液氧甲烷火箭成航天宠儿,中国差点创造历史,SpaceX猛禽不容小觑


火箭有很多,但目前航天界的宠儿是“液氧甲烷火箭”,很多国家和民营航天公司都在研发液氧甲烷发动机和液氧甲烷火箭,其中SpaceX的星舰火箭(使用猛禽发动机),ULA的火神火箭(计划方案BE-4液氧甲烷发动机,备选AR-1液氧煤油火箭发动机)都计划2022年首飞,但至今为止也没有发射动静。

只有中国民营航天公司蓝箭,自主研发的“朱雀二号”液氧甲烷火箭在2022年实现首飞,遗憾的是首飞失利。若是成功的话,将会创造历史:全球首款发射成功的液氧甲烷火箭!

根据官方的公告显示:火箭一级、二级主机飞行正常,二级游机工作异常,导致火箭虽然飞到了400公里的高度,但没有达到目标轨道高度,最终导致火箭发射任务失利。
这次出现异常的二级游机不仅能提供动力,还能调整姿态,为星舰分离做最后的准备。可没想到的是,二级游机出现故障,也就是百米赛跑已经跑了99米,就差临门一脚却出问题,导致火箭没能将卫星送到目标轨道高度。

无论是官方,还是航天爱好者,都对朱雀二号火箭给予了很高的评价,认为“虽败犹荣”,因为朱雀二号是首次飞行,火箭的首飞本来就可能会出现各种事故,长征五号运载火箭总设计师李东表示:大型低温火箭,在全球的首飞成功率只有50%。
其次,朱雀二号遥一火箭是人类第一款液氧甲烷火箭发射,而朱雀二号一级、二级主机飞行正常,也充分说明了中国的液氧甲烷发动机经受住了考验,而这就是最大的成功。
目前朱雀二号遥二火箭已经开始总装,为朱雀二号第二次发射做准备,但是朱雀二号遥二火箭也有游机,所以游机飞行异常的原因还需要彻底解决,才能保证遥二火箭正常发射。

液氧甲烷发动机
液氧甲烷火箭有很多优点,它的比冲仅次于液氧液氢火箭,但是甲烷比液氢更便宜,发射费用低;
液氧甲烷的温差比液氧液氢要小,隔温措施更简单;
液氢密度低,需要用更大的罐子储存;而甲烷密度较高,用到的罐子较小,自重较低。
液氧甲烷火箭不会结焦,使用维护极为方便,满足可重复使用火箭的需求等。
液氧甲烷火箭的关键点,就是液氧甲烷发动机,目前有很多个液氧甲烷发动机:
SpaceX的猛禽发动机
蓝色起源的BE-4发动机
欧空局研发的普罗米修斯发动机
俄罗斯的RD-0169液氧甲烷发动机
中国航天科技六院研发的80吨级液氧甲烷发动机
(普罗米修斯发动机)
也就是说,在液氧甲烷发动机方面,航天大国们都在发力,但是多款液氧甲烷火箭都还没有发射,这下就能明白朱雀二号首飞的意义有多大了吧!
虽然都是液氧甲烷发动机,但是不同的液氧甲烷发动机采用的循环结构不同:
朱雀二号使用的TQ-12发动机,采用的是燃气发生器循环,也就是“开式循环”;
SpaceX的猛禽发动机,采用的是全流量分级燃烧;
蓝色起源的BE-4发动机,采用的是富氧燃烧;

虽然看图会非常直观的看出来不同的循环结构,但可能还有很多人比较懵,这都是啥?
通俗来说就是,火箭发动机,就是将燃料和氧化剂推送到燃烧室,最简单的方式就是燃料和氧化剂罐子是高压,燃烧室是低压,如此一来只需要通过阀门来调节流量,就能让火箭发动机运转。
但是这有一个缺点,想要储存高压燃料,罐子必须要非常厚,而罐子越厚需要带的燃料就越多,带的燃料越多就需要更多的燃料来推动火箭,所以这个方案不划算。
还有一个方案:想要把燃料和氧化剂挤到燃烧室中,还可以通过泵来实现,而火箭对燃料的需求量非常大,泵每秒钟要推动上百升的燃料,也需要能量才能驱动。预燃室存在的目的就是驱动涡轮泵,预燃室可以燃烧一部分燃料来推动涡轮泵。

