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世界热点评!彗星之心—HWK 109 509 系列火箭发动机的部分零件与大致工作原理(1)

2023-01-21 09:53:56 来源:哔哩哔哩

重要的话说三遍,本篇不是讲英国的那个77mm小水管的A34“彗星”的发动机而是继续讲Me 163“彗星”的发动机,不过本篇是讲Me 163B“彗星”的发动机原理HWK 109 509系列发动机。

至于为什么把HWK 109 509 A1会被归属为火箭发动机,这里说一下,在二战时期的德国,德国帝国航空部( Reich Air Ministry)使用一个对于航空发动机的命名方法其中包括一个表示发动机类型的前缀数字,活塞发动机的编号为 9,喷气式发动机、火箭发动机、反推力发动机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机的编号为 109 ,因此HWK 109 509 A1为火箭发动机。


(资料图片仅供参考)

HWK 109 509系列发动机在我们所熟知的Me 163B火箭拦截机上是有使用过的,本文我们就来粗略介绍一下HWK 109 509系列发动机一些部件及其原理。但是本文只重点讲HWK 109 509 A1发动机

首先我们以HWK 109 509 A1型发动机为例,HWK 109 509 A1发动机是HWK 109 509系列发动机的第一个量产型号。

以下为上图中HWK 109 509 A1发动机的大致结构部件介绍(有的内容可能在翻译是会出现偏差,如果你发现了,请您在评论区指出

1、燃料流量控制阀

2、C-stoff燃料过滤器

3、涡轮泵转速调节器

4、发动机控制机构与燃烧室之间的连接机构 

5、蒸汽产生器 

6、推力喷管 

7、冷却回流管 

8、燃烧室 

9、冷却管 

10、连接到推力杆

11、发动机固定框架 

12、发动机启动机构 

13、变速传动机构(用于电力启动的传动设备) 

14、废气排出口

15、燃烧室排气阀    

1.HWK 109 509 A1的大致原理介绍

首先,我们来讲一下Me 163B所使用过的HWK 109 509 A1的发动机的原理,下图为HWK 109 509 A1 的发动机原理示意图。

首先要说的一点是Me 163 B“彗星”上所使用的HWK 109 509 A1型发动机其实是电启动的(这里的电驱动是利用电力去带动过氧化氢涡轮泵来实现发动机的启动),根据美国人翻译德国的Me 163B操作手册里的发动机内容里,是这么说的,他说,HWK 109 509 A1发动机的启动键在HWK 109 509 A1发动机的传动箱上,而且HWK 109 509A1发动机的启动键按下后会驱使HWK 109 509 A1上的过氧化氢燃料泵工作,从过氧化氢燃料箱里抽取过氧化氢,过氧化氢会流入到HWK 109 509 A1发动机的蒸汽产生器上,不过由蒸汽产生器里产生的蒸汽会作用到HWK 109 509 A1涡轮驱动泵的涡轮叶片上使得涡轮叶片转动,当涡轮泵的涡轮叶片转了4-5秒钟后,可以按掉HWK 109 509 A1的启动键,HWK 109 509 A1发动机停止工作 ,这里所以下美军翻译的Me 163B手册上写的HWK R 509 和HWK 109 509都是指代同一个东西,及HWK 109 509 A1发动机。

还有在根据美国国家航空咨询委员会(NACA)在1947年翻译自由赫尔穆特 瓦尔特(Hellmuth Walter )在1943年编写的英文译名为《REPORT ON ROCKET POWER PLANTS BASED ON T-SUBSTANCE 》的文章中(T-SUBSTANCE 既T-stoff,SUBSTANCE在英文里的意思是物质,stoff是德文里的意思是物质,既指代同一个物质,80%的过氧化氢(H₂O₂)/ 少量的 8-羟基喹啉以及磷酸和磷酸钠/ 20% H₂O的混合物),这篇文章是赫尔穆特 瓦尔特对于他所设计的 R II 211发动机(不过在这里,重要的事说两遍,R II 211(HWK 109 509 A 0)其实是HWK 109 509 A1的原型机,其原理大致是相同的)的描述是这个发动机是采用电驱动的。

