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如何正确地“黑”SpaceX(五):回收不能复用和引擎不给力的重猎鹰
关键字: 重猎鹰能源引擎问题军事航天器附录01:推进剂交叉输送(Cross-Feeding)
该技术简单、直观地说,就是在不同的燃料储箱之间、把燃料调配着用,从而提高火箭的性能。使用这种技术的目的或者是延长火箭芯级的工作时间、提升运力,或者是提高系统的冗余度(当个别发动机发生故障、可以把燃料调配给连接在其它燃料箱上的发动机使用)。
按照结构不同,可分为贮箱之间的交叉输送和输送管路之间的交叉输送。按照功能不同,又可分为单向交叉输送和双向交叉输送。
这是一个既古老、又新鲜的技术。说它古老,是因为60年代研制的“土星1号”火箭,一子级就采用了双向交叉输送技术,燃料在一子级九个燃料箱中调配使用。此外,它的变种技术也有应用:①“宇宙神”D火箭,外挂发动机,芯级向外挂发动机输送燃料,飞行一段时间后、外挂发动机关机&抛弃,芯级继续工作;②航天飞机,外挂燃料箱,轨道器达到入轨速度后,发动机关机、抛弃外挂燃料箱。说它新鲜,是因为大部分火箭和航天器都没有选用这种技术。
采用了推进剂交叉输送技术的土星1号运载火箭第一级
它的优势在于要么可以延长火箭芯级的工作时间、进而显著提升运力,或者是提高系统的冗余度,当个别发动机发生故障,把燃料调配给连接在其它燃料箱上的发动机使用,保证任务成功。
它的劣势在于结构复杂,故障风险大,需要解决如下技术难题:
管路解锁、分离——输送大流量推进剂的管路要连得上、断得开,液路连接、切换和断开动作可靠、平稳,还要尽量降低结构重量。
剩余推进剂排放——切换燃料管路并切断连接的时候,管道内的残余燃料是个需要解决的麻烦,或者控制其泄漏速度、或者是排放到专门的回收容器中,如果处理不好、会危及火箭的飞行安全。
流阻匹配——当两助推器同时给芯级同一台发动机输送推进剂时(输送管路之间的交叉输送),由于推进剂输送管路流阻的差异会导致两助推器推进剂消耗不一致的问题,因此需要对各贮箱增压压力进行调节、并在两组输送管路上设置可以动态调节的限流阀,保证推进剂消耗同步。
液面稳定性控制——如果是储箱之间的交叉输送,要考虑对储箱液面的扰动因素,避免液面扰动失控、恶化箭体震动问题、增大事故概率。
正是缘于上述优点与劣势,燃料交叉输送是个让火箭工程师难以取舍的技术——也难怪“重型猎鹰”火箭一开始计划采用该技术、把LEO运力的理论值从45吨提升到53吨,后来又宣布暂不采用,SpaceX官方给出的解释是“客户没有这个需求”。当然,按照惯例,这一信息又是由关系人士以“小道消息”的模式放出的。
附录02:液氧甲烷火箭发动机
目前运载火箭所使用的无毒液体燃料组合,主要有液氢液氧/液氧煤油两种,但是有一种燃料在最近若干年相当热门、有望被新一代运载火箭采用,那就是液氧甲烷。
从物理性质来看,甲烷的沸点为-161℃,是一种标准的低温燃料,但沸点又高过液氢许多、和液氧接近,所以它的存储难度低于液氢、储箱蒸发损失小。特别是在空间环境,液氧甲烷组合的沸点接近环境温度、便于长期存储,这一点特别适用于火箭的上面级和长期在轨飞行器。
甲烷的理论比冲高于液氧煤油(同等条件下多出十几秒),但是低于液氢液氧。它的结焦温度高、积碳问题不严重,在采用分级燃烧循环的时候,可以采用富燃配比、而非富氧,在发动机获得高比冲的同时,燃气的破坏力较小、故障发展温和。
另外,在烃类燃料中、甲烷的粘性最小、比热高,对热端部件冷却效果好,特别适于分级燃烧循环或者膨胀循环,而这两种循环的比冲都很高。还有一点,液态甲烷经过再生冷却后已接近气态或已经是气态,因此,液氧甲烷天然地具备燃烧性能好、燃烧稳定性高的优点。
由于甲烷冷却性能良好、结焦温度高、富燃燃烧积碳少、沸点低、重复使用时无需清洗等特点,液氧甲烷发动机是可重复使用运载器较为理想的选择。
2015年在斯塔尼斯进行的“猛禽”液氧/甲烷引擎喷注器试车照片
和液氢液氧组合相比,液氧甲烷组合的密度较大、略低于液氧煤油,密度比冲略低于液氧煤油、大大高于液氢液氧,用于起飞级有利于降低结构重量、提高干质比,进而提高火箭性能。
最后,甲烷燃料还有一大优势:廉价,在液氢、精炼航天煤油、经过了脱硫处理的液态甲烷(减少对发动机的腐蚀)三者中,甲烷是最便宜的,液氢最贵。
综上所述,我们可以对液氧甲烷组合给予如下评价:它的各方面性能(理论比冲/密度比冲/海平面比冲/真空比冲)介于液氢液氧和液氧煤油之间,适于采用比冲较大的分级燃烧循环(起飞级&上面级均适宜)或者膨胀循环(推力小,只适于上面级),并同时采用较为安全可靠的富燃循环,便于发动机重用,燃料成本低。对于上面级和长期在轨飞行器,它的存储特性比液氢液氧好得多,比冲又大大高于肼类燃料组合,优势更加明显。
最近若干年,出于下一代运载火箭在成本控制、部件重复使用方面的考虑,世界主要航天大国都加强了对液氧甲烷发动机型号、预研的投入。这其中力度最大的是美国,有多种以实用化为目标的甲烷引擎正在研发中,包括SpaceX的猛禽(Raptor)项目。液氧甲烷发动机和液氢液氧发动机在技术上共通性很强,而美国恰好在液氢液氧发动机领域积累丰厚,各种循环模式(燃气发生器/分级燃烧/膨胀循环)、各种推力等级(从10吨到数百吨)、的实用型号都有,且性能一流,大力研发新一代甲烷引擎,也算是发挥自己的强项。
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