为什么SpaceX的梅林1D发动机有排气管排出废气,而中俄的YF-100和RD-180煤油机却不需要?

为什么SpaceX的梅林1D发动机有排气管排出废气,而中俄的YF-100和RD-180煤油机却不需要?

那个是废气喷管,用来排放推动涡轮做功后的涡轮废气。

根RD170和YF100不同,是因为火箭发动机的循环方式不同的问题。

首先说一下火箭发动机的功率,火箭发动机的有效功率,以航天飞机主发动机来举例,航天飞机主发动机的功率大约是5000MW,这个数字是个什么概念呢?

我们可以很容易的查到北京市的发电量数据,大约是每年300亿千瓦时,如果平均下来相当于多大的功率呢?这个不难计算。三百亿除以一年365天,除以每天24小时就是平均发电功率可以算出是3 424 657千瓦,也就是大概3425MW。比航天飞机主发动机有效功率略小一些。而航天飞机有三个主发动机,每一个的功率都超过整个北京市的发电量,想一想这是多么可怕的能量。航天飞机或者土星五号发射一次释放的总能量都几乎达到了一个原子弹的级别。

根据能量守恒,如此强大的能量显然不是凭空出现的,如此大的能量是以每秒钟都要烧掉吨级别的推进剂作为代价的。而这些推进剂如何供应就是一个很重要的问题。

热机的原理表明,如果要想让一个热机的效率越高,就需要提高它的增压比。而对于火箭而言,这个增压比就是它的燃烧室压强。现代火箭的燃烧室压强通常在50倍的大气压以上,spacex的梅林发动机初期型号燃烧室压强差不多是60倍大气压,改进后的梅林1D燃烧室压强达到了100倍的大气压。

流体都有从高压的地方,流向压强较低的地方的趋势,液体推进剂也不例外。如果我们有一个火箭发动机,燃烧室压强是100倍大气压,那么推进剂在进入燃烧室之前压强应该高于100个大气压,比如说至少达到120个大气压。而怎么给推进剂增压就是火箭循环的关键问题了。

最简单的一种方式就是挤压循环,使用一个高压气瓶给推进剂储罐加压,比如燃烧室压为100个大气压,那么储罐内就用气瓶加压到120个大气压。虽然燃烧室内有高压,但是只要保证火箭储罐内压强比燃烧室压强还高,就能把推进剂挤进燃烧室,进行燃烧。

这种方式的优点是结构简单,但是缺点极大。我们日常使用的高压锅压强只有两倍大气压,如果爆炸,威力已经十分可观。如果我们火箭储罐内压强高达120个大气压,需要非常厚的储罐才能保证火箭储罐不至于爆炸。这很可能需要储罐比推进剂还重,如此笨重的火箭是无法将卫星送入轨道的。当然,这种循环并不是毫无用处,姿态控制发动机,变轨发动机经常使用挤压循环。

当然,这个问题难不倒科学家和工程师们,有一个很常用的给流体加压的工具,那就是泵。

如果用泵来给推进剂增压的话,就不会遇到这种问题了。这样的话储罐就不需要被几十甚至上百个大气压所摧残,因为储罐中的推进剂几乎是常压的,而储罐不需要承受高压的话,自然能够做得很薄,减重也就能够达到要求,于是就有了燃气发生器循环。

因为泵需要消耗巨大的功率(比如航天飞机主发动机泵总功率大约为60MW,虽然比不上整个发动机的功率,如此大的功率依然是非常可观的),如何提供这样一个功率就是一个巨大的问题。火箭发展的先驱戈达德想到的办法是加装一个汽油机来带动泵。但是这有一个很明显的问题,如果要飞到太空的话,汽油机吸气从哪来?太空从哪去搞助燃的空气?所以这种方案并没有被实用化。第一个真正实用化的液体火箭是德国人大名鼎鼎的V2导弹,它使用了一个创新的方法。初中我们都学过过氧化氢(双氧水)可以分解为氧气和水的过程。因为这个过程是放热的,当过氧化氢浓度足够高,其放出的热可以使水沸腾,也就是说产生的是高温的水蒸气和氧气。德国人用过氧化氢分解的气体来吹涡轮,并以此来带动泵。从而实现了真正实用化的第一个液体火箭。但是高浓度过氧化氢不但催化的情况下会分解,受到撞击,震动也可能会像炸药一样剧烈爆炸,这对安全使用是不利的,而且过氧化氢的分解放出的能量也不如燃烧放出的能量高。也就意味着,需要更多的过氧化氢来推动涡轮,这意味着火箭需要带很多多余的质量,会使其性能下降很多。

