在航天领域中，可重复使用的液体火箭被视为降低发射成本的关键途径。

然而，这一目标的实现很大程度上取决于轴承部件的寿命和可靠性。

传统火箭涡轮泵中使用的滚动轴承，由于其机械接触工作模式，面临着严峻的局限性。

高速运转与长寿命之间的矛盾，制约了火箭技术的进一步发展。

世界各航天大国已经开始探索替代传统滚动轴承的新型轴承，包括流体膜轴承、箔片轴承和磁轴承等。

这场关乎火箭未来的轴承革命，将如何突破现有技术瓶颈，实现更高速度、更长寿命的飞跃？

本文将带您探索这一航天技术的前沿发展。

轴承：火箭的生命线

火箭发射是人类探索太空的主要手段，而液体火箭因其可控性和高效性在航天领域占据重要地位。

但随着发射频率增加，火箭发射成本问题越发突出。

世界各航天大国都认识到：可重复使用的火箭是降低发射成本的关键途径。

2015年，美国太空探索技术公司（SpaceX）成功回收并重复使用了＂猎鹰9号＂火箭的第一级，掀起了全球可重复使用火箭的发展热潮。

2018年初，SpaceX成功发射＂重型猎鹰＂火箭并同时回收了两个助推器，创造了火箭多助推器同时回收的历史记录。

然而，火箭的回收并不意味着能够立即重复使用。

＂猎鹰＂系列火箭在重复使用前仍需进行彻底检修，这主要是由于液体火箭涡轮泵的结构特性所决定的。

中国航天推进技术研究院的副院长指出，轴承是开发真正可重复使用液体火箭涡轮泵的最重要组件。

涡轮泵系统是液体火箭的核心，用于将燃料和氧化剂加压。

它由多个旋转部件组成，包括轴承、密封件、平衡盘、叶轮和导轮等。

由于重量要求低，涡轮泵系统通常设计在技术极限附近。

目前，所有投入使用的液体火箭涡轮泵都采用滚动轴承来支撑高速转子。

这类轴承通过点接触或线接触的机械方式传递外部负载，这会导致严重的应力集中现象。

以日本LE-7火箭涡轮泵的轴承为例，内外滚道的最大接触应力分别达到了约1.54 GPa和1.63 GPa。

此外，由于液氧（LO₂）和液氢（LH₂）的超低粘度，滚子和滚道处于混合摩擦状态，而非弹性流体润滑状态。

这导致轴承磨损明显，且随着转速增加，磨损程度显著加剧。

然而，为了开发未来的重型火箭，提高涡轮泵的转速以加快燃料和氧化剂的供应速率是关键指标。

研究人员使用DN值极限来衡量滚动轴承的工作能力，这一指数是轴承孔径D（mm）与转速N（r/min）的乘积。

在当前轴承材料技术下，滚动轴承的DN极限低于3×10⁶ mm·r/min。

根据统计分析，滚动轴承在润滑不良条件下的主要失效模式是磨损而非疲劳。

如果超过DN极限，润滑会显著恶化，伴随的过热和机械磨损甚至可能导致轴承突然失效。

在火箭涡轮泵中，滚动轴承的另一常见失效模式是滚子和保持架因冲击载荷而破裂。

特别是在启动阶段，载荷的突然增加容易导致轴承出现此类故障。

从零加速到工作速度（通常为10000-60000 r/min）仅需几秒钟，叶轮力迅速增加。

因此，除了磨损失效外，工作速度的提高也会加剧断裂失效的概率。

涡轮泵功率提升与滚动轴承寿命限制之间存在严重冲突，这制约了未来先进火箭发动机的发展。

滚动轴承的可靠性和使用寿命对整个火箭至关重要。

轴承必须在实际服务前经过严格的实验考核。

相比于静态点火试验（即在地面实验平台上对涡轮泵系统进行点火试验），在实验室环境中进行评估试验更为经济。

许多研究团队开发了专门用于测试液氧涡轮泵滚动轴承的实验装置，使用液氮模拟液氧的低温和低粘度特性。

