液氧甲烷火箭发动机:中国与美国商业航天企业挑战新的技术巅峰

小火箭出品

本文作者:邢強博士

本文共3231字, 36圖。 預計閱讀時間:5分鐘


2018年7月5日夜晚, 中國民營商業航天企業藍箭空間在北京水立方舉行發布會, 展示了中國首款由民營企業研制的液氧甲烷發動機以及未來的多款火箭。

什么是液氧甲烷發動機?

答:液氧甲烷發動機就是以液氧為氧化劑, 以甲烷為燃料的液體火箭發動機。


以甲烷為主要成分的天然氣成為了一種重要的能量來源, 為人類文明的進步作出了巨大貢獻。



每1立方米的標準天然氣完全燃燒的話, 可以產生38兆焦耳的能量(相當于10.6度電)。

如今, 我們日常生活中已經很難離開甲烷了。


為什么要研制液氧甲烷發動機?

答:

液氧甲烷發動機的真正優勢終于被世人所知, 是在1986年。

這一年, 美國的火箭工程師們總結了6年來對液氧甲烷和液氧乙烷、液氧丙烷、液氧煤油、液氧液氫這5種液體推進劑的試驗結果, 得出了以下結論:

第一:液氧甲烷發動機是所有烴類燃料組合中, 最不容易結焦的;

第二:甲烷的粘度小, 冷卻性能遠高于煤油;

第三:液氧甲烷發動機的理論比沖為390.3秒, 高于液氧煤油的377.5秒;

第四:液氧甲烷發動機是所有烴類組合中, 最不容易積碳的。

工程師們這才意識到, 液氧甲烷發動機有這么多優點!


隨著SpaceX公司的獵鷹9號火箭的第一級重復使用技術的成功實現, 液體火箭發動機的單次任務可多次啟動和可在多次任務中使用的性能成為了工程師追求的目標。

而雖然目前獵鷹9號火箭依然使用液氧煤油火箭發動機, 但是實際上, 液氧甲烷發動機是更好的選擇。


1個甲烷分子里, 只有1碳原子。 這意味著甲烷在高溫情況下不會像煤油那樣發生裂解, (只有1個碳, 根本就沒有碳碳鏈)。

這就使得甲烷在高溫情況下, 很難結焦也很少有積碳。

試驗數據表明, 煤油的結焦極限溫度為833℃, 而甲烷的結焦極限溫度高達1223℃!


在幾十年的試驗中,工程師們發現,品質再好的煤油,在1195℃的時候也會出現結焦,而在1306℃下,大量的結焦已經開始威脅到整臺發動機的安全了。

因此,液氧煤油火箭發動機燃氣發生器的最高溫度被控制在1195℃以下。嗯,是的,即使是獵鷹9號火箭的梅林發動機也不能例外。

而如果換用甲烷的話,就沒有這樣的限制。因此,液氧甲烷發動機的燃氣發生器的效率理論上可以達到95%以上。

而液氧煤油發動機因為有最高溫度的限制,無法去極致地追求熱力學的最優狀態,其效率被鎖死在80.5%以下。

(實際上,為了安全考慮,現役液氧煤油發動機的燃氣發生器效率一般在70%左右,甚至有62%的現役型號,這里就不點名了。)

液體火箭發動機的渦輪泵非常害怕積碳(喜歡開車的小火箭好友可以類比汽車發動機)。積碳會嚴重影響渦輪的工作穩定性。而且,對于可重復使用火箭來說,每臺發動機在執行完當次任務后,最好里面仍然是干干凈凈的如同新的一樣,這才能從本質上降低可重復使用運載火箭的發射成本。否則,每次發射完再拆開清理一遍積碳還是蠻累人的。

在正常工作狀態下,液氧甲烷發動機的碳在燃氣中的占比只有液氧煤油發動機的15.8%

這果然是極好的。


這是XCOR的5M15液氧甲烷發動機點火時的樣子,漂亮的馬赫環。


在這里小火箭補充一個液氧甲烷發動機相對于液氧煤油發動機的另外一個優勢:

甲烷的粘度只有煤油的32%,在霧化過程中,會有非常類似于液氫的那種極細小的液滴出現。這樣的狀態非常有利于快速燃燒和持續燃燒的穩定性。

對于需要深度調節推力大小的可重復使用運載火箭的發動機來說,燃燒穩定性是個至關重要的性能指標。

上圖為一款液氧甲烷發動機的噴注盤(左)和燃燒室(右)部件。這兩個部件都是用激光增材3D打印的技術生產的。

目前,世界上有哪幾款液氧甲烷火箭發動機?

