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到底什麼是膨脹循環發動機?中國的25噸級已經算世界領先了
2022/09/18
2022/09/18

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看過我視訊的朋友恐怕都有印象,印度的大火箭GSLV mkⅢ的上面級液氫液氧發動機推力20噸,超過中國長征五號上面級發動機YF-75D的9噸。很多朋友表示不服,認為這肯定是假消息。小編重申一遍這并不是假消息,所有信息都是公開的,大家都可以查到。但是,今天我必須再深入解釋一下這個差距,因為中國剛剛試車了25噸級液氫液氧發動機。剛好可以用來比較一下,兩家的真正差距是什麼。我是東城觀星,接著說火箭那些事。

一、印度的上面級發動機推力領先中國,到底是怎麼回事

說出來,你可能不相信,印度的20噸級液氫液氧發動機,并不是從其它國家采購的,而是自行研制的,只不過參考了俄羅斯的發動機。從推力上來說確實超過了中國的上面級液氫液氧發動機。但是,中國長征五號使用的YF-75D是膨脹循環發動機,而印度的CE-20是燃氣發生器循環發動機,CE-20跟中國長征五號使用的50噸級液氫液氧發動機YF-77工作原理類似。只不過YF-77是低空工作,而CE-20是高空工作。

你可能認為,膨脹循環發動機要比燃氣發生器循環發動機更復雜、更先進。那你只理解對了一半,膨脹循環發動機確實是新一代的上面級發動機,可以認為更先進。但是,一般來說膨脹循環發動機相對于其他類型的發動機結構更簡單、推力更小,而不是更復雜、推力更大。

CE-20

YF-75D

目前,世界上掌握膨脹循環發動機技術的有美國、俄羅斯、歐空局、日本和中國。相對來說,中國是入局比較晚的國家,技術上還有一定的差距。但這次25噸級閉式膨脹循環發動機的成功,卻讓中國大大縮小了與領先國家的差距,同時還有局部參數的領先,至少推力目前是世界上最高的。

中國閉式膨脹循環技術加持的25噸級液氫液氧發動機,和印度的20噸級液氫液氧發動機并不在一個水平線上,而是提高了一個技術維度。下面我們講講膨脹循環發動機的優勢。

二、什麼是膨脹循環發動機,有什麼優勢

膨脹循環發動機,有三大優勢,分別是性能高、結構簡單、可靠性高。

我記得很多年前,曾經寫過一篇小文章,提到了創新,那時候我還不太了解火箭發動機,對汽車發動機了解也不多。當時我就想,汽車發動機排出廢氣的同時,還排出了很多廢熱,如果能把這些廢熱利用起來,沒準還可以用來烤面包。所有的熱機,之所以效率不高,都是因為有很多廢熱白白浪費掉了,多利用一些廢熱,就會減少一些損失。后來才知道,汽車的渦輪增壓技術,其實就是利用廢熱的一種方式,利用了更多的廢熱,也就提高了發動機性能。

膨脹循環發動機,恰恰是利用廢熱來驅動的發動機。大家應該都知道,氫氣在氧氣中燃燒能產生高達3000℃的高溫,任何材料都難以長時間承受如此高的溫度。為了減少高溫對火箭內部材料的燒蝕,往往需要一定的冷卻技術,及時降低發動機的溫度。最簡單的辦法,就是用燃料來冷卻發動機。對于液氫燃料來說,通過管路冷卻完發動機以后,自己就變成了高溫的氫氣。體積明顯膨脹,然后讓這些熱氣去帶動液氫的渦輪泵,渦輪泵再把高壓氫氣注入發動機燃燒。所謂肥水不流外人田,渦輪泵無需外力做功,就可以高效工作,從而提高了火箭發動機的工作效率,提高了發動機性能。膨脹循環發動機,已經可以實現460多秒的比沖,比其他各種類型的化學燃料火箭發動機比沖都高。