这些设备的驱动涡轮可实现50000 r/min的最大转速，并能向测试轴承施加轴向和径向载荷。

这些装置是研究涡轮泵滚动轴承启动特性和疲劳寿命的重要工具。

作为一种有着悠久历史的成熟工业产品，滚动轴承已经证明了其在各种操作条件下的可靠性。

典型的滚动轴承由滚子、内圈、外圈和保持架组成。

由于火箭涡轮泵对高速和高可靠性的迫切需求，轴承材料取得了显著改进。

迄今为止，火箭涡轮泵滚动轴承最显著的结构改进是氮化硅（Si₃N₄）陶瓷轴承的发展，它已广泛应用于重型火箭涡轮泵中。

氮化硅陶瓷的机械性能远优于普通轴承钢。

如表1所示，氮化硅的硬度约为GCr15和M50的100倍，其热膨胀系数小得多，这可以在低温工作环境中产生较小的变形。

氮化硅陶瓷的密度约为普通轴承钢的一半，有利于设计低重量的涡轮泵系统。

然而，由于脆性，氮化硅陶瓷的加工性能较差。

氮化硅滚子通常通过烧结工艺制造，随后进行必要的精加工。

其最常见的失效情况是断裂模式。

在NASA航天飞机主发动机中，改进型高压氧化剂涡轮泵采用了混合型陶瓷轴承，由氮化硅陶瓷球、PTFE保持架和钢制圈构成。

这种轴承是一种优化设计方案，减少了全钢滚动轴承的严重磨损。

在运行过程中，具有良好自润滑性能的PTFE保持架可以在滚子和圈之间形成薄PTFE转移膜，进一步改善轴承的摩擦学性能。

然而，由于强度低，PTFE保持架容易断裂。

此外，由于弹性模量高和泊松比低，陶瓷球会与圈产生很大的接触应力，这是陶瓷材料的常见问题。

尽管滚动轴承取得了显著的结构改进，但其在未来可重复使用和重型火箭发展中的局限性日益突出。

在现有轴承材料条件下，进一步扩展滚动轴承的潜在能力非常困难。

因此，世界各航天大国已开始探索新型轴承以替代滚动轴承，以满足下一代可重复使用液体火箭涡轮泵的需求。

流体膜轴承的突破

在滚动轴承面临技术瓶颈的背景下，流体膜轴承作为一种替代方案引起了研究人员的广泛关注。

流体膜轴承广泛应用于重型旋转机械中，通过静压或动压效应形成一层加压流体膜。

在这种轴承中，轴颈会与轴承孔分离，由流体膜隔开，从而将机械接触转变为固-液接触模式。

一般而言，固-固、固-液和固-气接触对摩擦系数分别为0.1-1、10⁻⁴-10⁻³和小于10⁻⁴。

由于较小的摩擦系数和随之而来的较少磨损，流体膜轴承比滚动轴承具有更长的使用寿命。

早在20世纪80年代初，NASA就尝试将流体膜轴承引入火箭涡轮泵。

1983年，Hannum等人提出了一种结合滚动和静压流体膜轴承的组合轴承。

这种组合轴承包含两个安装在旋转轴颈内的角接触球轴承。

旋转轴颈和外壳形成静压流体膜轴承。

高压流体通过节流器进入轴承间隙，最终形成静压流体膜。

研究人员将这种组合轴承应用到MK48涡轮泵转子系统中，并进行了337次启动实验。

静压流体膜轴承的工作介质是液氢，最大转速为70000 r/min。

在完成所有实验后，两个滚动轴承的磨损程度非常平滑。

静压流体膜轴承的引入显著改善了滚动轴承的工作条件。

后来，Polyakov等人丰富了组合轴承的结构，并基于相同的设计原理提出了几种类似的轴承。

此后，众多研究人员尝试完全用流体膜轴承替代火箭涡轮泵中的滚动轴承，包括静压、动压和混合式流体膜轴承。

关于静压流体膜轴承方案，最著名的项目是由法国斯奈克玛公司（Snecma）和瑞典沃尔沃航空公司（Volvo Aero Corporation）在2005年启动的TPX项目，这是一个液氢涡轮泵示范项目。