在此之后美苏两大国开始进入了太空时代,主流的发动机采用的是一个预燃室来提供燃气推动涡轮。这个预燃室烧火箭本身的推进剂,而不需要额外一个过氧化氢储罐。而且由于是燃烧反应,其放出的能量比过氧化氢分解高得多,性能自然也提高了不少。

但预燃室有一个毛病,那就是它绝不能让推进剂完全燃烧。

不管是液氧煤油推进剂,液氧液氢推进剂,还是肼类推进剂其完全燃烧产生的温度都达到了3000度以上,不锈钢的最高使用温度大约1000度,航空发动机用的高温合金最高使用温度也不过1300-1400度。很多推进剂完全燃烧产生的温度足以融化任何固体材料,无一例外。而高速旋转的涡轮叶片上很难用推进剂流过来吸收热量进行冷却。也就是说如果让推进剂完全燃烧,涡轮将不可避免的会被烧化。

而如果不完全燃烧,就能解决这个问题。不完全燃烧的方法很简单,要么氧化剂过量,要么燃料过量。反正就是不能完全燃烧。比如spacex的梅林发动机,就采用的是燃料过量。而我们日常生活中都会发现,如果氧气不足,煤油柴油或者石蜡之类的碳氢燃料会烧出巨大的黑烟。我们可以看到spacex的梅林发动机的排气管排出的涡轮废气里面就有大量的黑烟,这就是煤油过量的结果。

接下来接着说燃气发生器循环有一个缺点,那就是预燃室烧的推进剂的比推力很低,远低于燃烧室的,一般计算发动机推力的时候都可以忽略涡轮废气产生的推力。这个的根本原因就是,这一部分推进剂不是完全燃烧的,而主燃烧室是完全燃烧,既没有氧化剂过量也没有燃料过量的。预燃室一般都不会使用氧化剂过量的燃气,因为如果采用液氧燃料,烧出来几乎是纯氧,而用来做涡轮的金属材料在高温纯氧中很容易被氧化腐蚀,如果要使用氧化剂过量的富氧燃气,就必须要让氧化剂过量程度更大,使其燃烧后温度降到更低,保证不会对涡轮有所危害。但这也就意味着,燃气的做功能力降低了,需要用更多的燃气来推动涡轮,带来性能损失,所以富氧燃气来推动涡轮的燃气发生器循环发动机至今没有应用过的。

之前提到过,燃烧室压强越高,火箭发动机的热效率就越高,也就是比推力(单位推进剂在单位时间内燃烧所能产生的推力)会越高。但这样的话,泵所需要增压的压强也就越高,泵消耗的能量也会增大,预燃室燃烧所需要的推进剂也就越多。如果我们用10%的推进剂在预燃室燃烧,推动涡轮,也就意味着比推力下降10%。对火箭发动机而言,他要求较高的性能,10%的性能损失是非常大的,难以接受的性能损失。这也就意味着燃气发生器循环的燃烧室压强不能太高。提高燃烧室压强,虽然主燃烧室的比推力提升,但是涡轮废气带来的比冲损失会让整体性能不升反降。对于燃气发生器循环的火箭发动机而言,一般燃烧室压强最高只会做到100个大气压,再高了性能反而下降。