答:有3款。 美國SpaceX的猛禽下一代液氧甲烷發動機,美國藍色起源公司的BE-4液氧甲烷發動機,中國藍箭的天鵲液氧甲烷發動機。


說了液氧甲烷發動機的這么多好處,那么,現在有哪些企業在大力發展液氧甲烷發動機呢?

首先,就是SpaceX公司了。上圖為SpaceX公司的新一代運輸系統的概念圖。按設計,該系統使用的就是液氧甲烷發動機。


猛禽液氧甲烷發動機項目從2009年立項,到2015年,研制成功,出廠。

2016年1月份,美國空軍對液氧甲烷發動機技術表現出了濃厚的興趣,給SpaceX公司注資3360萬美元,要求入股猛禽液氧甲烷發動機項目。

SpaceX在該項目中的投入估值為6730萬美元,基本上保證了商業航天企業與美國軍方的投入比例為2:1


2016年9月25日,在美國德克薩斯州,猛禽液氧甲烷火箭發動機首次點火成功。這款海平面比沖330秒,真空比沖375秒,真空推力高達1900千牛(是現役梅林1D液氧煤油發動機最大推力的2.08倍)的發動機將會成為SpaceX公司星際航行任務的動力來源。

BE-4


2017年3月6日,美國藍色起源公司的首臺液氧甲烷發動機出廠。



這是藍色起源公司BE-4液氧甲烷發動機的零部件拆解合影。


藍色起源的新謝潑德火箭使用的是BE-3液氫液氧火箭發動機。隨著BE-4液氧甲烷發動機研制測試進度的加快,不久的將來,我們應該就能夠看到使用BE-4發動機的新型火箭升空。


雖然藍色起源公司比起SpaceX公司要低調了不少,但是其液氧甲烷發動機BE-4則悄悄地進入了小批量生產階段。



這是美國藍色起源公司的BE-4液氧甲烷發動機正在進行地面試車的場景。



中國藍箭的天鵲液氧甲烷發動機



未來,采用中國天鵲液氧甲烷發動機的中國首款液氧甲烷液體發動機的中型火箭,有著3.35米的直徑,48.8米的全長,216噸的起飛質量和268噸的起飛推力。

該火箭能夠將2噸的載荷送入500公里的太陽同步軌道,也能夠將4噸的載荷送入200公里的近地軌道。



美國SpaceX公司的獵鷹9號運載火箭已經廣為人知。


獵鷹9號的梅林1D液氧煤油發動機在未來,將會被SpaceX研制的猛禽液氧甲烷發動機所替代,以便用于今后更新的火箭型號。而為了加速該火箭發動機的研制進度,美國空軍已經開始對SpaceX公司提供資金支持。


在新的時代,液氧甲烷發動機擁有了能夠得以快速發展的3大因素:

第一,可重復使用運載火箭的興起使得在所有烴類燃料中積碳最少的液氧甲烷發動機得到了極大地重視;

第二,深空探測超遠距離太空航行對可長期貯存液體火箭燃料的需求使得熱管理方面擁有優勢的液氧甲烷發動機擁有較大的發展潛力;

第三,火星、泰坦星的探測任務使得液氧甲烷發動機擁有獨特的優勢(燃料可以在當地制備或提煉)。


奔向月球和火星或者更遠地方的深空探測器,需要其推進劑能夠在火箭內部可靠貯存數天甚至數月。

煤油容易凍住,液氫則過于調皮,總會想法設法跑掉。而甲烷的沸點為-161 °C,液氧的沸點為-183℃,二者比較接近。可以在今后的深空探測任務中,用類似的甚至相同的系統來統一進行管理。