该项目于2010年通过成功的测试活动宣告结束。

混合式流体膜轴承可以通过同时产生的静压和动压流体膜力来克服外部载荷。

混合式流体膜轴承的基本结构特征与普通静压流体膜轴承类似，唯一区别在于轴承间隙。

为了在高速下产生动压流体场，轴承间隙必须足够小。

1999年，太田等人为日本LE-5火箭涡轮泵测试了一种具有十个静压腔的混合式流体膜轴承。

该轴承的内径为52.1 mm，平均轴承间隙为50 μm。

实验的工作介质是液氢。

在启动阶段，高压液氢被泵入轴承间隙，转子直接由静压效应悬浮。

当转速达到50000 r/min时，高压液氢被移除，转子系统仅靠产生的动压流体场支撑。

大约在2010年，来自德克萨斯A&M大学的Childs教授提出了美国下一代可重复使用火箭涡轮泵的混合式流体膜轴承方案。

他们使用水和空气模拟涡轮泵的低粘度介质，并进行了多次启动特性实验。

实验中的最大速度为3000 r/min。

他们认为，安全可靠的启动过程是混合式流体膜轴承实际应用的关键。

中国也有研究团队进行了流体膜轴承在火箭涡轮泵中应用可行性的研究。

他们使用带有四个静压腔的流体膜轴承进行转子提升的实验验证。

涡轮泵转子由两个实验轴承支撑，中间安装的位移传感器用于监测垂直高度的变化。

轴承的内径和宽度分别为30 mm和16 mm。

每个腔体深27 μm，长15.7 mm，宽10.5 mm。

实验的工作介质是液氮，其密度和粘度分别为813.7 kg/m³和82.3×10⁻⁶ Pa·s。

在实验过程中，高压液氮通过直径为0.5 mm的孔喷射节流器泵入腔体中。

转子的提升高度随着流体压力的增加而增加。

当压力达到约6 MPa时，提升高度增加到20-22 μm，然后趋于稳定。

研究团队使用基于雷诺理论的程序计算了该轴承的动态特性。

在30000 r/min的转速下，主刚度和主阻尼系数的平均值约为100×10⁶ N/m和200×10⁶ N·s/m。

高刚度和阻尼有利于转子系统的高速稳定性。

然而，高压流体的来源是静压和混合式流体膜轴承实际应用的重大障碍。

特别是在启动阶段，如果转子不能成功提升，机械磨损将比滚动轴承更严重。

然而，一旦系统能够安全通过启动阶段，高速下的动压效应可以很好地适应恶劣的工作条件。

有研究团队提出了一种在涡轮泵系统中添加高压泵或蓄能器的方案。

在这种应用方案中，涡轮泵转子系统在启动阶段由蓄能器中的高压流体悬浮。

当速度足够高时，动压流体场将成为克服外部载荷的主导部分。

这种应用方案肯定会增加涡轮泵的重量和系统风险，因为需要额外的部件。

总之，完美解决启动问题是流体膜轴承实际应用的关键。

虽然静压流体膜轴承需要额外的高压泵系统，增加了设计复杂性，但它们在工作阶段完全无机械摩擦的优势使其成为有前途的候选方案。

而混合式流体膜轴承则兼具静压和动压的优点，提供了更高的刚度和阻尼特性，能够更好地应对高速运转条件。

然而，这两种轴承在启动阶段面临的问题仍然是实际应用中需要克服的主要挑战。

研究人员正在探索各种创新解决方案，如使用辅助支撑系统或改进轴承材料和结构设计，以提高轴承在低速阶段的性能和可靠性。

流体膜轴承技术在火箭涡轮泵中的应用虽然面临挑战，但其显著的优势使其成为最有希望替代传统滚动轴承的技术之一。

随着材料科学和流体力学的不断发展，未来流体膜轴承在克服启动问题和提高整体性能方面有望取得突破性进展，为可重复使用火箭的发展提供关键技术支持。