如果你了解Me 163B“彗星”所使用的HWK 109 509 A1发动机的启动方式是电启动的话,接下来我们回到R II 211发动机的原理图(不过在这里,重要的事说三遍,R II 211(HWK 109 509 A 0)其实是HWK 109 509 A1的原型机,其原理大致是相同的)

2.HWK 109 509 A1的启动与涡轮泵的关系

我们对于上一张图中标号所代表的结构部件进行简单说明(以下描述可能会有所偏差,若有偏差,请在评论区里指出,谢谢)

1—驱动涡轮泵

2—蒸汽产生器

3—T-stoff燃料泵

4—C-stoff燃料泵

5—燃烧室

首先,按下传动箱(见下图箭头标的位置)上的启动键后,会带动HWK 109 509 A1发动机的过氧化氢燃料泵(上图中所指的3)运作,促使过氧化氢燃料泵从过氧化氢燃料箱中抽取过氧化氢,抽取的过氧化氢会流到蒸汽产生器(上图中所指的3)里,蒸汽产生器产生蒸汽后,产生的蒸汽会作用在涡轮泵驱动轮上,驱使涡轮泵驱动轮转动,从而涡轮泵驱动轮的转动会带动C—stoff燃料泵(上图中所指的4)从C—stoff燃料箱里抽取C-stoff。但同时过氧化氢燃料泵(上图中所指的3)也在继续从过氧化氢燃料箱中抽取过氧化氢。从C—stoff燃料箱里抽取C-stoff和过氧化氢燃料箱中抽取过氧化氢会流到燃烧室中,过氧化氢与C-stoff在燃烧室里的点火装置里混合点火产生燃烧,过氧化氢与C-stoff混合燃烧产生大量的热会被其产物吸收,从燃烧室中产生大量的高温气体从尾部的喷口喷出到大气中,这一过程中,高温气体的热能会转变为气体的动能,从喷口喷出气体的动能会转变为Me 163B“彗星”起飞的动能。

这里也许有人会问,为什么按下传动箱(见下图箭头标的位置)上的启动键后,是首先带动HWK 109 509 A1发动机的过氧化氢燃料泵(上图中所指的3)运作呢?

若要回答这个问题,我们可以从现存的有关于HWK 109 509 发动机装配的历史照片来说明和有关于HWK 109 509 A1所使用的涡轮泵的大致结构来说明。

首先我们来看一下HWK 109 509 A1发动机上所使用的涡轮泵的结构到底是什么样的,从下图可知,我们从左往右看,这个发动机的结构大致是驱动齿轮(啮合在HWK 109 509 A1火箭发动机的传动箱的齿轮上)、滚珠轴承、过氧化氢燃油泵增压级、过氧化氢燃油泵、涡轮驱动轮、滚柱轴承、C-stoff燃料泵。

我们来看下面这张照片,下面这张照片是有关于HWK 109 509 A1的电启动传动机构箱里与HWK 109 509 A1所使用的涡轮泵机上的驱动齿轮相啮合的两个齿轮。

接着我们还是引用一下德国工厂的工人在给HWK 109 509 A1发动机装配涡轮泵的照片来说明一下,从下面这张照片和HWK 109 509 A1所使用的涡轮泵结构以及Me 163B的操作手册内容里的引擎部分,是能够说明,HWK 109 509 A1发动机的涡轮泵里的过氧化氢燃料泵是靠近HWK 109 509 A1的电启动传动装置一端的,而且用电启动HWK 109 509 A1发动机时,电启动传动机构箱里与涡轮泵相啮合的两个齿轮产生转动,同时带动涡轮泵的轴承转动,涡轮泵的轴承转动的同时会促使涡轮泵里的过氧化氢燃料燃料泵从过氧化氢燃料箱里抽取过氧化氢,抽取的过氧化氢并流到蒸汽产生器中。

