本文翻譯轉(zhuǎn)載于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

太空探索一直是一個由精準(zhǔn)與創(chuàng)新驅(qū)動的前沿領(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)劑能無縫且高效地流向火箭發(fā)動機(jī)，從而產(chǎn)生掙脫地球引力所需的巨大推力。然而，設(shè)計渦輪泵面臨著特殊的挑戰(zhàn)。從減輕空化到應(yīng)對危險的轉(zhuǎn)速和壓力上升，這些組件必須經(jīng)過完美的工程設(shè)計，才能在極端的條件下運(yùn)行。

當(dāng)前，CFD 工具正在顯著推動渦輪機(jī)械設(shè)計和驗證流程的發(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)計和性能的突破。

Ariane 計劃與 Ariane 6 的多用途性

20 世紀(jì) 70 年代啟動的 Ariane 計劃，通過實現(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。該計劃由 Ariane 集團(tuán)管理，在過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)，通過提升效率和成本效益來延續(xù)優(yōu)勢，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)，以此在全球市場中保持著競爭力。

Ariane 6 的一個突出亮點(diǎn)是 Vinci 發(fā)動機(jī)，這是一款創(chuàng)新低溫發(fā)動機(jī)，由歐洲航天局項目下的歐洲合作伙伴協(xié)作研發(fā)。這款創(chuàng)新發(fā)動機(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，能實現(xiàn)最高 60bar 的壓力上升，同時產(chǎn)生約 3,600 千瓦的功率。該渦輪泵的設(shè)計包括一個用于高效處理低壓流體的誘導(dǎo)輪、兩個用于推進(jìn)劑壓縮的離心級，以及一個用于發(fā)電的亞音速軸流式渦輪。該渦輪泵的研發(fā)采用了大量測試和先進(jìn)的 CFD 模型，大幅減少了昂貴物理測試的需求。

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

Ariane 集團(tuán)與 NUMECA（現(xiàn)屬 Cadence）建立了長達(dá)數(shù)十年的合作關(guān)系，通過 CFD 優(yōu)化渦輪機(jī)械設(shè)計的各個階段。這一合作實現(xiàn)了具有成本效益的設(shè)計迭代，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 Vinci TPH 液壓組件的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行評估，省去了初步水工質(zhì)或模化試驗的環(huán)節(jié)。不過在 2000 年，評估凈正吸入壓力（NPSP，用于檢驗在低入口壓力下的運(yùn)行能力）的嘗試并不成功。于是，團(tuán)隊開展了水動力測試來分析 NPSP 和空化動力學(xué)。Vinci TPH 誘導(dǎo)輪的流場最初是通過 Fine Turbo 求解器（即如今的 Fidelity Flow 渦輪機(jī)械模板）進(jìn)行評估的。

階段 2：

空化建模

在接下來的幾年里，F(xiàn)idelity CFD 工具新增了一些功能，用于優(yōu)化對凈正吸入壓力（NPSP）和空化動力學(xué)的評估。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)的早期階段是無法實現(xiàn)的。在第二階段，F(xiàn)idelity CFD 被用于評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試的必要性，同時提高了設(shè)計精度。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)流動行為。

階段 3：

設(shè)計演進(jìn)

盡管在 21 世紀(jì)初 Vinci 的研發(fā)早期，部分設(shè)計就已通過了驗證，但某些組件仍需重新設(shè)計——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證和重新設(shè)計，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)計改進(jìn)順暢地整合到 Vinci 發(fā)動機(jī)中，無需進(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

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

降低成本：替代或減少物理測試，減少研發(fā)迭代次數(shù)。

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

加快鑒定流程：數(shù)值模擬或物理測試相輔相成，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，減少了對冗長測試的依賴。并且，它加速了下一代設(shè)計（如普羅米修斯渦輪泵）的研發(fā)進(jìn)程。

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

結(jié)語

Ariane 6 型太空發(fā)射器由 Vinci 發(fā)動機(jī)提供動力，并通過先進(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)。

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