经典发动机盘点(这项仅美国会的发动机技术)

这些年,越来越多的民营企业开始发射火箭上天,有阿里巴巴,也有斗鱼。要让火箭这样的庞然大物脱离地球的引力飞向太空,则一定需要强劲的发动机,通过发出燃烧推进剂产生的高速气流,让火箭迅速得到巨大的反推力。

现代火箭发动机主要分固体推进剂和液体推进剂发动机,液体火箭发动机种类繁多,常用的液体氧化剂有液态氧、四氧化二氮等,燃烧剂由液氢、偏二甲肼、煤油等。氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱中。

如将阿波罗号送上月球轨道的土星五号所采用的液氢-液氧发动机J-2发动机,J-2发动机的真空比冲为(Isp)421秒(4.13千米每秒),海平面比冲为200秒(2.0千米每秒)。

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5台J-2液氢液氧发动机并联

比冲单位质量的推进剂产生的冲量大小。这也是火箭推进剂最最重要的指标之一。也就是说,希望用质量尽量小的燃料,产生出尽量大的推力。液氢-液氧发动机的比冲有压倒性的优势,这也是为什么能把登月任务采用液氢液氧发动机的原因。

当然了,除了比冲之外,还要考虑容易点燃、存储便利、体积大小、安全性、工艺难度等多种因素,而液氢-液氧发动机就因为存储不方便、体积太大,在完成登月任务之后就没有再采用了,它适合大型的航天飞机、超重型运载火箭等飞行器上。

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庞然大物土星五号

除了液氢液氧发动机,最为常用的就是四氧化二氮-偏二甲肼发动机和液氧-煤油发动机。但是因为其易分解为二氧化氮为红棕色的气体,神经麻醉的毒性,且有腐蚀性。而偏二甲肼污水处理 技术存在着能耗高、安全系数低、二次污染物种类多、毒性大和运行成本高等缺点。四氧化二氮-偏二甲肼发动机开始慢慢退出历史舞台。液氧-煤油发动机则容易结焦和产生积碳。

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而目前液氧-甲烷发动机成为了液体火箭发动机的一个方向,液氧甲烷发动机综合素质都非常不错,液氧-甲烷的比冲仅次于液氧-液氢,密度比冲也可以排上第二,沸点零下162摄氏度和液氧(零下183摄氏度)接近,储存难度也相对较低。

最重要的其还具有无毒环保、高可靠、高性能、低成本、易操作、可重复使用等特点。这也是许多火箭企业一直想要掌握的发动机技术。

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美国著名太空探索技术公司SpaceX就掌握了这种发动机技术,SpaceX可是私人太空技术龙头企业,它的老板我们也很熟悉,特斯拉的总裁马斯克。

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2016年SpaceX正式发布的猛禽发动机参数,其海平面推力311吨(3050kN),真空推力357吨(3500kN),采用预先冷却的液氧-甲烷推进剂组合,燃烧室室压高达30MPa。猛禽是世界上推力第四大的现役液体火箭发动机。这款发动机将用于未来的载人火星登陆任务。

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除此之外,美国蓝源公司的BE-4发动机也是采用液氧-甲烷发动机,它的动力系统包含涡轮泵,阀门和其他组件,能够产生高达55万磅(约合250吨)的推力,不过这款发动机至今还没有进行全系统试车。

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前段时间,中国民营企业蓝箭公司的80吨液氧甲烷发动机“天鹊”(TQ-12)20秒试车成功,是世界第三台完成全系统试车考核的大推力液氧甲烷火箭发动机,标志着中国民营航天企业大推力液体火箭发动机产品“零的突破”,成功验证了中国商业航天大推力发动机从设计、研发、制造、生产、装配、试验的完整流程。

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“天鹊”(TQ-12)发动机装配

中国也成为继美国之后,第二个掌握液氧-甲烷发动机的国家。蓝箭是一家民营商业火箭公司,总裁张昌武是一位80后,张昌武毕业于清华大学,在2015年成立了蓝箭公司。

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早在2018年3月份,自主研发并具有完全自主知识产权的“凤凰”10吨级液氧甲烷发动机推力室试车成功。而2019年,蓝箭就完成了80吨液氧甲烷发动机的全系统试车,并走向量产,成为国内首家掌握液氧甲烷发动机技术的民营企业,这中间仅仅用了4年,速度不可谓不快。

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“天鹊”(TQ-12)地面型发动机海平面推力67吨,真空推力76吨;真空型发动机真空推力80吨。相比较而言,略逊于美国的液氧-甲烷发动机。但这是中国民营企业在火箭发动机上难得的突破,值得鼓励。

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这款发动机可以向下可以覆盖单一发动机的小型火箭,向上可以覆盖中型火箭、大型火箭,其商业价值大、研制难度适中,投入产出比高。

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“天鹊”号发动机在技术上还是有许多创新点的,比如突破激光焊接夹层喷管技术难题,首台80吨发动机喷管顺利下线,为国内首创,此项新技术实现了大型喷管机器人全自动激光焊接,可大幅度降低喷管制造成本,缩短制造周期,提高产品质量,便于实现产品批量化制造。

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还有燃气发生器的设计,燃气发生器是液体航天发动机的重要部组件之一,它通过产生高温高压的燃气驱动涡轮泵工作。燃气发生器要做到稳定可靠、温度均匀,为下游的涡轮叶片提供“舒适”的环境。如果燃烧不稳定、燃气温度不均匀,涡轮叶片将工作在流速忽快忽慢、温度忽高忽低的环境里,寿命大打折扣,是无法实现多次重复使用目标的。

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据蓝箭工作人员介绍:蓝箭团队在设计燃气发生器的过程中进行了多种技术创新,如采用大流量喷嘴技术,有效减少喷嘴总数;选取低工况下能达到高雾化质量的喷嘴方案;采用在全工况下均能保证稳定、高效燃烧的喷嘴结构;提高燃烧区混合比,缩短燃烧反应时间,有效地避免形成高温拖尾火焰,防止对下游涡轮叶片造成局部过热等。

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燃气发生器

除此之外,近日蓝箭自主研发的另外一款10吨发动机——“天鹊”10吨级液氧甲烷发动机TQ-11推力室也完成了单次时间长达650秒的长程试车

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“天鹊”10吨级液氧甲烷发动机

蓝箭航天的“朱雀二号”系列液体火箭采用通用化、模块化设计,通过一种推进剂、一个箭体直径、两型发动机(TQ-11/TQ-12)的灵活组合,可以构成运力数吨到几十吨、覆盖低中高轨道发射能力的液体火箭系列产品。

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“朱雀二号”预计将在2019年完成全部地面试验,2020年首飞,2021年把有效载荷送到月球上去。

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蓝箭的目标是研发百吨级火箭发动机,从10吨到80吨再到百吨,这可不是一个简单的数字变化,张昌武说,“推力规模相差十倍,就意味着整个工况都会发生巨大变化。百吨级液体发动机结构更为复杂,我们需要对各组件、总装布局重新调整,再把这些工艺路线和关键技术放大到百吨级组件去试验,试验没问题还要进行全系统联调联试,只有联试成功,这个发动机才有可能被定型。”

创新幅度大、工艺挑战大、周期难以把控,直面这些风险不仅需要技术实力,更需要魄力与勇气。

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也期待蓝箭可以努力追平与美国的差距,成为中国的SpaceX。

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