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液氧甲烷发动机:火箭发动机里的“经济适用男”

2019-06-2107:12:19来源:北青网综合

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来源:科技日报

近日,我国首台80吨液氧甲烷发动机——“天鹊”(TQ-12)20秒试车成功,这是继美国SpaceX的猛禽发动机、蓝色起源的BE-4发动机之后,由我国商业航天企业蓝箭航天完成整机试车的世界第三台大推力液氧甲烷火箭发动机。

让吨级甚至百吨级的物体脱离地球引力,火箭发动机必须自带巨大爆发力,还必须不被爆炸所波及。为什么液氧甲烷发动机的试车成功意义重大?它与目前火箭使用的主流燃料相比又有哪些特点呢?

实力担当,大推力满足星座布局

“商业企业的低轨卫星系统组建,正在进入批量发射阶段,它必然需要中型火箭来实现更加快速、更加经济的发射保障。”蓝箭航天CEO张昌武认为,市场需求正在倒逼“一箭多星”成为常态。

液体燃料拥有比固体燃料更大的推力潜力。因此相较于固体燃料火箭而言,液体燃料火箭能托起更多的卫星,更实际的问题是,卫星的实际重量经常会比预期的重,这也要求火箭有大范围的承载能力。

液氧甲烷火箭发动机以甲烷为推进剂,液氧为助燃剂,二者以一定的比例雾化后进入燃烧室,充分燃烧后释放巨大的推动力,推动火箭升空。比冲高于固体燃料火箭发动机。比冲是用于衡量火箭或飞机发动机效率的重要物理参数,比冲越高代表相同质量的燃料产生的动量越大。

此外,液氧甲烷火箭发动机之所以是“一箭多星”主角的实力担当,还因为它能够完成多次启动的任务。固体燃料发动机一旦启动,中途停止燃烧非常困难,一般一直会燃烧到所有的推进剂烧光为止,而液体燃料火箭可通过关闭阀门停止推进剂的流入,从而关闭发动机。张昌武说:“不同轨道的多星布轨,需要在轨具备多次启动的功能,将卫星布入不同轨道,液体燃料火箭具备这样的能力。而固体燃料发动机,无法进行多次启动,只适用提供短期大推力,例如用于起飞阶段的助推。”

张昌武解释,装配液氧甲烷发动机的“朱雀二号”火箭,其低轨运载能力将在4到5吨之间,可以满足批量发射的需求。如果卫星的重量在300到500公斤之间,将实现一次10星到20星的发射,这将大大满足国内星座建设的要求。

它的实力还在后续的开发中不断增长。“目前采用的燃料循环方式仍可以进一步优化,此外发动机本身如果采用新材料和新工艺替代的话,自重至少能减30%,这也将大大增加火箭的承载力。”型号设计总师祖成说。

摆脱积碳,奠定可复用基础

液体火箭发动机大家族除了液氧甲烷发动机之外,还有液氧液氢发动机和液氧煤油发动机。如果液氧液氢发动机是“白富美”,液氧煤油发动机是“黑铁牛”,那么液氧甲烷发动机堪称“经适男”。

液氧煤油发动机中,液氧是助燃剂,煤油是推力剂。煤油的碳链较长,碳元素的占比大大高于甲烷,因此其燃烧非常容易积碳结焦。“这其实很好理解,以前烧煤油会冒黑烟,而烧天然气就是纯净的蓝色火焰。”相关专家解释。

由于燃烧后几乎可以做到“了无痕迹”的优点,液氧甲烷发动机天然成为可重复使用发动机的潜力股。“我们6天内进行了4次试车,这对于传统燃料发动机来说频率算比较高了。”祖成说,而且这是使用同一台发动机,无需拆解、重新准备。

除此之外,液氧甲烷发动机的技术门槛也远远低于液氧液氢发动机。与比冲最高的液氧液氢发动机相比,液氧甲烷发动机设计难度小。蓝箭航天动力研发部推力室负责人袁宇将其归结为甲烷好“驯服”,而液氢密度太低,要将其压缩需要极大转速的压力泵,才能让它完成充分混合。“在氢氧发动机里面有两个泵,一个氢泵,一个氧泵,燃气发动机出来的燃气有80%的功率要给氢泵。”袁宇说,此外,液氧液氢发动机贮存燃料箱的工艺难度也大,液氢-253℃,液氧-182℃,两者温度差距大要做隔热,而液氧和甲烷的温度相近,工艺难度大大降低。

综合对比来讲,无论是从成本出发还是从目标任务出发,液氧甲烷发动机将大大降低火箭的发射成本,让平凡人触摸太空的梦想越来越近。

责任编辑:向勤如(EN006)

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