另外,在火星和土衛六上,存在生產提煉甲烷的可能。這就為今后邁入深空的先驅者能夠乘坐火箭返回地球提供了條件。



火星大氣中95%的成分是二氧化碳,而火星土壤中有水,通過上圖這樣的化學反應,能夠制備出氧氣和甲烷。

她們,剛好分別是液氧甲烷火箭發動機所用的氧化劑和燃料。


因此,載人登陸火星的任務使得液氧甲烷發動機會在未來成為重要的發展方向。


目前人類所發現的最大甲烷湖叫做克拉肯海,位于泰坦星(土衛六)的北極區域,另外一個較大的甲烷湖被稱作安大略湖,位于泰坦星的南極區域附近 :)



因此,如果去泰坦星,恰好乘坐的是液氧甲烷發動機火箭的話,整湖整湖的都是燃料啊!


小火箭期待中國藍箭的天鵲液氧甲烷發動機在今年(2018年)實現整機點火,代表中國商業航天產業與美國SpaceX公司和美國藍色起源公司一起,共同挑戰人類液體火箭發動機技術新的巔峰,為人類的太空探索事業做出更多貢獻!

版權聲明:

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在幾十年的試驗中,工程師們發現,品質再好的煤油,在1195℃的時候也會出現結焦,而在1306℃下,大量的結焦已經開始威脅到整臺發動機的安全了。

因此,液氧煤油火箭發動機燃氣發生器的最高溫度被控制在1195℃以下。嗯,是的,即使是獵鷹9號火箭的梅林發動機也不能例外。

而如果換用甲烷的話,就沒有這樣的限制。因此,液氧甲烷發動機的燃氣發生器的效率理論上可以達到95%以上。

而液氧煤油發動機因為有最高溫度的限制,無法去極致地追求熱力學的最優狀態,其效率被鎖死在80.5%以下。

(實際上,為了安全考慮,現役液氧煤油發動機的燃氣發生器效率一般在70%左右,甚至有62%的現役型號,這里就不點名了。)

液體火箭發動機的渦輪泵非常害怕積碳(喜歡開車的小火箭好友可以類比汽車發動機)。積碳會嚴重影響渦輪的工作穩定性。而且,對于可重復使用火箭來說,每臺發動機在執行完當次任務后,最好里面仍然是干干凈凈的如同新的一樣,這才能從本質上降低可重復使用運載火箭的發射成本。否則,每次發射完再拆開清理一遍積碳還是蠻累人的。

在正常工作狀態下,液氧甲烷發動機的碳在燃氣中的占比只有液氧煤油發動機的15.8%

這果然是極好的。


這是XCOR的5M15液氧甲烷發動機點火時的樣子,漂亮的馬赫環。


在這里小火箭補充一個液氧甲烷發動機相對于液氧煤油發動機的另外一個優勢:

甲烷的粘度只有煤油的32%,在霧化過程中,會有非常類似于液氫的那種極細小的液滴出現。這樣的狀態非常有利于快速燃燒和持續燃燒的穩定性。

對于需要深度調節推力大小的可重復使用運載火箭的發動機來說,燃燒穩定性是個至關重要的性能指標。

上圖為一款液氧甲烷發動機的噴注盤(左)和燃燒室(右)部件。這兩個部件都是用激光增材3D打印的技術生產的。

目前,世界上有哪幾款液氧甲烷火箭發動機?

答:有3款。 美國SpaceX的猛禽下一代液氧甲烷發動機,美國藍色起源公司的BE-4液氧甲烷發動機,中國藍箭的天鵲液氧甲烷發動機。


說了液氧甲烷發動機的這么多好處,那么,現在有哪些企業在大力發展液氧甲烷發動機呢?

