火箭发动机的鄙视链,梅林站在最底下一档
中国商业火箭圈里,全流量补燃这个词出现得越来越频繁。
蓝箭的蓝焱、星梭的猛犸一号、天兵规划中的天火21,越来越多团队把下一代液体动力押向这条路线。SpaceX 的猛禽用的也是它。
于是很容易形成一种直觉:做到全流量补燃,发动机就更先进。
鄙视链是怎么排的
商业火箭确实有自己的排序。
能回收的压过一次性的,大运力压过小运力,液体往往比固体更受追捧。
到了发动机层面,还有一个更专业的排序:循环方式。
燃气发生器循环在最下面,全流量分级燃烧在最上面。
梅林站在最底下一档
猎鹰9号一级用 9 台梅林,烧液氧煤油,采用燃气发生器循环。
原理很简单:拿出一小部分推进剂,在主燃烧室之外的燃气发生器里烧掉,用高温燃气推动涡轮,涡轮带动燃料泵和氧泵。
这部分燃气做完功就直接排掉,不再进主燃烧室。
代价是损失一部分推进剂效率。好处是系统简单,压力和热环境不用推得太激进。
按鄙视链,梅林早该被淘汰。
但事实是,猎鹰9号的高频发射和一级复用,靠的就是这套不顶级的循环。
全流量的真正优势
到了星舰,SpaceX 换成了猛禽,液氧甲烷,全流量分级燃烧。
燃料和氧化剂分别进入富燃、富氧预燃室,驱动各自的涡轮泵,两路燃气全部进主燃烧室继续燃烧。
它比梅林强在哪里?关键在涡轮。
梅林只有少量推进剂推动涡轮。涡轮需要大功率时,这一小股燃气要承担很高的能量负荷。
全流量让几乎全部推进剂先经过两个预燃室,参与驱动涡轮的质量流量大幅增加。同样一份功率,参与做功的工质更多,每公斤燃气承担的负荷就低。
再加上两个预燃室分别工作在富燃和富氧状态,燃气温度也被控制在涡轮材料能承受的范围内。
两层因素叠加,涡轮入口温度和热应力都降下来了。
这不是泛泛的性能更先进。NASA 和美国空军当年做全流量分级燃烧验证时,就把降低涡轮温度和应力、延长寿命列为主要优势,项目按最高 200 次重复使用目标设计。
没有最好的循环,只有合适的目标
如果目标是一次性把载荷送上去,燃气发生器循环够用,成本低,可靠性已经被反复验证。
如果目标是几十次复用,涡轮寿命就成了瓶颈,全流量才有意义。
梅林站在鄙视链最底下一档,但它支撑起了人类历史上发射频率最高的火箭。
工程选择的评价标准从来不是排名,是目标。
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