箔片与磁力悬浮

箔片轴承已成功应用于高速涡轮机械中，展现出卓越的可靠性。

在航空涡轮压缩机中，平均无故障时间通常超过60000小时。

这种轴承的结构特点使其成为火箭涡轮泵轴承的另一个有力候选。

箔片轴承的结构主要由顶箔和波形箔组成。

顶箔是与轴接触的表面，而波形箔则提供支撑和弹性。

箔片轴承的工作机制与流体膜轴承相似。

在启动阶段，转子轴颈与轴承孔直接接触。

一旦转速超过临界点，转子将被产生的压力流体膜悬浮起来。

由于箔片的刚度远小于流体膜，箔片轴承可以通过箔片变形适应各种工作条件。

特别是，箔片轴承-转子系统的第二和第三临界速度之间的范围非常大，这意味着箔片轴承可以稳定地在极高速度下支撑转子。

由于这些优势，箔片轴承被认为是滚动轴承的潜在替代品。

如果设计和操作得当，箔片轴承的磨损非常轻微，使用寿命长。

在20世纪90年代，NASA在液氢和液氧环境中进行了各种箔片轴承测试。

1991年，Stoltzfus等人在NASA白沙测试中心测试了三种候选聚合物涂层在液氢润滑箔片轴承中的材料兼容性。

在摩擦加热测试中没有发现点火危险，这意味着这些聚合物涂层可以用于建立箔片轴承涡轮泵。

之后，液氢箔片轴承涡轮泵和液氧涡轮泵示范项目相继开展。

1992年，液氢箔片轴承涡轮泵在NASA斯坦尼斯航天中心成功测试。

最大转速为91000 r/min。

经过100多次频繁启停后，箔片轴承和旋转部件仍然保持良好状态。

1993年，液氧涡轮泵示范项目在NASA马歇尔太空飞行中心成功进行。

最大转速为25000 r/min，总启停次数超过100次。

然而，箔片轴承至今尚未被采用在任何服役中的火箭涡轮泵中。

实际上，箔片轴承的工作原理几乎与流体膜轴承相同，因此启动问题仍然存在。

虽然采用了轴承涂层，但在NASA箔片轴承涡轮泵示范项目中仍发现了约0.51 mm大小的碎屑颗粒，轴承表面在一定程度上被这些颗粒刮擦。

这对安全服役构成潜在危害，不容忽视。

为了获得从启动到停止完全无机械摩擦的轴承，一些研究人员尝试将磁轴承引入火箭涡轮泵。

自1986年以来，法国SEP公司就开始进行有关主动磁轴承（AMBs）在火箭涡轮泵中应用可行性的概念和技术研究。

理论上，转子可以通过AMBs的磁场悬浮在空中，确保无机械摩擦和磨损。

它们的高可靠性、长寿命和高转速对火箭涡轮泵具有吸引力。

然而，AMBs也有一些缺点，如需要强大的电力供应、复杂的控制系统，以及与低温燃料的安全兼容性。

特别是，尽管已经提出了一些设计改进，但AMBs在低温环境下的安全运行仍然存在疑问。

超导磁轴承（SMB）也被研究人员考虑。

Y-Ba-Cu-O超导体的发现，其转变温度为92 K，使SMB的应用前景令人着迷。

这种超导体中磁通线的钉扎效应可以使其在非均匀外部磁场中没有主动控制的情况下被悬浮，这被称为被动自稳定性。

此外，火箭涡轮泵中天然的低温环境可以节省SMB的冷却成本。

然而，一个致命的缺点影响了应用过程，即极低的刚度和阻尼系数。

为了分析SMB的动态特性，研究人员测试了轴向型SMB的磁力。

匹配的转子组件包含一个Nd-Fe-B永磁体，其聚集表面磁通密度高达0.5 T。

SMB由六个Y-Ba-Cu-O超导垫片组成，每个垫片直径为30 mm。

为简化分析，SMB转子系统被视为质量-弹簧-阻尼器模型。

总磁力由两部分组成：阻尼力Fds和振荡力Fks。