首先,就是SpaceX公司了。上圖為SpaceX公司的新一代運輸系統的概念圖。按設計,該系統使用的就是液氧甲烷發動機。


猛禽液氧甲烷發動機項目從2009年立項,到2015年,研制成功,出廠。

2016年1月份,美國空軍對液氧甲烷發動機技術表現出了濃厚的興趣,給SpaceX公司注資3360萬美元,要求入股猛禽液氧甲烷發動機項目。

SpaceX在該項目中的投入估值為6730萬美元,基本上保證了商業航天企業與美國軍方的投入比例為2:1


2016年9月25日,在美國德克薩斯州,猛禽液氧甲烷火箭發動機首次點火成功。這款海平面比沖330秒,真空比沖375秒,真空推力高達1900千牛(是現役梅林1D液氧煤油發動機最大推力的2.08倍)的發動機將會成為SpaceX公司星際航行任務的動力來源。

BE-4


2017年3月6日,美國藍色起源公司的首臺液氧甲烷發動機出廠。



這是藍色起源公司BE-4液氧甲烷發動機的零部件拆解合影。


藍色起源的新謝潑德火箭使用的是BE-3液氫液氧火箭發動機。隨著BE-4液氧甲烷發動機研制測試進度的加快,不久的將來,我們應該就能夠看到使用BE-4發動機的新型火箭升空。


雖然藍色起源公司比起SpaceX公司要低調了不少,但是其液氧甲烷發動機BE-4則悄悄地進入了小批量生產階段。



這是美國藍色起源公司的BE-4液氧甲烷發動機正在進行地面試車的場景。



中國藍箭的天鵲液氧甲烷發動機



未來,采用中國天鵲液氧甲烷發動機的中國首款液氧甲烷液體發動機的中型火箭,有著3.35米的直徑,48.8米的全長,216噸的起飛質量和268噸的起飛推力。

該火箭能夠將2噸的載荷送入500公里的太陽同步軌道,也能夠將4噸的載荷送入200公里的近地軌道。



美國SpaceX公司的獵鷹9號運載火箭已經廣為人知。


獵鷹9號的梅林1D液氧煤油發動機在未來,將會被SpaceX研制的猛禽液氧甲烷發動機所替代,以便用于今后更新的火箭型號。而為了加速該火箭發動機的研制進度,美國空軍已經開始對SpaceX公司提供資金支持。


在新的時代,液氧甲烷發動機擁有了能夠得以快速發展的3大因素:

第一,可重復使用運載火箭的興起使得在所有烴類燃料中積碳最少的液氧甲烷發動機得到了極大地重視;

第二,深空探測超遠距離太空航行對可長期貯存液體火箭燃料的需求使得熱管理方面擁有優勢的液氧甲烷發動機擁有較大的發展潛力;

第三,火星、泰坦星的探測任務使得液氧甲烷發動機擁有獨特的優勢(燃料可以在當地制備或提煉)。


奔向月球和火星或者更遠地方的深空探測器,需要其推進劑能夠在火箭內部可靠貯存數天甚至數月。

煤油容易凍住,液氫則過于調皮,總會想法設法跑掉。而甲烷的沸點為-161 °C,液氧的沸點為-183℃,二者比較接近。可以在今后的深空探測任務中,用類似的甚至相同的系統來統一進行管理。

另外,在火星和土衛六上,存在生產提煉甲烷的可能。這就為今后邁入深空的先驅者能夠乘坐火箭返回地球提供了條件。



火星大氣中95%的成分是二氧化碳,而火星土壤中有水,通過上圖這樣的化學反應,能夠制備出氧氣和甲烷。

她們,剛好分別是液氧甲烷火箭發動機所用的氧化劑和燃料。


因此,載人登陸火星的任務使得液氧甲烷發動機會在未來成為重要的發展方向。


目前人類所發現的最大甲烷湖叫做克拉肯海,位于泰坦星(土衛六)的北極區域,另外一個較大的甲烷湖被稱作安大略湖,位于泰坦星的南極區域附近 :)



因此,如果去泰坦星,恰好乘坐的是液氧甲烷發動機火箭的話,整湖整湖的都是燃料啊!


小火箭期待中國藍箭的天鵲液氧甲烷發動機在今年(2018年)實現整機點火,代表中國商業航天產業與美國SpaceX公司和美國藍色起源公司一起,共同挑戰人類液體火箭發動機技術新的巔峰,為人類的太空探索事業做出更多貢獻!

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