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超越不可能:人类最强火箭发动机点火,将所有同行远远甩开

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匿名
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匿名  发表于 2019-2-5 16:10 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

超越不可能:人类最强火箭发动机点火,将所有同行远远甩开





  原创 利刃军事

  利刃TO

  和通常只需要增压进气的航空发动机不同,液体火箭发动机必须同时向燃烧室内泵入替代氧气的氧化剂和燃料,才能在真空环境下燃烧。但在泵的功率和流量越做越大之后,一个两难的谜题就摆在人类面前:氧化剂和燃料彼此之间总是没有办法同时得到\"充分利用\",二者就像一个跷跷板,这边压下去另一边就弹起来。

  但就在近日,这个难关也被人类攻破:随着第一台量产型\"猛禽\"液氧甲烷发动机登上美国SPACEX公司的试车台,标志着下一代火箭发动机的关键技术,也就是\"全流量分级燃烧\"进入了工程量产阶段。

  

  图为正在试车台前吊装的\"猛禽\"液氧甲烷火箭发动机。

  在此之前,各国的液体火箭发动机大概可以被划分为两个派别,即\"富氧燃烧\"和\"富燃燃烧\":前者能充分利用燃料,但过量的氧气浓度使得燃烧室内温度过高,涡轮泵系统的寿命较短,代表作是俄罗斯的RD-180;而富燃燃烧虽然能在火箭发动机上实现较大的使用寿命和较强可靠性,但始终无法令燃料充分燃烧。一旦燃料本身含碳,则火箭发动机各部件上很容易产生\"积碳\",一样会影响发动机的正常运作。

  

  图为正在试车台上测试的\"梅林1D\"火箭发动机,右侧排出的黑烟含有大量未燃烧的碳微粒。

  尽管使用\"无碳\"的燃料-氧化剂组合,也就是液氢-液氧能够解决火箭发动机富燃燃烧原理下积碳的\"老毛病\",但一方面复燃燃烧依旧有推力损失,一方面液氢-液氧这个搭档不仅难制备,更难储存,价格还高,实在不是人类脱离地心引力的最优选择。

  

  图为运输液化天然气的大型船只,富含甲烷的天然气相比液氢无疑价格极低。

  换句话说,除却偏二甲肼、戊硼烷这类剧毒的推进剂之外,价格便宜的液氧-煤油和更便宜的液氧-甲烷才更符合航天市场门槛降低的需求,但同样的,令氧化剂和燃料同时充分利用,不相互制约,也是这两种推进剂大展手脚的必要条件。

  因此,最重视成本的SPACEX也就自然而然地从故纸堆里翻出了全流量分级燃烧技术:不同于燃料和氧化剂在主燃烧室里相互碰撞,必有一方胜出的极端情况,使用全流量分级燃烧技术的\"猛禽\"发动机主燃烧室里碰撞的是富氧燃气和富燃燃气,这么一来两种推进剂就能完全利用,将火箭发动机的效率最大化。

  

  图为拉出美丽火焰的猛禽发动机原型机。

  但富氧燃气和富燃燃气本身\"相对不可控\",这使得应用全流量分级燃烧技术的发动机稳定性问题成为了一大挑战,同时这也是这一\"绝学\"先前被束之高阁的原因。

  也正因为如此,测试顺利的\"猛禽\"原型机总是被归类为艺术品,而非工业品:外界始终怀疑SPACEX是否能将全流量分级燃烧技术顺利平和地推广到量产领域,并最终服务于BFR大火箭。

  

  图为应用猛禽发动机的BFR火箭。

  有鉴于此,SPACEX拿出了看家本事,也就是在猎鹰九号火箭和梅林发动机上成功应用的\"迭代\"思想:目前生产的猛禽发动机推力仅有200吨,较原型机降低了100吨。但SPACEX会不断地在大批量生产中更新版本,最终实现350吨海平面推力和300吨真空推力,并可多次复用的总目标。

  诚然,这样的说法看上去有些天方夜谭。但在SPACEX的梅林1A火箭发动机以35吨推力亮相,并广受欧洲航天局在内的同行嘲笑时,谁也不会想到不过几年,推力翻了近三番的梅林1D会成为他们头顶的噩梦,把守旧的老家伙们压得喘不过气来。

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