閉式膨脹循環

膨脹循環發動機相對于燃氣發生器循環發動機和高壓補燃循環發動機來說,結構要簡單得多,但結構簡單并不代表研發也簡單。之所以說它結構簡單,是因為不需要額外設計推動渦輪泵的裝置。其它發動機要麼需要安裝電動機驅動渦輪泵,要麼需要額外的預燃燒室來產生熱氣驅動渦輪泵。增加裝置意味著增加了結構的復雜程度,膨脹循環發動機不需要增加那些結構,只需要科學設計燃料流動的管路就可以,通過燃料罐的壓力推動燃料流進管道,然后在流經發動機的冷卻管路中被加熱膨脹,膨脹后的熱氣推動渦輪泵,把更多燃料從貯箱里面抽出來送進發動機。

聽起來挺簡單的,實際設計起來,絕非易事。怎樣設計管路和流量,既要高效冷卻發動機,又要有足夠強的力量帶動渦輪泵,還要盡量減少浪費,把所有燃料全部送進燃燒室燃燒。這些無不考驗著設計人員的設計能力。這種發動機很難實現大推力,因為是熱氫氣和燃燒室的壓強差推動了渦輪泵,壓強差越大,渦輪泵效率越高。而高壓氫氣推動完渦輪泵以后還要進入燃燒室,燃燒室里面本來就有很高的壓強,如果循環產生的高壓氣體壓強比燃燒室壓強低的話,根本無法推動渦輪泵,壓強差不夠大,渦輪泵的功率也不會太高。所以就算美國和俄羅斯的膨脹循環發動機,推力也不過10噸左右。中國這次實現25噸級的膨脹循環發動機,不得不說是一個重要突破。

當然,膨脹循環發動機還有另外一條路線可以提高推力,那就是開式膨脹循環。也就是推動渦輪泵旋轉的熱氫氣并不送進燃燒室燃燒,而是直接排掉。這樣對于渦輪泵來說,就可以獲得足夠大的氣體壓差,可以獲得足夠大的功率。從而可以突破閉式膨脹循環發動機的推力限制,理論上可以實現百噸級推力,但是由于會浪費一部分燃料,工作效率會有所下降,比沖也會偏低。日本主要采用這樣的技術路線,目前正在研發百噸級膨脹循環發動機。

再簡單說說可靠性高的問題。由于膨脹循環發動機,相對于其它類型的發動機結構簡單,關鍵部件少,啟動過程相對比較平穩,推動渦輪泵運轉的高壓氫氣溫度相對比較低,渦輪泵不必在高溫下工作,整個發動機運行起來可靠性也就會比較高。比如日本的膨脹循環發動機,在火箭發射故障,發動機預冷不充分、燃料箱箱壓不足的情況下依然可以正常點火平穩工作,充分體現了這類發動機的高可靠性。

三、中國25噸級膨脹循環發動機的不足

相對于美國的同類型發動機466秒比沖來說,中國最新25噸級膨脹循環發動機的比沖只有450多秒,還有一定的提升空間。這主要是發動機噴管不夠大造成的,美國的發動機噴管面積比達到了1:285,中國的噴管面積比設計值只達到1:160,提升空間還比較大。那位朋友說了,不就是一個噴管嗎?設計個大的不就行了嘛?

絕對沒有想象的這麼簡單,一個噴管,不可能做太大,要不然火箭上面根本裝不下,重量更是不能太重了,否則通過擴大噴管換來的性能提升,還趕不上噴管質量增加帶來的性能損失。美國的RL-10B發動機,采用的是碳復合材料可折疊噴管,本身重量就小,通過折疊還可以減少占據的體積,發射到太空以后再伸展開獲得高性能。

中國長征五號使用的膨脹循環發動機,使用金屬噴管,面積比只有1:80,造成比沖性能只有442秒,性能大打折扣,跟印度的434秒比優勢也不明顯。最新的25噸級膨脹循環發動機采用碳陶復合材料,兩段組合方案,比沖達到450秒以上,性能比長征五號的發動機有了明顯的提升,但距離世界最高水平還有差距,未來還有改進空間,面積比有望達到1:260,比沖有望超過460秒。另外,新發動機的推力調節范圍相對于長征五號有了質的突破,YF-75D不能調節推力,最新發動機能實現推力60%-100%。但是相對于美國的20%-100%,還有不小的差距。

好了,就說這麼多吧。大家覺得新發動機到底算是一台先進發動機還是一台落后發動機呢?這款發動機有沒有機會替代YF-75D,用到長征五號和921火箭上面呢?

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