3.HWK 109 509 A1的启动运作与蒸汽产生器的关系

我们还是回到HWK 109 509 A1的原理简图上

在HWK 109 509 A1的原理图里,有一个名叫Auxiliary decomposer的装置,在HWK 109 

509 A1的发动机里,其蒸汽产生器的样式是这样的,见下图。

接下来我们来看一下HWK 109 509 A1上所使用的蒸汽产生器的结构简图

下面是对于HWK 109 509 A1发动机上所使用的蒸汽

a—过氧化氢溶液流入蒸汽产生器的入口 

b—过氧化氢溶液喷入蒸汽产生器的喷雾器 

c—装载固体催化剂的网格笼,里面装有固体催化剂

d—固定装载固体催化剂的篮子的穿孔板

e—蒸汽产生器的蒸汽出口

我们来介绍一下在HWK 109 509 A1上的蒸汽产生器的原理,其原理是这个装置是通过从过氧化氢溶液流入蒸汽产生器的入口 (a)中流入的过氧化氢溶液进入过氧化氢溶液喷入蒸汽产生器的喷雾器 (b)中形成喷雾,在喷洒在装载固体催化剂的网格笼(c)装载固体催化剂的篮子里装着的催化剂中,过氧化氢在催化剂的作用之分解成水蒸气和氧气,水蒸汽透过固定装载固体催化剂的篮子的穿孔板(d),最后在蒸汽产生器的蒸汽出口(e)处排出。(请对照上图来看)

关于在装载固体催化剂的网格笼中催化剂,这里有一些说法是,这个装载固体催化剂的网格笼中是装有蘸有高锰酸钾和高锰酸钙(Ca(MnO₄)₂)水溶液的水泥块,这个说法是在来源walterwerke上,网址请见http://www.walterwerke.co.uk/design/steam.htm,其实按化学上的定义来说,这个严格来说它不算催化剂,它算一个促进过氧化氢分解的混合物,只不过,这个水泥块只是吸收高锰酸钾水溶液或者高锰酸钙水溶液的吸收载体而已。

还有一种说法是美军在1945年4月18号写《German Liquid Rocket Fuels》一文中说HWK 109 509 A—1 发动机的蒸汽产生器所装的催化剂是由二氧化锰(MnO₂)、水泥、沙子所混合而成的固体催化剂,不过在这个说法在又是在美国国家航空咨询委员会(NACA)在1947年翻译自由赫尔穆特 瓦尔特(Hellmuth Walter )在1943年编写的英文译名为《REPORT ON ROCKET POWER PLANTS BASED ON T-SUBSTANCE 》里出现过这个催化剂这大概组成。

HWK 109 509 A1的蒸汽产生器里装的催化剂的方案还有一种就是蘸有重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)和铬酸钾(K₂CrO₄ )和高锰酸钾(KMnO₄ )的水溶液的水泥块,这个也就是HWK 109 509 的蒸汽产生器上所使用的D86催化剂的配方,关于D86催化剂的配方,在美军由1945年8月31日编写的《German Technical Aid to Japan》一书中提到过。

不过,我们来写一下过氧化氢分别与这三个催化剂的反应你就知道这三个催化剂为什么有促进过氧化氢分解的能力。

当蒸汽产生器里装的催化剂为高锰酸钾和高锰酸钙(Ca(MnO₄)₂)水溶液的水泥块时,其与过氧化氢反应的离子反应方程式如下。

当蒸汽产生器里装的催化剂为是由二氧化锰(MnO₂)、水泥、沙子所混合而成的固体催化剂,其反应方程式为

当蒸汽产生器里装的催化剂为蘸有重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)和铬酸钾(K₂CrO₄ )和高锰酸钾(KMnO₄ )的水溶液的水泥块时,其与过氧化氢发生的反应为(这里先说一下,重铬酸钾和过氧化氢在酸性条件下是可以反应的,不过没有查到水溶液态的三价铬离子的生成焓变值,因此没有在下面写出其热化学反应方程式)

不过对于这三个催化剂与过氧化氢的反应来看,它们都是放热反应,也就是说, HWK 109 509 A1的蒸汽产生器是利用过氧化氢与固体催化剂上的某一组分接触并产生放热反应,利用其放热反应产生的热量使得反应体系中的水变为高温蒸汽,从而产生蒸汽。这些蒸汽会作用在涡轮泵的驱动涡轮上,使其转动,从而带动燃料泵去工作。

但是HWK 109 509 A1上还有什么零件,我们放到下期再说(本篇未完待续)

关键词: 过氧化氢 高锰酸钾