多級泵

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人類為何要在擁有高性能氫氧火箭發動機之后,還要開發液氧甲烷發動機?

亞馬遜老板貝佐斯的液氧甲烷發動機BE-4拿了五角大樓合同,為ULA給美國空軍發射項目的火箭提供發動機,真是激動人心。另一位更有名的航天創業明星埃隆馬斯克的SpaceX下一代重型火箭BFR主發猛禽也同樣選了液氧甲烷組合。

縮比猛禽

為啥人類有了強大的氫氧火箭,卻在現在開始大力發展液氧甲烷了?

The absolut masterpiece

堪用的比沖

液體火箭燃料氧化劑組合比沖

火箭的推進效率也就是比沖定義為:每一公斤燃料產生一公斤推力的持續時間,單位為秒。而比沖跟噴氣速度成線性相關。

液氧甲烷的比沖雖然低于優秀的氫氧組合,但是依舊比液氧煤油高出一些,使得這個燃料氧化劑組合有了實用價值。

氫氣對工程學提出的挑戰

液氫因為低溫,造成了很多工程困難,如果液氫在管路中遇到空氣,那空氣會直接結冰而堵住管路。氫氣的密度極低,分子極小。分子小導致別的氣體無法滲透的地方,氫氣可以,所以氫管路閥門都對設計制造提出了極高要求。另外氫氣會滲入金屬部件,造成氫脆問題,不再展開。

較低的甲烷燃料罐設計制造難度

因為氫氣密度極低,氫氧火箭的氫氣罐遠比氧氣罐要大。

航天飛機,注意燃料罐上部為氧氣罐,下部為氫氣罐

阿麗亞娜5號,GS子型號,主火箭中紅球是氧氣罐,藍色是氫氣罐

氫罐很大,但又很輕,對整體設計不是很友好。

相對于氫氧組合,甲烷的沸點遠高于液氫,和液氧接近,分子又大,真是太友好啦!

SpaceX BFR主火箭燃料罐/氧氣罐

液氧甲烷火箭的燃料罐和氧氣罐差不多大,省了不少事呢。

較低的渦輪泵設計制造難度

一臺火箭發動機的絕大部分設計成本和大部分制造成本都是它的渦輪泵,因為氫的密度太低,氫泵轉數要求高,設計很困難。需要多級泵才能達到想要的燃燒室壓力。

航天飛機主發SSME渦輪泵

SSME的高壓氫泵,這么大的體積可以輸出57兆瓦

甲烷火箭從燃料罐,到管路,再到渦輪泵,全都大幅降低了難度。其渦輪泵甚至一級就夠了。

不易結焦

相比煤油火箭,液氧甲烷組合的發動機不易結焦。不光是提高燃氣發生器溫度,主燃燒室壓力潛力更大。而且再次使用時,省了清理工作。

外星有儲量豐富的甲烷

火星甲烷生成路線

咱們惦記著星際旅行,出了門沒地方加油回不來了咋辦。甲烷這個東西在外星不是個稀罕物,所以甲烷火箭到了火星,可以想辦法加注火星產的甲烷再飛回來。當然別的有甲烷的星球也行。

較低的流體模擬設計難度

氫氣分子

甲烷

RP-1的成分,就不畫分子了

甲烷分子雖然比氫氣復雜,但是比煤油分子簡單多了。

氫氧燃燒全部反應

上圖是氫氧燃燒的全部分反應,雖然初中化學氫氧燃燒簡化到只有2H2+O2=2H2O,但是實際情況復雜很多。想象一下煤油燃燒的復雜程度,下圖為煤油燃燒的簡化反應。甲烷就簡單得多了。這使得發動機設計,流體和燃燒模擬工作,降低了很多難度。

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