軟件工具包提升火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性

“火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定性問題是火箭研究工作的內(nèi)容之一，也是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的技術(shù)難題?！北Ａ_·格洛伊爾（Paul Gloyer）說。格洛伊爾是一名火箭專家，也是一家公司的聯(lián)合創(chuàng)始人。他的公司希望人類進(jìn)入太空的活動(dòng)能夠成為平常之舉，如同飛越大西洋一樣。格洛伊爾與美國國家航空航天局（NASA）密切合作，設(shè)計(jì)并測試了一套軟件工具包。這套軟件工具包采用一種新方法來預(yù)測燃燒的不穩(wěn)定性。該工具包將燃燒不穩(wěn)定性描述為壓力、振蕩和振動(dòng)，如果這些因素不斷累積，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸，“而且還是一種很糟糕的爆炸?！?/p>

燃燒不穩(wěn)定性是個(gè)大問題，馬特·卡西亞諾（Matt Casiano）也這么認(rèn)為?！斑@可能是設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)要面臨的最高風(fēng)險(xiǎn)之一。”卡西亞諾是馬歇爾航天飛行中心（Marshall Space Flight Center）的航空航天工程師，也是與格洛伊爾的公司——格洛伊爾-泰勒實(shí)驗(yàn)室有限責(zé)任公司（GTL）合作的團(tuán)隊(duì)的一員，該團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)研發(fā)測試工具包的一個(gè)組件。當(dāng)時(shí)，卡西亞諾參與了由美國空軍資助的一個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在開發(fā)幫助解決燃燒不穩(wěn)定性問題的工具。馬歇爾航天飛行中心的任務(wù)是仿真制造出某些可能出現(xiàn)故障的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。他回憶道，例如，“我們特意設(shè)計(jì)了引射器來觀察不穩(wěn)定性，這是一件非常困難的事情。” 發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部位還安裝了各種傳感器，這樣工程師就可以收集盡可能多的數(shù)據(jù)，了解發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)其上所發(fā)生的各種情況，特別是有關(guān)燃燒不穩(wěn)定時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種狀況。

美國空軍資助的燃燒室是工具包的絕佳試驗(yàn)臺(tái)，該工具包由一家總部位于田納西州塔拉霍馬（Tullahoma）的公司開發(fā)，當(dāng)時(shí)該工具包仍處于開發(fā)的早期階段?！霸摲治龉ぞ叩墓δ苤痪褪情_展計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的模擬，”卡西亞諾解 釋 道。CFD（Computational Fluid Dynamics）即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，利用計(jì)算機(jī)模擬液體和氣體在某一系統(tǒng)中流動(dòng)的過程。GTL能夠使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的后處理工具，對(duì)空軍資助的燃燒室進(jìn)行分析，或者說，能夠嘗試開展這項(xiàng)工作。“當(dāng)他們最初按照其代碼擬用方式來進(jìn)行仿真模擬時(shí)，發(fā)現(xiàn)這不是一件容易的事情，這個(gè)過程需要耗時(shí)數(shù)年，”卡西亞諾解釋道。他說，這是因?yàn)樾枰M的元件數(shù)量比過去多了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這就是理論模擬與真實(shí)火箭之間的普遍差異。“這是開發(fā)階段的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，” 但是，通過執(zhí)行一些新的算法加快處理進(jìn)程，“這個(gè)問題就能得以解決。”

美國國家航空航天局（NASA）對(duì)其航天發(fā)射系統(tǒng)（Space Lauch System）中的一臺(tái)助推器進(jìn)行了點(diǎn)火測試。這種助推器有朝一日可能會(huì)助推人類登上月球，以及到達(dá)更遠(yuǎn)的地方。設(shè)計(jì)新火箭時(shí)，最大的風(fēng)險(xiǎn)之一就是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的不穩(wěn)定性，此時(shí)多種振動(dòng)可能會(huì)發(fā)生共振并不斷放大，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆炸。歷史上，這些不穩(wěn)定性問題都是在后期測試中才發(fā)現(xiàn)的， 若在火箭設(shè)計(jì)階段就能盡早查出，問題解決起來就容易得多，成本也低得多