这两个力的公式如下：

Fds = -csż

Fks = -kszs

其中zs是轴承间隙，ż是轴承和转子之间的相对速度，ks是SMB系统的刚度系数，cs是阻尼系数。

在一定轴承间隙下的近似刚度和阻尼系数可以通过简单的数值计算得出。

当轴承间隙小于3 mm时，平均值分别约为33094 N/m和604.5 N·s/m。

与前面章节中介绍的流体膜轴承相比，SMB的动态特性太小，无法维持稳定运行。

由于SMB可以在静态状态下悬浮转子系统，有研究人员将超导磁场引入混合式流体膜轴承，以取代静压流体场。

高速时不足的动态特性将由动压流体场补偿。

相关研究在2018年获得了HIWIN博士论文奖。

磁轴承技术虽有显著优势，但在实际应用中仍面临技术挑战。

主动磁轴承需要复杂的控制系统和电力供应，这在火箭涡轮泵的特殊环境中实现困难。

超导磁轴承虽然可以利用低温环境自然冷却，但其低刚度和阻尼特性限制了高速稳定性。

因此，研究人员正在探索将磁轴承技术与其他轴承类型结合的创新方案。

箔片轴承和磁轴承各有优缺点。

箔片轴承结构简单，具有良好的适应性和高速稳定性，但启动阶段的磨损问题仍需解决。

磁轴承完全消除了机械接触，但需要复杂的控制系统或具有有限的动态特性。

两者在火箭涡轮泵应用中都面临独特挑战，但也展现出替代传统滚动轴承的潜力。

随着材料科学和控制技术的发展，这些新型轴承技术有望在未来取得突破，为可重复使用液体火箭的发展提供关键支持。

NASA的箔片轴承涡轮泵示范项目证明了这些技术在实际环境中的可行性，而继续研究超导磁轴承等创新技术将为下一代火箭涡轮泵提供更多可能性。

世界各航天大国正在这一领域进行激烈竞争，谁能率先解决这些技术难题，谁就能在未来航天发展中占据先机。

超导复合轴承新机

如前所述，世界各航天大国已经对长寿命、高可靠性的替代轴承进行了大量探索，用于可重复使用的火箭涡轮泵。

这些轴承候选方案无法同时满足从启动到停止阶段的完全无机械摩擦和高稳定性。

然而，它们在特定工作条件下都具有显著优势。

因此，有研究团队提出了一种新型超导复合轴承，旨在结合超导磁轴承和流体膜轴承的优点。

超导复合轴承的结构设计独具特色。

它由几个超导倾斜垫组成，这种设计进一步增强了高速稳定性。

每个垫片由铜外壳和圆形Y-Ba-Cu-O超导体构成。

铜的良好加工性能使其能够调整轴承表面粗糙度，满足小轴承间隙的要求。

运行期间，整个轴承完全浸没在低温介质中。

火箭的低温燃料或氧化剂同时用作超导磁轴承的冷却介质和流体膜轴承的润滑介质。

轴承垫能产生微小摆动，形成收敛间隙，这是产生动压场的必要条件。

超导复合轴承的独特之处在于能够同时确保启动/停止阶段的低摩擦和稳定工作阶段的高刚度。

其工作原理如图14所示。

在启动、停止和低速阶段，转速不足以支持动压流体场的产生，转子将由超导磁场悬浮。

随着速度增加，动压效应开始显现，并与超导磁场共同克服外部载荷。

最终，动压流体场在稳定高速工作阶段起主导作用。

这种交替承载模式完美解决了普通流体膜轴承在启动阶段严重机械摩擦和超导磁轴承低动态系数的缺点。

图15展示了超导复合轴承在正弦激励下的振动幅度。

转速为30000 r/min。

超导复合轴承的最大振动幅度为33.3 μm，而没有流体场复合的情况下，最大幅度为3.01 mm。

超导复合轴承的刚度系数约为超导磁轴承的100倍。

