下一代可重复使用液体火箭涡轮泵轴承研究综述 | CJME论文推荐
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液体火箭是航天领域最重要的运载工具，实现运载器的重复使用是降低航天发射成本的有效途径。美国商业航天公司Space X在2015年首次完成了猎鹰9号火箭第一级箭体的回收再使用，创造了人类航天史上的奇迹，在2018年完成了重型猎鹰火箭第一级箭体的回收，这些成功实践已在全球范围内掀起了可重复使用火箭涡轮泵的发展热潮。我国航天六院李斌副院长专门撰文探讨了我国发展可重复使用火箭需要重点关注的技术问题，指出滚动轴承等运动部件的摩擦磨损是制约火箭涡轮泵长时间、多次工作的关键环节。以新型轴承代替现役涡轮泵中易磨损的滚动轴承是研发下一代可重复使用火箭涡轮泵的核心技术，已得到中国航天部门、美国NASA、法国国家宇航局、日本、韩国等的高度重视，如法国国家宇航局公开的采用静压液膜轴承的TPX液氢涡轮泵验证机项目。我国应增强危机意识，密切跟踪并积极开展可重复使用火箭的相关研究。
液体火箭是航天领域最重要的运载工具，实现运载器的重复使用是降低航天发射成本的有效途径。美国商业航天公司Space X在2015年首次完成了猎鹰9号火箭第一级箭体的回收再使用，创造了人类航天史上的奇迹，在2018年完成了重型猎鹰火箭第一级箭体的回收，这些成功实践已在全球范围内掀起了可重复使用火箭涡轮泵的发展热潮。我国航天六院李斌副院长专门撰文探讨了我国发展可重复使用火箭需要重点关注的技术问题，指出滚动轴承等运动部件的摩擦磨损是制约火箭涡轮泵长时间、多次工作的关键环节。以新型轴承代替现役涡轮泵中易磨损的滚动轴承是研发下一代可重复使用火箭涡轮泵的核心技术，已得到中国航天部门、美国NASA、法国国家宇航局、日本、韩国等的高度重视，如法国国家宇航局公开的采用静压液膜轴承的TPX液氢涡轮泵验证机项目。我国应增强危机意识，密切跟踪并积极开展可重复使用火箭的相关研究。
本文为综述性论文，其中涉及到的课题组重要试验为超导磁液复合轴承高速试验验证，其具体的试验方法简述如下：
1）搭建如论文中图16的超导磁液复合轴承高速试验台。
2）进行复合轴承超导磁力单项测试以便和磁液复合测试结果比较分析，先将轴承间隙调整至最大100mm处，添加液氮充分冷却超导轴承瓦块，然后将轴承间隙调整为1mm（此间隙下液膜力无法生成），开启电主轴带动永磁体推力盘旋转，分别在1000、2000、3000、4000、5000、6000和10000rpm时停留30s左右的时间，测量各个转速下1mm间隙处的超导磁力。
3）进行磁液复合验证试验，将轴承间隙调整至0.1mm，开启电主轴并调节变频器，使永磁体推力盘分别在1000、2000、3000、4000、5000、6000和10000rpm时维持一段时间，由压力传感器获得轴承承载力数据。
4）比较两组试验结果，分析是否实现了磁液复合并计算出液膜力大小。
论文主要介绍了世界范围内新型轴承在火箭涡轮泵中的应用研究，也包括本课题组在此方面的相关研究。论文中代表性数据为超导磁液复合轴承液膜力数据值19.2N。复合轴承试验时最小轴承间隙为0.1mm，对应转速处的超导磁力要略大于第一组试验中1mm轴承间隙时的超导磁力。在6000rpm以前，两组试验的承载力曲线基本平行，表明液氮介质下的动压液膜力还未生成或不够明显。在10000rpm时，0.1mm轴承间隙时的承载力下降幅度较缓。从6000rpm处数值点做一条辅助线，将10000rpm时的承载力增加分成两部分：超导磁力因间隙变小而产生的增加量和液膜力大小，从而估算出10000rpm时液膜力大小约为19.2N。该数据表明本文提出的超导磁液复合轴承在原理和应用层面是可行的。在启动阶段，主要由超导磁力起作用。在6000rpm以上，动压液膜力才开始发生作用。在10000rpm和0.1mm间隙时，超导磁力约为液膜力的7倍，若在后续的应用过程中能提高加工能力使轴承间隙减小且将转速成倍提高，则液膜力会快速增加并超过超导磁力，最终液膜力将起到主要作用。
论文得到的结论主要有：
1）以新型长寿命高可靠性轴承代替现有的滚动轴承方案是发展下一代可重复使用火箭涡轮泵的核心技术。虽然近年来滚动轴承得到了一些改进，如研究者们提出的陶瓷球-PTFE保持架型滚动轴承，但由于转速指标与寿命指标相互制衡，滚动轴承已越来越难以满足未来重型、高速火箭涡轮泵的研发需求。
2）液膜轴承在火箭涡轮泵的应用研究已持续了三十多年，包括静压、动压和动静压型液膜轴承。它们具有优越的动力学性能，但是一旦在火箭涡轮泵启停阶段无法生成承载液膜，其磨损将比滚动轴承更加严重。解决启停阶段的摩擦磨损问题是液膜轴承应用于火箭涡轮泵的前提。
3）箔片轴承在火箭涡轮泵工况中的工作原理类似于动压液膜轴承，其箔片的变形能够根据不同的工况进行自适应调整，具有良好的动力学性能。美国NASA在实验室环境下成功进行了箔片轴承支撑下的液氢液氧涡轮泵高速试验验证，但在实验过程中出现了尺寸0.51mm左右的碎片。碎片来自启停过程中轴颈与箔片的磨损，这对火箭涡轮泵来说是一个巨大的隐患。
4）电磁轴承在火箭涡轮泵的应用需要解决低温工况的可靠运行问题。超导磁悬浮轴承虽然能够在静态条件下实现转子系统的悬浮并能充分利用火箭低温工况，但是其极低的刚度阻尼系数并不适用于火箭涡轮泵。
5）综述各种轴承的优缺点，本课题组提出了超导磁力与液膜力复合轴承，在涡轮泵启停阶段通过超导磁力实现无机械接触承载，在高速阶段通过液膜力保证承载的稳定性。该轴承方案已得到了试验验证。
6）综合研究现状，未来下一代可重复使用火箭涡轮泵的轴系支撑技术不适宜采用单一结构或原理的轴承，应充分汲取和回避现有轴承方案的优缺点，以结构或原理复合来解决复杂工况的应用要求才是可行的技术途径。
论文综述了国内外用新型轴承代替现役火箭涡轮泵中滚动轴承的研究进展，分析了各种替代轴承方案的优缺点，提出以结构或原理复合型轴承来适应火箭复杂工况的工程研究思路，为我国发展下一代可重复使用火箭涡轮泵的轴系支撑技术提供技术参考。
Jimin Xu, Changhuan Li, Xusheng Miao, et al. An Overview of Bearing Candidates for the Next Generation of Reusable Liquid Rocket Turbopumps. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2020, 33: 26.
