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来源:制造业务 | 发布时间:2023-10-08 00:05:10 | 点击率: 16次
随着猎鹰9号火箭一次又一次的发射和回收,曾经的神话一个个变成现实,追随火星教主马斯克的“信众”已经慢慢的变多,人类殖民火星已不再是科幻,而是近在咫尺的现实。然而,近在咫尺并不等于就一定能踏上红色星球的地表,马斯克的火星星舰要登陆火星,还有一个关键中的关键,这就是SpaceX正在全力打造的猛禽新火箭发动机。
猛禽发动机(Raptor)被称为下一代火箭发动机技术,是最先进、最高效的“全流量分级燃烧发动机”,一旦研发成功,正如马斯克所说,可将太空飞行的开销降低两个数量级,为人类殖民火星,探索深空走出革命性的一步。去年初,第一个全尺寸猛禽发动机已进行了首次地面点火测试,随着震撼大地的巨大轰鸣,马斯克在推特上宣布,猛禽燃烧室压已达268.9 巴, 超过了令人敬畏的俄罗斯经典火箭发动机RD-180保持的纪录!刚刚进行的星舰原型版SN5的150米垂直起降测试,则让全世界见识了猛禽发动机强大的推重比和力量。
全流量分级燃烧发动机技术被认为是火箭技术的“圣杯”,因为它可以从液体推进剂中榨取更多的能量,发挥更大的效率。前苏联和美国在几十年前就对其进行了广泛研究,然而到目前为止,还没再次出现真正使用这种燃烧系统的火箭发动机,因而被航空航天界认定为是“不可能”的技术。如果马斯克真的能完成猛禽发动机的研发,将彻底摆脱猎鹰火箭低技术“矮穷矬”的帽子,一跃而成为“高富帅”的象征,将所有航天大国包括NASA都抛在身后,彻底成为太空时代孤独的领跑者。
为什么全流量分级燃烧发动机更有效率,研发又如此困难呢?让我们来看看这款火箭发动机的前世今生。
此前的很多著名火箭,包括土星五号,联盟火箭,甚至马斯克正如日中天的猎鹰9号,都采用了开放式循环引擎,又称燃气发生器循环发动机,这项技术还可以追溯到二战时纳粹德国的V-2火箭。虽然这项技术取得了空前成功,但缺陷也是很明显,由于它必须用一部分燃料来驱动涡轮,产生的废气被直接排放掉了,导致燃料浪费,效率降低。这一点看看猎鹰9号使用的默林火箭发动机就知道了,旁边那个喷着黑烟的喷口一直是马斯克心中永远的痛,也让明星火箭猎鹰9号始终难以摆脱“矮穷矬”的丝形象。
为充分利用预燃室燃烧产生的废气,提高每一滴燃料的效率,科学家们一直在积极想办法解决这一问题。首先很容易想到的就是在预燃室中使用富含燃料的混合物,这样没燃完的燃料就可回到燃烧室重新燃烧。然而要命的是,这样的形式易产生积碳,堵塞喷注口,导致发动机发生爆炸。
前苏联科学家找到了一种折衷方案,他们没在预燃室中使用富含燃料的混合物,而是尝试运行富含氧气的预燃室。然而这个方案解决了积碳问题,却又产生了一个更大的问题,因为富氧气体在预燃室中产生了极高的温度,没什么金属可以在里面生存下来。美国科学家认为这种技术完全就不可行,但前苏联科学家最终掌握了建造涡轮机所需的冶金技术,开发出了几种采用富氧预燃室概念的发动机,回收了一部分原本会被排放出去的推进剂。俄罗斯著名的RD-180发动机就是该技术的延续,美国迄今也不得不购买它用作宇宙神-5运载火箭的发动机。
而美国科学家则走向了另一个方向,他们放弃了含碳燃料,转而使用氢作为燃料,就可以在现有金属合金制造的预燃室中使用富含燃料的混合物了,这就是美国航天飞机上使用的主发动机。航天飞机退役后,这一技术被用在NASA和波音正在打造的太空发射系统(SLS)上,建造NASA有史以来最强大的火箭,预计会在今年或明年开始首次飞行。
不管是前苏联还是美国航天飞机,无论是富氧还是富燃料,都没有完全解决废气的浪费问题,而要完全解决这个问题,就必须在同一发动机中同时使用富燃料和富氧的预燃室设计,这就是我们今天的主角——全流量分级燃烧发动机。
这种发动机有两套独立的涡轮机和预燃室系统,分别用于氧化剂和燃料的预燃烧,之后再导入燃烧室完全燃烧,以最大的效率产生推力。这种发动机的设计和测试都十分艰难,但完全解决了开放式循环引擎的浪费,同时也不需要过多的担心涡轮机和泵密封不好污染泵送的液体,涡轮机也可运行在更低的温度环境里,减轻了涡轮叶片的压力,延长了它们的常规使用的寿命,另外也不会产生积碳,这在致力于可重复使用火箭开发的马斯克看来尤为重要。
事实上猛禽发动机并不是第一台全流量分级燃烧发动机,前苏联1967年就完成了RD-270全流量分级燃烧发动机的设计,在进行了几次静态点火测试后,由于美国已登月成功,这款发动机随着整个计划的取消而终止了。上世纪90年代美国政府再次表现出对全流量分级燃烧发动机的兴趣,但NASA和美国空军都没有再选择这一设计方案。
马斯克的猛禽发动机自10年前开始研发,去年2月3日终于进行了第一次全尺寸发动机地面点火测试,时间为两秒钟,发动机在170巴的燃烧室压下达到了额定推力的60%;2月7日,马斯克在推特上宣布,测试引擎已达到火星星舰所需功率水平,燃烧室压为257巴,推力达172吨,打破了俄罗斯RD-180火箭引擎的推力纪录;2月10日,马斯克再次宣布,燃烧室压已达到268.9巴,离预期的300巴已相差不远了。
猛禽发动机将用低温液态甲烷与液氧作为推进剂,便于在火星上直接生产。马斯克用于登陆火星的星际运输系统由第一级超重型火箭(Super Heavy)和上面级火星星舰(Starship)组成,直径9米,高达122米,可将100吨载荷或100人送往火星。两级火箭都由猛禽发动机提供动力,其中第一级火箭部署31台发动机,上面级星舰安装6台发动机,都可达到完全重复使用的目标。
人类殖民火星的征途慢慢的开始,猛禽发动机的成功不单单是马斯克、SpaceX公司的成功,更是人类文明成为星际文明甚至宇宙文明的开始,让我们祝福这一天尽快到来!