由于动态特性的改善，超导复合轴承承受高负荷和冲击负荷的能力大幅提高。

为验证复合机制的可行性，研究人员建立了一个高速实验装置，如图16所示。

实验使用了一个带有六个超导倾斜垫的轴向型超导复合轴承。

匹配的推力环由Nd-Fe-B永磁体制成。

轴承间隙可通过高精度伺服系统调节，轴承力由轴承基座下的压力传感器直接测量。

液氮作为冷却和润滑介质。

最大实验速度为10000 r/min，最小轴承间隙为0.1 mm。

六个垫片在0.1 mm处的总超导磁力约为382 N。

在实验过程中，当轴承间隙大于0.1 mm时，没有明显证据证明产生了动压流体膜力。

随着轴承间隙减小，在约0.1 mm处出现了轴承力的突然增加（约19.2 N），这意味着产生了动压流体膜力。

轴承承载能力可通过增加转速和减小轴承间隙显著提高。

这些测试应在航空航天部门环境中进行，而非普通实验室环境。

总体而言，超导磁场和动压流体场的复合可行性已通过实验验证。

这种复合可以实现优异的动态特性和高速下的高稳定性，对应于真正长寿命和高可靠性的轴承候选方案。

目前重型液体火箭发动机的工作速度约为30000 r/min，受滚动轴承寿命限制。

如果能使用这种复合轴承，转速值可提高数倍，这对提高发射能力是巨大的推动力。

更重要的是，原理复合方法对解决上述其他轴承候选方案的应用障碍也有益处。

超导复合轴承的优势在于能够解决其他轴承类型的固有缺点。

在启动和停止阶段，超导磁力提供无接触悬浮，避免了流体膜轴承在这些阶段可能遇到的机械磨损问题。

这解决了流体膜轴承一直面临的关键启动难题。

而在高速运行阶段，动压流体场提供了超导磁轴承所缺乏的高刚度和阻尼特性，确保系统稳定性。

这种创新轴承方案结合了两种不同物理机制的优势，创造出一种在全运行范围内都能保持出色性能的轴承系统。

在低温环境中，超导材料自然达到超导状态，不需要额外冷却系统。

同时，这种低温环境有利于流体动压效应的产生，因为低温液体虽然粘度低，但密度高，能够在高速旋转条件下形成有效的流体膜。

超导复合轴承的应用前景广阔。

对于下一代可重复使用液体火箭涡轮泵，这种轴承可以显著延长系统寿命，减少维护需求，同时允许涡轮泵在更高速度下运行，提高火箭性能。

尽管目前研究主要在实验室环境中进行，但随着技术的成熟，有望在实际火箭系统中应用。

总结下这四类可能的轴承替代方案，可以发现它们各有优缺点：静压流体膜轴承在工作阶段无机械摩擦，但必须配备高压泵；混合流体膜轴承在工作阶段无机械摩擦且具有优异的动态性能，但在启动阶段有严重机械摩擦和磨损；箔片轴承除了具有混合流体膜轴承的优点外，还能通过箔片变形适应各种工作条件，但在启动阶段仍有机械摩擦和磨损；主动磁轴承从启动到停止阶段都无机械摩擦，但在低温环境下的安全运行仍有疑问；超导磁轴承具有从启动到停止阶段的自稳定悬浮特性，但动态特性较差；而超导复合轴承结合了超导磁轴承和混合流体膜轴承的优点，理论上没有缺点，但需要更多评估。

基于当前技术水平，可重复使用液体火箭涡轮泵可行轴承候选方案的研究和应用方案可以采用类似的复合方法。

通过结合不同轴承类型的优势，克服各自的缺点，为未来火箭技术的发展提供更可靠、更长寿命的轴承解决方案。

这不仅将提高火箭的可靠性和重复使用性，还将显著降低发射成本，推动人类航天事业的进步。

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