馬歇爾航天飛行中心還讓GTL測試了它的模擬數(shù)據(jù)分析工具（SimDAT） 。這種工具能夠?qū)栴}分解成多個(gè)物理機(jī)制，能讓設(shè)計(jì)工程師了解燃燒不穩(wěn)定的起因?？ㄎ鱽喼Z說，總的來說，“這不是在全面測試這種數(shù)據(jù)分析工具，而是在驗(yàn)證該工具的能力，驗(yàn)證其能夠向火箭設(shè)計(jì)工程師所提供的信息?！睆倪@個(gè)層面上講，這就是一種成功。他說，對(duì)于馬歇爾航天飛行中心來講，這也是一次有益的合作?！拔覀兇_實(shí)為他們工具的進(jìn)一步開發(fā)提供了幫助。我知道，他們大大地提高了我們?cè)O(shè)計(jì)的效率。”卡西亞諾指出。最后，他還說道：“我們始終尋求能力的提高，以確保我們?cè)诠ぷ髦心軌蚴褂米詈玫墓ぞ??！?/p>

格洛伊爾-泰勒實(shí)驗(yàn)室（GTL）開發(fā)了一套軟件工具包，該工具包能夠?qū)θ紵环€(wěn)定性的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析，計(jì)算能量的總體流量，進(jìn)而分層進(jìn)行聲學(xué)分析、渦度分析，以及熱熵能量分析。該公司獲得了NASA的多份小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）合同資助，用以對(duì)該軟件工具包進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試。上圖的圖像即是通過該工具包中一款名為“Resonance”的聲學(xué)子軟件繪制生成的

這次合作是通過簽訂一份小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）合同獲得資金的。這是NASA各中心及其他政府機(jī)構(gòu)向GTL授予的幾項(xiàng)合同之一，用以在過去10年內(nèi)幫助其開發(fā)通用燃燒裝置穩(wěn)定性（UCDS）程序和工具包。根據(jù)格洛伊爾的解釋，這項(xiàng)工作實(shí)際上早就開始了。當(dāng)時(shí)，NASA的一名前工程師、后來擔(dān)任田納西大學(xué)空間研究所教授的加里·弗蘭德羅（Gary Flandro），利用能量體系和流體力學(xué)方程，在理解燃燒不穩(wěn)定性方面取得了突破。

斯特拉迪瓦里小提琴是人盡皆知的業(yè)界最頂級(jí)的小提琴，但它們與較便宜的小提琴有什么區(qū)別呢？歸根到底就是其共振和聲學(xué)不同，而這些不同則來源于其材質(zhì)和形狀方面的細(xì)微差異。盡管格洛伊爾-泰勒實(shí)驗(yàn)室的工具包最初是為火箭而設(shè)計(jì)的，但樂器振動(dòng)的物理學(xué)機(jī)理與火箭一樣，該工具也將有助于揭開美妙聲音的奧秘

本質(zhì)上，燃燒不穩(wěn)定性就是一個(gè)共振問題。由于一個(gè)結(jié)構(gòu)件的形狀和其他特征，某些振動(dòng)頻率會(huì)在反饋回路中自我放大，并最終變得具有破壞性。想象一下，女高音唱出的高音有時(shí)也會(huì)震碎玻璃。但在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，回響的不僅僅是簡單的聲波，還有渦旋和熱熵能量等，它們之間以不同的、更加復(fù)雜的方式相互作用。格洛伊爾說，為了解決問題，人們往往試圖將問題簡化。但是，他指出，“當(dāng)你簡化問題時(shí)，你也基本上忽略了某些物理現(xiàn)象。”這樣，要么是結(jié)果不準(zhǔn)確，要么是結(jié)果不是特別有用，這就意味著幾乎無法提前確定一枚新火箭是否會(huì)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的問題，或者是隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)變得越來越普遍，工程師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)火箭有問題，卻不知道如何精確地查出問題根源。

“加里（Gary）發(fā)現(xiàn)了另一種完全不同的方法，他最終可以把所有的要素納入一個(gè)數(shù)學(xué)解之中?！备衤逡翣栒f。他的方法重點(diǎn)在于能量?！盎鸺l(fā)動(dòng)機(jī)釋放出巨大的能量，可達(dá)幾兆瓦至幾千兆瓦。正是能量讓整個(gè)火箭加速并升至太空中?！彼忉尩溃安贿^，即便只有1/10的能量進(jìn)入其中一種共振模式，它也能摧毀火箭?！盪CDS對(duì)所有進(jìn)入共振模式的能量源進(jìn)行了計(jì)算。這不僅包括簡單的聲學(xué)，還包括渦度、燃燒、熱效應(yīng)等?！爱?dāng)我們把它們結(jié)合起來，我們就能清楚地了解各種物理機(jī)制，”他說。“因?yàn)槲覀兛梢粤私馑羞@些要素之間是如何相互作用的，我們就能夠深入研究發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部情況，探究并準(zhǔn)確掌握其行為背后的機(jī)理?！?/p>

