長徵五號遙三火箭發射成功,YF-77發動機初步告別心臟病,但中國液體發動機還有很長的路要走
長徵五號遙三火箭已經於12月27日發射成功,這次復飛成功標誌著我國新一代運載火箭尤其是新一代氫氧火箭發動機YF-77的基本成熟。液體火箭發動機決定了火箭進入空間的能力,是運載火箭最關鍵的技術之一,長徵五號火箭使用了兩種推進劑組合和和三種循環方式的火箭發動機,不同的液體火箭發動機也有著不同的性能和用途。
推進劑組合應用種類廣
按照液體火箭發動機使用推進劑組合的不同,火箭發動機可以分為多種類型,液體火箭發動機主流是雙組元推進劑,一般來說一種是氧化劑另一種燃料。歷史上火箭先驅者們嘗試了幾乎所有的液體推進劑組合,現在實用的推進劑組合也很多。
氫氧發動機比衝性能最高,美國太空梭上的RS-25是典型的代表,它現在又裝上SLS火箭發揮餘熱
美國著名的太空梭主發動機(SSME)是液氫液氧發動機的典型代表,液氫液氧是目前實用的比衝最高的推進劑組合,火箭發動機的比衝相當於汽車發動機的耗油率,發動機比衝越高發射同樣重的衛星需要的推進劑越少,液氫液氧發動機自然是高性能運載火箭的首選。美國的德爾它IV火箭的RS-68、歐洲阿里安5火箭的火神2和日本H-IIA火箭的LE-7A發動機,也都是液氧液氫發動機。氫氧發動機雖然性能最好,但液氫密度小「性子」烈,使用起來既不方便也很危險,發動機的研製費用又很高,被戲稱為中看不中用的「白象」。
液氧煤油發動機的代表,是俄羅斯的RD-180。不過它牆裡開花牆外香,只有美國火箭使用
相比曲高和寡的氫氧發動機,液氧煤油發動機則要實用的多。雖然液氧也是低溫存儲,但它又不像液氫那麼詭異和危險,而煤油更是常溫存儲的燃料。液氧煤油推進劑的成本低,液氧煤油發動機的研製費也不多,而且比衝性能雖然遠不如液氧液氫,但比衝仍然名列前茅,液氧煤油發動機綜合性能出色,在運載火箭上也得到了廣泛應用。人類第一枚洲際飛彈R-7,以及R-7發展而來的聯盟號火箭都使用液氧煤油發動機,俄羅斯的RD-180液氧煤油發動機還出口到美國,成為宇宙神5火箭的主發動機。當然,美國並非冷戰後才認識到液氧煤油發動機的經濟性和實用性,美國的雷神和宇宙神火箭從一開始就使用液氧煤油發動機,它們都是美國的主力運載火箭。
美國的大力神/泰坦火箭芯級使用肼基發動機,發動機技術來自同名液體洲際飛彈
液氧煤油發動機綜合性能好,但它的氧化劑使用液氧,使用起來還是不大方便。人類早期的運載火箭源自彈道飛彈,而彈道飛彈十分注重發射響應時間,蘇聯R-7和美國雷神/宇宙神等使用液氧煤油發動機的彈道飛彈曇花一現,隨後迅速被肼基發動機的飛彈取代,這些飛彈也衍生出多種運載火箭,比如美國的大力神火箭和蘇聯的質子號火箭,歐洲的阿里安系列火箭,一直到阿里安4號也都是肼基發動機。肼基推進劑一般是偏二甲肼和四氧化二氮的組合,它的成本要比液氧煤油高得多,而且有毒有汙染,但勝在推進劑常溫可長期存儲,有利於快速發射。然而,長期存儲快速發射對於飛彈十分重要,對於運載火箭可有可無,加上肼基發動機的比衝比液氧煤油發動機還低,現在肼基發動機在運載火箭上已經逐漸邊緣化,美歐日甚至淘汰了肼基發動機的運載火箭,
藍色起源的BE-4液氧甲烷發動機不僅用於自己的新格倫火箭,還將用於ULA的火神火箭
