本文翻譯轉載于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

太空探索一直是一個由精準與創新驅動的前沿領域。在太空發射器的關鍵組件中，渦輪泵是其中之一，它確保了推進劑能無縫且高效地流向火箭發動機，從而產生掙脫地球引力所需的巨大推力。然而，設計渦輪泵面臨著特殊的挑戰。從減輕空化到應對危險的轉速和壓力上升，這些組件必須經過完美的工程設計，才能在極端的條件下運行。

當前，CFD 工具正在顯著推動渦輪機械設計和驗證流程的發展。本文章探討了先進 CFD 技術（如 Fidelity CFD）的作用，Ariane 集團將其用于 Ariane 6 型太空發射器中的 Vinci 氫氣渦輪泵，助力突破渦輪機械設計和性能的突破。

Ariane 計劃與 Ariane 6 的多用途性

20 世紀 70 年代啟動的 Ariane 計劃，通過實現獨立進入太空的能力，徹底改變了歐洲的太空探索格局。該計劃由 Ariane 集團管理，在過去的五十多年里已成功發射了數千顆衛星并執行了眾多任務。Ariane 6 旨在繼承這一傳統，通過提升效率和成本效益來延續優勢，其具備任務靈活性、降低的生產成本以及先進的技術等特點，以此在全球市場中保持著競爭力。

Ariane 6 的一個突出亮點是 Vinci 發動機，這是一款創新低溫發動機，由歐洲航天局項目下的歐洲合作伙伴協作研發。這款創新發動機以液氫和液氧為燃料，可在 130 千牛和 180 千牛兩種推力狀態下工作，并且具備可重復點火的能力，這使其適用于多次軌道插入的復雜任務。

此外，Vinci 氫氣渦輪泵是尖端工程的典范，其轉速約為 90,000 轉/分鐘，能實現最高 60bar 的壓力上升，同時產生約 3,600 千瓦的功率。該渦輪泵的設計包括一個用于高效處理低壓流體的誘導輪、兩個用于推進劑壓縮的離心級，以及一個用于發電的亞音速軸流式渦輪。該渦輪泵的研發采用了大量測試和先進的 CFD 模型，大幅減少了昂貴物理測試的需求。

借助 Fidelity CFD 的 Ariane 渦輪泵設計演進

Ariane 集團與 NUMECA（現屬 Cadence）建立了長達數十年的合作關系，通過 CFD 優化渦輪機械設計的各個階段。這一合作實現了具有成本效益的設計迭代，并確保模型滿足火箭推進系統的嚴苛要求。

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：

階段 1：

Vinci 渦輪泵研發

借助 Fidelity CFD 工具對 Vinci TPH 液壓組件的穩態性能進行評估，省去了初步水工質或模化試驗的環節。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行能力）的嘗試并不成功。于是，團隊開展了水動力測試來分析 NPSP 和空化動力學。Vinci TPH 誘導輪的流場最初是通過 Fine Turbo 求解器（即如今的 Fidelity Flow 渦輪機械模板）進行評估的。

階段 2：

空化建模

在接下來的幾年里，Fidelity CFD 工具新增了一些功能，用于優化對凈正吸入壓力（NPSP）和空化動力學的評估。這些新功能能夠分析穩態和非穩態性能，還能考慮熱效應，這在 Vinci 渦輪泵研發的早期階段是無法實現的。在第二階段，Fidelity CFD 被用于評估水中的凈正吸入壓力（NPSP）。

后續的渦輪泵研發，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），都受益于這些技術進步，不再需要進行誘導輪水試。這些研究成果減少了物理空化測試的必要性，同時提高了設計精度。憑借 Fidelity CFD 工具的這些先進功能，它被廣泛應用于各種流型分析，包括空化流以及渦輪中的超聲速/亞聲速流，能有效捕捉非穩態流動行為。

階段 3：

設計演進

盡管在 21 世紀初 Vinci 的研發早期，部分設計就已通過了驗證，但某些組件仍需重新設計——要么是為了提升性能，要么是因制造工藝取得了進步。

Fidelity CFD 工具助力組件的早期驗證和重新設計，既避免了高昂的失誤成本，又加快了研發的進度。例如，它能基于非穩態載荷，將設計改進順暢地整合到 Vinci 發動機中，無需進行大量預認證工作，最終使得 Vinci 渦輪泵在飛行模型 1 階段的表現達到了預期。

CFD 在渦輪機械中的優勢

CFD 為渦輪機械設計，尤其是太空探索領域的渦輪機械設計，帶來了無可比擬的優勢：

降低成本：替代或減少物理測試，減少研發迭代次數。

提高可靠性：CFD 確保了“一次就對”的性能表現，降低測試或任務期間的故障風險。

加快鑒定流程：數值模擬或物理測試相輔相成，加快組件和系統的鑒定階段進程。

為可持續太空探索鋪路

Cadence 與 Ariane 集團等航天領軍企業的合作，展現了可持續性太空探索的潛力。CFD 建模提高了推進系統的效率，減少了對冗長測試的依賴。并且，它加速了下一代設計（如普羅米修斯渦輪泵）的研發進程。

太空任務的要求必然會變得更加復雜。Ariane 集團融合計算精度與物理測試的混合工程文化，為可持續且高效的創新提供了藍圖。

結語

Ariane 6 型太空發射器由 Vinci 發動機提供動力，并通過先進的 CFD 技術進行優化，它代表了航天領域工程協作、創新和可持續性發展的巔峰。其設計不僅具備任務的靈活性，還讓我們有信心直面太空探索的挑戰。

對于航天工程師、CFD 分析師和太空愛好者而言，Ariane 集團與 Cadence 的合作，彰顯了技術與專業知識如何結合，從而塑造人類在星際間的未來。