在NASA小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃的資助下，GTL得以開發(fā)了用于發(fā)動(dòng)機(jī)測試的軟件系統(tǒng)，并通過使用真實(shí)的火箭對(duì)其進(jìn)行測試，以檢驗(yàn)軟件的預(yù)測結(jié)果是否有效。根據(jù)雙方之間的早期協(xié)議，GTL采用其第一代軟件工具來分析“戰(zhàn)神”1號(hào)火箭的大型5段式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，該火箭因發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定的問題而一度被取消發(fā)射。“他們解決問題的方法屬于權(quán)宜之計(jì)，我們的解決之道是找出問題的根源并解決問題。我們能夠證明，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一丁點(diǎn)兒改動(dòng)，就能讓問題消失無蹤。”格洛伊爾回憶道，為此，ATK（現(xiàn)為諾斯羅普·格魯曼（Northrop Grumman）），作為當(dāng)時(shí)“戰(zhàn)神”火箭項(xiàng)目的主要承包商，給GTL發(fā)去了一封表揚(yáng)信。

在與蘭利研究中心（Langley Research Center）簽訂的另一份小企業(yè)創(chuàng)新研究合同中，GTL改進(jìn)了聲學(xué)分析儀Resonance。這份合同主要研究超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的亞音速和超音速氣流。GTL還簽訂了其他幾份合同，使其能夠繼續(xù)升級(jí)所有軟件系統(tǒng)（目前，第四代軟件工具即將完成），也使其能夠?qū)@些通過UCDS輔助設(shè)計(jì)出來的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)進(jìn)行點(diǎn)火測試。GTL還在格林研究中心（Glenn Research Center）對(duì)一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)的UCDS預(yù)測進(jìn)行了驗(yàn)證?！拔覀冋J(rèn)為在這種頻率下，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況?！备衤逡翣栒f，“他們回答說：‘你說得對(duì)，我們把該發(fā)動(dòng)機(jī)放到試驗(yàn)臺(tái)上，發(fā)動(dòng)機(jī)助推器就熔化了?！?/p>

格洛伊爾說，UCDS軟件能大大簡化設(shè)計(jì)過程，因此可以顯著降低火箭研制成本?！皬钠湓斐傻某杀境?、硬件損壞、測試及計(jì)劃撤銷等問題來看，燃燒不穩(wěn)定性問題所消耗的金錢，約占美國火箭開支的一半?！彼f。按照他的說法，通常工程師在設(shè)計(jì)階段的后期才發(fā)現(xiàn)問題，然后用試錯(cuò)法嘗試去解決燃燒不穩(wěn)定性的問題，這個(gè)糾錯(cuò)的過程耗資巨大。然而，利用UCDS軟件，工程師們就能夠在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的早期發(fā)現(xiàn)問題，并從一開始就設(shè)計(jì)出燃燒穩(wěn)定的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

2014年，GTL發(fā)布了Resonance軟件，以此作為一項(xiàng)獨(dú)立的項(xiàng)目，并向商業(yè)航天企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)出售了幾項(xiàng)許可證。此外，GTL還計(jì)劃在2019年春季發(fā)布完整的第四代UCDS軟件工具包，因?yàn)镚TL已經(jīng)花了很長的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行開發(fā)和驗(yàn)證。格洛伊爾說，盡管市場很小，但他看到了巨大的發(fā)展?jié)摿?，不僅僅是火箭設(shè)計(jì)，該軟件包還可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)甚至發(fā)電廠?！叭?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠基本上相當(dāng)于一個(gè)個(gè)巨型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) ，”格洛伊爾指出。他解釋說，為了降低排放，電廠需要盡可能提高運(yùn)行效率，但是，“電廠低能耗運(yùn)行的主要障礙就是燃燒不穩(wěn)定。當(dāng)你要研究這個(gè)問題時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)解決這些問題還是要回過頭去研究振蕩問題。”

他的團(tuán)隊(duì)也正致力于對(duì)軟件包進(jìn)行調(diào)整，以幫助設(shè)計(jì)出更好、更高效的內(nèi)燃機(jī)（如汽車內(nèi)燃機(jī)），甚至有可能將軟件用于其他類型的研究，例如，用于了解為何某些樂器能比其他樂器產(chǎn)生更強(qiáng)的共振?！翱傆幸惶?，我會(huì)用這個(gè)軟件來分析斯特拉迪瓦里小提琴，”格洛伊爾說道。