开式循环:预燃室产生的废气直接排到外界,而且如果预燃室的燃烧非常充分,燃烧室的温度将会过高,损坏涡轮叶片。所以一般采用富燃的方式,也就是燃料多一些,氧气少一点,这样还没有完全燃烧的燃料就能带走热量,让预燃室的温度不至于太高。但缺点就是这些燃料都被浪费了,耗油量大。目前朱雀二号使用的TQ-12发动机就是开式循环,SpaceX的梅林发动机也是开式循环,不过梅林发动机使用的是液氧煤油当作燃料。
(梅林发动机,黑色烟雾就是未完全燃烧的燃料)
(天鹊发动机)
能不能把预燃室排出去的废气再放回到燃烧室呢?
可以,这就是闭式循环!
闭式循环(富燃):预燃室有大量没有完全燃烧的燃料,放到燃烧室中继续燃烧。但缺点是如果使用的是“液氧煤油”,没有完全燃烧的煤油会产生大量的碳颗粒,它会积碳、结焦,很容易堵塞发动机,所以使用闭式循环(富燃)不能使用液氧煤油,液氧液氢、液氧甲烷倒是可以使用这种方式,因为它们不会结焦、积碳。

闭式循环(富氧):如果放入到预燃室中的燃料少一点,氧化剂过多,这就是闭式循环(富氧),它解决了液氧煤油会产生结焦的难题,但它会产生高温,需要特殊的合金才能承受住如此高的温度。

全流量分级燃烧:它有两个预燃室,一个预燃室是富氧,一个是富燃,因为所有的氧化器和燃料都要经过预燃室,所以叫做“全流量”。

全流量分级燃烧显然可以更充分地利用燃料,但对技术要求更高,目前放眼全球,也没有几个全流量分级燃烧的发动机,猛禽发动机算是一个,实力可以说是不容小觑。如果使用猛禽发动机的星舰能够成功发射,那它也将会创造历史!

中国的天鹊发动机不如美国的猛禽吗?
同样是液氧甲烷火箭,天鹊发动机采用的是开式循环,而猛禽发动机采用的是全流量分级燃烧,是否代表着天鹊发动机不如猛禽发动机呢?
其实这东西没有绝对的好还是坏,就比如:同样是燃料,液氧液氢的比冲最高,为啥还有很多火箭使用的是液氧煤油?因为需求不同!

天鹊发动机是中国民营企业蓝箭研发的,目的是为了争夺商业发射市场,作为一家2015年才成立的企业,思考的肯定不是研发最新科技,而是从最简单的开式循环研发,之后再慢慢升级。如果一开始就研发全流量分级燃烧方式,难度太大,需要投入的资金更多,研发周期更长,不利于民营企业的发展,很可能还没发展起来,就倒闭了。

而SpaceX在2015年就已经实现了盈利,可以用利润支持开发,所以研发猛禽发动机也顺理成章。
更重要的是,东西不是越好就越好,而是要匹配任务。比如:一个拥有博士毕业证,各项技能都非常强的人去应聘前台,但对工资要求是5万一个月,HR肯定不会录用;而是录用一个虽然学历不起眼,但对工资要求是只有5000块一个月的人。毕竟对于前台来说,这个学历已经够用了。
朱雀二号瞄准的是低、中、高轨道的运载发射任务;而猛禽发动机是装载在超重型星舰运载火箭上面,该火箭的任务是载人登火任务,对发动机的要求更高。

不管怎么说吧,液氧甲烷火箭目前是研发的新方向,各个航天大国都在蓄力中,而朱雀二号率先首飞,虽然首飞失利,但是一级和二级发动机主机经受住了考验,算是“虽败犹荣”。
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