 發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一款創(chuàng)新低溫發(fā)動(dòng)機(jī)，由歐洲航天局項(xiàng)目下的歐洲合作伙伴協(xié)作研發(fā)。這款創(chuàng)新發(fā)動(dòng)機(jī)以液氫和液氧為燃料，可在 130 千牛和 180 千牛兩種推力狀態(tài)下工作，并且具備可重復(fù)點(diǎn)火的能力，這使其適用于多次軌道插入的復(fù)雜任務(wù)。

此外，Vinci 氫氣渦輪泵是尖端工程的典范，其轉(zhuǎn)速約為 90,000 轉(zhuǎn)/分鐘，能實(shí)現(xiàn)最高 60bar 的壓力上升，同時(shí)產(chǎn)生約 3,600 千瓦的功率。該渦輪泵的設(shè)計(jì)包括一個(gè)用于高效處理低壓流體的誘導(dǎo)輪、兩個(gè)用于推進(jìn)劑壓縮的離心級(jí)，以及一個(gè)用于發(fā)電的亞音速軸流式渦輪。該渦輪泵的研發(fā)采用了大量測(cè)試和先進(jìn)的 CFD 模型，大幅減少了昂貴物理測(cè)試的需求。

借助 Fidelity CFD 的 Ariane 渦輪泵設(shè)計(jì)演進(jìn)

Ariane 集團(tuán)與 NUMECA（現(xiàn)屬 Cadence）建立了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的合作關(guān)系，通過(guò) CFD 優(yōu)化渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。這一合作實(shí)現(xiàn)了具有成本效益的設(shè)計(jì)迭代，并確保模型滿足火箭推進(jìn)系統(tǒng)的嚴(yán)苛要求。

下面介紹了 Fidelity CFD 工具如何在三個(gè)不同階段改變 Vinci 渦輪泵的研發(fā)：

階段 1：

Vinci 渦輪泵研發(fā)

借助 Fidelity CFD 工具對(duì) Vinci TPH 液壓組件的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)估，省去了初步水工質(zhì)或?；囼?yàn)的環(huán)節(jié)。不過(guò)在 2000 年，評(píng)估凈正吸入壓力（NPSP，用于檢驗(yàn)在低入口壓力下的運(yùn)行能力）的嘗試并不成功。于是，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了水動(dòng)力測(cè)試來(lái)分析 NPSP 和空化動(dòng)力學(xué)。Vinci TPH 誘導(dǎo)輪的流場(chǎng)最初是通過(guò) Fine Turbo 求解器（即如今的 Fidelity Flow 渦輪機(jī)械模板）進(jìn)行評(píng)估的。

階段 2：

空化建模

在接下來(lái)的幾年里，F(xiàn)idelity CFD 工具新增了一些功能，用于優(yōu)化對(duì)凈正吸入壓力（NPSP）和空化動(dòng)力學(xué)的評(píng)估。這些新功能能夠分析穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)性能，還能考慮熱效應(yīng)，這在 Vinci 渦輪泵研發(fā)的早期階段是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在第二階段，F(xiàn)idelity CFD 被用于評(píng)估水中的凈正吸入壓力（NPSP）。

后續(xù)的渦輪泵研發(fā)，例如 2007 年至 2010 年的 TPX（新一代 Vulicain 渦輪泵）以及 2022 年的普羅米修斯（以液氧/甲烷為燃料），都受益于這些技術(shù)進(jìn)步，不再需要進(jìn)行誘導(dǎo)輪水試。這些研究成果減少了物理空化測(cè)試的必要性，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)精度。憑借 Fidelity CFD 工具的這些先進(jìn)功能，它被廣泛應(yīng)用于各種流型分析，包括空化流以及渦輪中的超聲速/亞聲速流，能有效捕捉非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)行為。

階段 3：

設(shè)計(jì)演進(jìn)

盡管在 21 世紀(jì)初 Vinci 的研發(fā)早期，部分設(shè)計(jì)就已通過(guò)了驗(yàn)證，但某些組件仍需重新設(shè)計(jì)——要么是為了提升性能，要么是因制造工藝取得了進(jìn)步。

Fidelity CFD 工具助力組件的早期驗(yàn)證和重新設(shè)計(jì)，既避免了高昂的失誤成本，又加快了研發(fā)的進(jìn)度。例如，它能基于非穩(wěn)態(tài)載荷，將設(shè)計(jì)改進(jìn)順暢地整合到 Vinci 發(fā)動(dòng)機(jī)中，無(wú)需進(jìn)行大量預(yù)認(rèn)證工作，最終使得 Vinci 渦輪泵在飛行模型 1 階段的表現(xiàn)達(dá)到了預(yù)期。

CFD 在渦輪機(jī)械中的優(yōu)勢(shì)

CFD 為渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)，尤其是太空探索領(lǐng)域的渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)，帶來(lái)了無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：

降低成本：替代或減少物理測(cè)試，減少研發(fā)迭代次數(shù)。

提高可靠性：CFD 確保了“一次就對(duì)”的性能表現(xiàn)，降低測(cè)試或任務(wù)期間的故障風(fēng)險(xiǎn)。

加快鑒定流程：數(shù)值模擬或物理測(cè)試相輔相成，加快組件和系統(tǒng)的鑒定階段進(jìn)程。

為可持續(xù)太空探索鋪路

Cadence 與 Ariane 集團(tuán)等航天領(lǐng)軍企業(yè)的合作，展現(xiàn)了可持續(xù)性太空探索的潛力。CFD 建模提高了推進(jìn)系統(tǒng)的效率，減少了對(duì)冗長(zhǎng)測(cè)試的依賴。并且，它加速了下一代設(shè)計(jì)（如普羅米修斯渦輪泵）的研發(fā)進(jìn)程。

太空任務(wù)的要求必然會(huì)變得更加復(fù)雜。Ariane 集團(tuán)融合計(jì)算精度與物理測(cè)試的混合工程文化，為可持續(xù)且高效的創(chuàng)新提供了藍(lán)圖。

結(jié)語(yǔ)

Ariane 6 型太空發(fā)射器由 Vinci 發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，并通過(guò)先進(jìn)的 CFD 技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，它代表了航天領(lǐng)域工程協(xié)作、創(chuàng)新和可持續(xù)性發(fā)展的巔峰。其設(shè)計(jì)不僅具備任務(wù)的靈活性，還讓我們有信心直面太空探索的挑戰(zhàn)。

對(duì)于航天工程師、CFD 分析師和太空愛(ài)好者而言，Ariane 集團(tuán)與 Cadence 的合作，彰顯了技術(shù)與專業(yè)知識(shí)如何結(jié)合，從而塑造人類在星際間的未來(lái)。