現在運載火箭上肼基發動機逐漸淘汰,氫氧發動機日落西山,液氧煤油發動機一枝獨秀,但隨著液氧甲烷發動機的異軍突起,液氧煤油發動機也遇到了強勁的挑戰。液氧甲烷無毒無汙染,甲烷提純遠比精煉煤油簡單和廉價,很多液氧甲烷發動機還號稱直接能用天然氣,液氧甲烷推進劑的綜合成本比液氧煤油還低!液氧甲烷發動機的比衝一般要比液氧煤油發動機高一大截,而且甲烷冷卻性能好燃燒又不容易積碳,非常有利於發動機的重複使用。美國SpaceX公司、藍色起源公司,歐洲阿里安公司,中國的藍箭、星際榮耀、九州雲箭等商業航天公司都在積極研製液氧甲烷發動機,它已經成為現在液體火箭發動機發展的新寵。
推進劑輸送循環花樣多
液體火箭發動機不僅有多種不同的燃料組合,圍繞怎麼把這些燃料送進燃燒室,還發展出各種不同的輸送循方式,這也是劃分液體火箭發動機的主要標準之一,按這種劃分方法大致可以將火箭發動機分為四種類型。
擠壓循環最簡單,靠儲箱壓力把推進劑送入燃燒室。目前運載火箭技術不用它,衛星上倒是廣為應用
首先是最簡單的擠壓循環,顧名思義就是靠儲箱壓力把燃料擠進燃燒室。擠壓循環發動機的儲箱壓力限制了燃燒室壓力,而燃燒室壓力太低發動機比衝肯定好不了,所以運載火箭上幾乎沒有使用這種發動機的,哪怕是德國二戰中研製的V-2飛彈也都使用了渦輪泵。通過渦輪泵為燃料增壓,將其壓入燃燒室是個好主意,這麼做一方面儲箱壓力低無需厚厚的箱壁,另一方面燃燒室壓力高發動機比衝高,可謂兩全其美。
燃氣發生器循環增加了燃氣發生器/預燃器(Pre-Burner)
根據火箭發動機驅動渦輪泵的方法,可以劃分出燃氣發生器循環、高壓補燃和膨脹循環三種方式。燃氣發生器循環思路很簡單,就是讓一部分燃料先不充分燃燒產生高溫高壓燃氣驅動渦輪泵,這部分燃氣隨後就直接排放了,這種方法浪費了一小部分燃料,發動機比衝自然受到影響,不過設計和工程實現上簡單可靠,是火箭發動機的主要類型之一。美國SpaceX公司的梅林液氧煤油發動機,德爾它IV火箭的RS-68氫氧發動機,以及長徵五號的氫氧主發動機都是燃氣發生器循環。
高壓補燃循環把預燃室不充分燃燒的燃氣導入燃燒室繼續燃燒,故名補燃
燃氣發生器循環方式浪費了一部分燃料,工程師們很自然的想到充分利用這部分燃料,於是高壓補燃循環應運而生,簡單地說,高壓補燃發動機就是把不充分燃燒的燃氣再注入燃燒室,充分利用每一份燃料。然而這麼一來,驅動渦輪泵後的燃氣壓力就得比燃燒室中的壓力更高,發動機設計製造一下複雜和艱難了好多,不過這種發動機比衝要比燃氣發生器循環的高一大截,付出的代價還是物有所值的。美國的太空梭主發動機就是高壓補燃氫氧發動機,蘇聯也研製了高壓補燃的RD-0120氫氧發動機,性能最好的高壓補燃方式加上推進劑比衝最高的液氫液氧推進劑,讓它們成為液體火箭發動機性能上的領頭羊。
膨脹循環在燃燒室噴管那裡熱交換,產生高溫燃氣驅動渦輪,也沒有燃料損失
膨脹循環發動機比較另類,它利用燃燒室加熱一部分推進劑,讓它驅動渦輪泵輸送推進劑。火箭燃燒室再加上一部分噴管面積也不大,熱交換又不能和高溫燃氣比效率,所以這種發動機的推力一直做不大,但它同樣沒有燃料浪費的問題,比衝也可以做的很高。目前實用的膨脹循環發動機都是氫氧發動機,畢竟膨脹循環需要吸熱快比熱高的液體,才能迅速吸熱氣化去驅動渦輪泵做功,而液氫是最合適不過的選擇。膨脹循環發動機的代表當屬美國的RL10系列發動機,這種氫氧發動機是美國上面級發動機的主力,其中RL10B-2發動機比衝高達462.5秒,是當今世界上火箭發動機比衝的巔峰。