回收发动机:为何选择液氧甲烷?

一般的液体发动机的燃料类型有偏二甲肼+四氧化二氮(毒发)、液氧液氢(低温火箭)、液氧煤油(煤油机)、液氧甲烷(回收火箭),这几种类型中,因为偏二甲肼和四氧化二氮有毒,所以目前使用越来越少。

液氧液氢倒是性能优秀,但由于保存比较困难,还会泄漏,体积也太大,上面级用的比较多,虽然一级火箭也用,但并不是主流,目前主流的一级火箭发动机是液氧煤油,比冲一般,但好在煤油密度比较高,体积不大,所以液氧煤油机非常流行,比如阿特拉斯的RD-180和猎鹰-9的梅林发动机,还有中国CZ-5的助推器YF-100等等都是煤油机。

但用在回收的火箭发动机上煤油机还有是有些欠缺,虽然猎鹰-9的梅林煤油机也是回收的,但梅林是开式循环,室压不高,比冲比较低。因为煤油属于高碳燃料,比较容易积碳,不容易处理,不方便回收,而甲烷低碳气态燃料,基本没有积碳,因此在专门回收的火箭发动机类型中基本都会选择液氧甲烷机。

全流量分级燃烧循环

相信很多朋友对这个火箭发动机类型实在不太了解,因为说法太多了,循环的作用是将火箭燃料泵入发动机的过程,因为燃烧室发生燃烧后压力会增加,常压燃料进不去,所以要加压,循环就是各种加压方式,笔者在下面列一个火箭发动机的循环模式以及常用的说法:

  1. 挤压循环:用一个高压气瓶增压;
  2. 膨胀循环:开式膨胀循环、闭式膨胀循环
  3. 燃气发生器循环,也称开式循环
  4. 分级燃烧循环,也称高压补燃
  5. 全流量分级燃烧循环
  6. 燃烧室抽气循环
  7. 电泵循环

详细介绍太复杂,笔者打算每种发动机用几句话说清楚,膨胀循环是用火箭发动机高温加热低温燃料膨胀推动涡轮机泵入燃料,开式是这些燃料膨胀后排出发动机,比较浪费,闭式是这些膨胀后的燃料会再进入发动机燃烧室,比较节省燃料。

燃气发生器循环是燃料通过预燃室推动涡轮,泵入燃料,开式就是这些经过预燃室排出发动机,优点是结构简单,缺点时由于预燃涡轮不能太高,经常是富燃或者富氧低温状态燃烧,所以比较浪费;将这些浪费的燃料再次注入燃烧室就是分级燃烧循环,国内也称高压补燃。