[1] 李斌，张小平，高玉闪．我国可重复使用液体火箭发动机发展的思考[J]．火箭推进，2017，43（1）：1-7．
[2] J M Xu, X Y Yuan, C P Zhang, et al. Dynamic characteristics of high-Tc superconductor and hydrodynamic fluid-film bearing for rocket engine [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26 (3): 3600505 (5pp).
[2] A Degtyarev, A Kushnaryov, V Shulga, et al. Yuzhnoye’s new liquid rocket engines as enablers for space exploration [J]. Acta Astronautica, 2016, 127: 693-698.
[3] A D Lance. Falcon heavy [J]. Engineering, 2018, 4 (3): 300-300.
[4] P Fayolle, P A Lambert, P Gelain, et al. Major achievements reached through TPX LH2-turbopump demonstration program [C]. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, USA, San Diego, July 31-03 August, 2011: AIAA 2011-5786.
袁小阳（1963-），西安交通大学机械学院教授、博士生导师。1982年毕业于上海交通大学，1985年获西安交通大学硕士学位并留校任教，1994年获西安交通大学博士学位，1999年至2000年底在德国布伦瑞克大学访问研究，2001年晋升为西安交通大学教授。现任中国振动工程学会转子动力学分会副主任委员（第六、七、八、九届），中国振动工程学会第七届理事会理事，中国机械工程学会摩擦学分会测试技术专业委员会副主任委员，现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室学术委员会委员。2008年以来主持和参加了30多个项目，其中国家自然科学基金面上项目5项、重点项目1项，973子课题2项，863课题1项、协作课题1项，重大专项课题3项。项目内容涉及超导磁悬浮、机电系统现代设计及控制、润滑理论、轴承转子系统动力学等方面。获国家科技进步二等奖、教育部科技进步一等奖、国家教委科技进步一等奖、国家机电部科技进步一等奖、陕西省科技进步一等奖、陕西省自然科学优秀学术论文一等奖、西安交通大学优秀博士论文奖、第八届上银优秀机械博士论文指导教师奖等。
团队主要研究方向有超导磁悬浮、机电系统现代设计及控制、润滑理论、轴承转子系统动力学。
1）超导磁悬浮方面，特色在于提出并系统研究了磁液优势互补、启停磨损性能与高速振动稳定性综合较优的超导磁液复合轴承，服务于我国下一代可重复使用火箭涡轮泵，以解决现有火箭涡轮泵滚动轴承方案高转速与长寿命指标相互制约的困境。
2）机电系统现代设计及控制方面，特色在于为一系列重要的旋转机械构建了先进的轴承转子测试台，如核主泵轴承、高速电主轴、火箭涡轮泵轴承等测试台，具有自主设计测试系统的技术能力。
3）润滑理论方面，特色在于为重载、高速工况下的滑动轴承进行润滑性能优化设计，服务对象包括蒸汽轮机、高速电主轴、核主泵、火箭发动机等。
4）轴承转子系统动力学方面，特色在于滑动轴承转子系统的线性和非线性分析，并考虑密封元件激励、快变等因素。
[1] Jimin Xu, Zhi Li, Huohong Tang, Wenying Zheng, Xiaoyang Yuan. Significant influence of nonlinear friction torque on motion performance of tracking turntables[J]. Tribology International, 2019, 136:148-154.
[2] Jimin Xu, Cuiping Zhang, Jianlei Wang, Wei Wang. Experimental investigations of novel compound bearing of superconducting magnetic field and hydrodynamic fluid field [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2020, 30(1): 3600407 (7pp).
[3] Jin Yingze, Chen Fei, Zhang Fan, Yuan Xiaoyang. Nonlinear dynamic performance of tilting-pad journal bearing with adjustable elastic pivot design [J]. Tribology International, 2019, 136:533-547.
[4] Shi Zhaoyang, Jin Yingze, Yuan Xiaoyang. Influence of pivot design on nonlinear dynamic analysis of vertical and horizontal rotors in tilting pad journal bearings [J]. Tribology International, 2019, 140: 105859.
[5] Jimin Xu, Qian Jia, Fang Zhang, Xiaoyang Yuan, Cuiping Zhang. Fundamental tribological experiments and antifriction design of novel superconducting tilting-pad bearing for liquid rocket engine[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part J: Journal of Engineering Tribology, 2018, 232(5):582-591.
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