而这时有另一种解决方法就是分级燃烧循环

对比分级燃烧循环与燃气发生器循环,我们可以发现,主要的区别在于一个涡轮废气直接排出了,一个涡轮废气排入推力室补燃了。而这也就意味着,废气损失不存在了,别说让10%的推进剂通过预燃室,就算让70%的推进剂在预燃室燃烧,推动涡轮,而后进入燃烧室燃烧,也不会有性能损失。虽然燃料在预燃室因为涡轮无法冷却,不能够完全燃烧,但是不完全燃烧导致剩余大量氧化剂或者燃料的推进剂可以在排入燃烧室后完全燃烧,最终所有的燃料都能完全燃烧。这是一个巨大的飞跃,因为燃气发生器循环的火箭发动机燃烧室压强最多做到100个大气压,再提高性能反而降低,而分级燃烧循环完全没有这个问题,燃烧室压强在200个大气压以上的比比皆是。俄罗斯的RD170系列,中国的YF100,美国的航天飞机主发动机都是如此,燃烧室压非常高,所以效率也非常高,带来的性能比推力也就是比冲也非常高。但是这是有代价的。分级燃烧循环的火箭发动机结构复杂,零件多,对泵,涡轮,性能要求都很高,导致研发成本远高于燃气发生器循环的火箭发动机,对于液氧煤油燃料更是如此。在燃气推动涡轮做功之后,燃气需要从喷注器喷入燃烧室进行完全燃烧,而喷注器其实类似于我们的淋浴喷头,是有很多小孔组成的。如果我们使用燃料过量的燃气,煤油将会燃烧产生很多的碳粒,一旦堵住喷注器,严重时可能导致火箭发动机爆炸。所以其预燃室必须采用氧化剂过量,而非煤油过量的方法,这样才能产生“干净”的燃气,不会堵塞喷注器,可以排入主燃烧室燃烧。而如果氧化剂过量,涡轮几乎是在纯氧中工作,这对涡轮的抗氧化性能,还有预燃室的燃气均匀性,以及很多问题都提出了挑战。如果燃气不均匀,一部分燃气温度高,一部分燃气温度低,可能导致温度高的地方涡轮被氧化,甚至断裂,引起发动机爆炸,除此之外,分级燃烧循环液氧煤油发动机需要攻克的技术难题还有很多,目前世界上只有俄罗斯和中国能制造这种发动机。

对比一下两种循环液氧煤油发动机的特点:燃气发生器循环:优点:结构简单,成本较低,研发容易缺点:性能较低,燃烧室压有不高的上限分级燃烧循环:优点:性能高,燃烧室压上限很高,无积炭,可重复利用缺点:技术门槛较高,研发成本较高

从结论来说的话,分级燃烧循环是远远先进于燃气发生器循环的。燃气发生器循环的液氧煤油发动机预燃室中的积炭有可能会沉积到涡轮上,时间久了会影响可靠性,不利于重复利用,而分级燃烧循环不存在这个问题,性能较高,没有废气损失。这也就是美国拥有燃气发生器循环的F-1火箭发动机,却依然需要引进俄罗斯的RD180火箭发动机的原因。

spacex现有的梅林火箭发动机相当于是比中俄的富氧预燃室分级燃烧循环发动机落后的。以梅林发动机的情况,就算猎鹰九号回收成功率做到了70%以上,一个火箭估计也最多发射两三次,因为积碳会影响其多次飞行,重复利用,YF100反而比梅林更适合做可回收利用的火箭。当然,这是目前的情况,据说spacex今后要做分级燃烧循环的猛禽发动机,如果成功了的话,性能将会追赶上中俄的液氧煤油发动机。只不过好多年前就说在搞了,但是长期也没什么消息,以spacex拖延症的习惯来说,不要抱太大期待。

(ps:缩小版的猛禽发动机在2016年九月试车了,如果实用化的话对spacex的可重复利用火箭有重大意义)

顺便一提,大多数燃气发生器循环的发动机都是具有排出涡轮废气的喷口的,比如中国的YF77也一样。红色部分就是

看有没有废气涡轮喷口是一种识别火箭发动机循环方式的比较简单的方法,不过并不完全可靠。比如F-1火箭发动机就是在喷管上将涡轮废气排出的

箭头所指的地方就是涡轮废气导管,在框中的地方排出,看起来好像没有涡轮废气喷口了,但实际上还是有的。

ps:美国新的SLS运载火箭又要把压箱底的F-1发动机改一改拿出来当助推器用了,又有充满了燃气发生器循环的气息的涡轮废气喷管了

2016年10月1日更新:

spacex新搞了一个raptor火箭发动机,该发动机各项指标相当先进。使用了全流量分级燃烧循环,采用液氧甲烷推进剂,不会产生积碳,极为利于重复使用。关于全流量分级燃烧循环的知识可以参考我另一篇回答:http://www.zhihu.com/question/35950057/answer/102613447