鮮為人知的火箭噴管黑科技 不是你想像的那樣簡單

騰訊科技訊（喬輝）近日，國內商業航天企業藍箭航天宣布，公司自主研發的「天鵲」（TQ-12）80噸液氧甲烷發動機噴管夾層雷射焊接一次成功，首臺80噸發動機噴管順利下線。

據悉，使用該項技術，可使成本降低90%！帶著對這種黑科技的敬畏，我們採訪了藍箭航天CEO張昌武和藍箭航天高級工程師、推力室負責人袁宇。根據他們的介紹，我們把乾貨內容從科普層面進行了梳理和總結。

什麼是噴管？

太空梭發射時的三個尾噴管

火箭點火時那個噴出火焰的喇叭形的裝置，就是噴管。它是火箭發動機推力室的一個重要裝置。負責將推進劑燃燒產生的高溫、高壓燃氣的熱能轉化為動能。大家平時看到的「大喇叭」其實是它的後半部分，噴管的前半部是由大變小向中間收縮至一個窄喉，也就是倒著的「小喇叭」。

著名的火箭工程師馮o布勞恩和巨大的土星五號火箭尾噴管

窄喉之後又由小變大向外擴張至出口，也就是我們看到的「大喇叭」。箭體中的氣體受高壓流入噴嘴的前半部，穿過窄喉後由後半部噴出。這一結構可使氣流的速度因噴截面積的變化而變化，燃氣通過喉部後，在噴管中進一步的膨脹、加速，馬赫數從1增加至4左右，噴管出口處的燃氣噴射速度高達3500m/s以上，以獲得巨大的推力。由於它是瑞典人拉瓦爾發明的，因此這種「喇叭形」的噴管被稱為"拉瓦爾噴管"。可以說，噴管是火箭發動機比衝性能的保證。

反直覺的噴管現象

這裡有一個看似違反直覺的現象：玩過水管的朋友都知道，當你把水管用手捏扁的時候，水流會變細且能噴出去更遠。那麼這個尾噴管為什麼反而逐漸變粗呢？這樣的話速度不是會降低了嗎？簡單來講是這樣的，水流與火箭的燃氣不同。水流是不可壓縮的流體，而火箭燃燒產生的高壓燃氣在窄喉的兩側的壓強不同，溫度也不同。無論再大的壓強，燃氣在窄喉處的最大速度只能達到聲速，當燃氣越過窄喉後，在尾噴管處迅速膨脹降溫，把內能轉變為動能。因此，噴管在火箭的能量轉換過程中起著非常關鍵的作用。

噴管如何才能承受這麼高的溫度？

據悉，大推力液體火箭發動機在工作時，噴管需要承受燃氣劇烈的高溫加熱作用，燃氣溫度在1000至3000度之間，表面熱流密度從4至20MW/m2之間，與太陽表面的熱流密度接近。什麼材料才能承受如此高的溫度呢？科學家想出了更好的辦法，那就是使用推進劑來對噴管進行冷卻。我們知道液氫的溫度是零下253攝氏度，液氧的溫度是零下183攝氏度，現成的冷卻劑啊。

具體方式就是將噴管的結構做成夾層的，讓推進劑在進入燃燒室之前，先在夾層裡高速流動，帶走燃氣傳給噴管的熱量，保證噴管不被燒毀。燃氣傳給推進劑的熱量對推進劑進行了預熱，這部分熱量最後又被推進劑帶回了燃燒室，得到了再生，因此稱之為再生冷卻噴管，或主動冷卻噴管。

對於其他沒有用低溫燃料的火箭，使用的是噴管內加燒蝕層的方法，燒蝕層中的燒蝕材料會帶走火箭產生的高溫。

噴管的焊接工藝

對液體火箭發動機再生冷卻噴管，既要求其有足夠的結構強度、剛度，以承受軸向的推力、內部的液壓、強烈的震動；又要求其重量儘可能輕，以提高發動機推重比。同時，噴管的擴張型面精度還應與設計理論型面接近（如最大推力型面），以使燃氣以最優的方式膨脹，獲得最高的比衝。因此，再生冷卻夾層式噴管的製造，一直以來都是液體火箭發動機生產中的難題。

機器人雷射焊接設備

目前，在工程應用中，夾層式噴管結構，一般有波紋板式、銑槽式和管束式等三種。波紋板式夾層噴管是在噴管的內壁和外壁之間加入一圈一圈的波紋板，波紋板的「波峰」「波谷」分別於內外壁連接。這種噴管在我國的肼類燃料發動機上應用較多。

銑槽式噴管結構由噴管內壁和外壁組成，在鍾型的內壁上，以銑削的方式加工出幾百個沿軸向方向的凹槽，槽與槽之間保留的部分稱為「肋」。通過特殊的工藝，將幾百個肋與噴管外壁連接起來，形成幾百個封閉的流動通道的噴管夾層結構。

管束式噴管，按管子的排列形式來分，可以分為直列式和螺旋式。直列管束噴管曾在美國的液體火箭發動機上得到廣泛應用，著名的「土星5號」登月火箭的F-1發動機就是直列管束式再生冷卻噴管。

螺旋管束噴管，是採用數百根方形等截面的高溫合金薄壁管（管壁僅有0.3mm）通過改變螺旋升角的方式拼成，採用手工氬弧焊或機器人將管子與管子的拼接縫焊接在一起。這種噴管具有質量輕、剛性好、使用壽命長等優點。目前主要應用在液氧液氫發動機上。

藍箭成功突破雷射焊接夾層噴管技術

據了解，雷射焊接夾層噴管技術為國內首創，並已經申報了專利。在此之前，國內尚無該技術的研究基礎，國際上也無相關型號的成熟產品。此項新技術實現了大型噴管機器人全自動雷射焊接，可大幅度降低噴管制造成本，縮短製造周期，提高產品質量，便於實現產品批量化製造。

「天鵲」（TQ-12）80噸發動機噴管直徑1m以上，焊接用時僅2天，隨著後續工藝的進一步成熟，具有壓縮至10小時以內的潛力，相比傳統的噴管制造工藝，製造周期和成本僅為螺旋管束噴管的1/10左右。

藍箭航天創始人、CEO張昌武表示，「天鵲」（TQ-12）80噸液氧甲烷發動機噴管順利下線，表明了藍箭的自主創新取得了重大成果，核心技術填補了國內空白，不僅極大縮短了「天鵲」發動機的研製周期，降低了成本，還證明了公司堅持核心技術自主可控的決心，也為航天製造工藝的多樣性進行了一次有力的探索。