简谈液体火箭发动机工作原理与固体火箭药柱雕刻（续）
在今天对世界各国主要液体火箭发动机状况的科普开始之前，我们先要说明一下发动机的一个重要的数值：比冲。火箭燃气的喷射速度除以重力加速度则得到比冲，单位是秒，比冲大小与发动机的推进剂化学能、燃烧效率和喷管效率相关。这里列出一条在航天上著名的公式：齐奥尔科夫斯基方程，该方程为：ve为火箭的喷气速度，m和mk分别为发动机工作开始和结束时的火箭质量。该公式算出来一个叫速增量的玩意，这个玩意衡量了该火箭能够改变的速度大小，比如一个火箭从1km/s加速到3km/s就要消耗2000的速增量，一个火箭从5km/s减速到3km/s也要消耗2000的速增量，所以速增量决定了一个火箭能够完成什么任务，比如9000左右的速增量的火箭能把卫星发射到近地轨道，有了13000左右的速增量就能飞到月球，从公式中可以发现，提高速增量要么提高燃气喷射速度，要么减少最终的重量，也能增加初始的重量（其实就是增加燃料）。所以燃气喷射速度直接决定了火箭的性能，上面说了比冲等于燃气喷气速度除以9.8（重力加速度），所以更高的比冲就能给火箭更高的速增量亦或者带来更重的载荷，废话不多说，下面列举了两款世界上最大型的火箭发动机F-1和RD-170，前者是美国著名土星5号火箭的一级发动机，后者是苏联能源号运载火箭的助推器发动机，该火箭曾用来发射苏联唯一一架航天飞机暴风雪号。RD-170和F-1的数据比较
从图中我们可以看到彼此的推重比差不多，RD-170的推力更大，燃烧室的室压更是后者的3.5倍，所以比冲上便有了很大的差距，上面说了比冲将直接影响了火箭的速增量，影响火箭的性能。所以RD-170的先进性确实比F-1要高，这就是高压补燃循环比起燃气发生器循环来说的优势所在，当然了笔者也不是批判F-1引擎，毕竟它还是创造了人类的奇迹，是人类最大推力的单喷管发动机，而且它比RD-170早生了20年嘛。这里要说明的是，很多人认为喷口数等于发动机数量，其实这是不正确的，RD-170是一个4喷口的火箭发动机，然而RD-170的四个喷口都是共用一套燃料泵，也共用两个预燃室。所以人家是一台发动机而不是四台。很多人对N-1的四次大烟花还有很深的印象，认为苏联的发动机不行而造成这航天史上的悲剧，但是就NK33这款发动机来说，其实性能是不错的，它是苏联第一款高压补燃循环的液氧煤油发动机，真空比冲也达到了331s的性能，最主要的是它的推重比达到了137，这个推重比直到近年才被spaceX公司的Merlin-1D的150的推重比打破，问题就在于它那一百二十多吨的推力还是不足以推动N-1那差不多3000吨的体型，最后只能依靠堆了30个高压补燃循环的复杂的发动机群导致整体设计上的复杂，最终导致4箭全炸的教训，苏联在痛定思痛以后研发了以RD-170为核心的高性能液氧煤油发动机，经过了20多年的发展苏联的液氧煤油火箭发动机的性能终于达到了世界顶峰，这点连美帝都说好，因为苏联解体后的俄罗斯在RD-170的基础上减少了两个燃烧室研发了RD-180火箭发动机，不过RD-180把RD-170的24.5MPa的燃烧室压力进一步提升到了25.7MPa，这使得燃烧室数量减半的RD-180的推力并不是RD-170的一半，而是390.35吨，约为RD-170推力的52.8%。这款发动机被运用在了美国宇宙神5系列运载火箭上面，至今已经出售给了美国一百多台，该系列火箭占了美国运载火箭系列的1/3的发射数量，2016年的22次发射中就有8次发射使用了宇宙神5运载火箭。但是由于大国博弈，俄罗斯与美国在关系上出现裂隙，导致俄罗斯曾经放话要禁止RD-180的出口，作为应对，美国通过了众议院2014年12月通过参议员约翰·麦凯恩关于美于2019年前全面摆脱俄制发动机的修正案。在ULA的新一代运载火箭火神的宣传视频中也特地强调：我们将采用美国产的新引擎！不过在一段时间内，RD-180将承担美国运载火箭的支柱地位也是不能改变的事实。
高压补燃循环作为火箭发动机领域里面最复杂的循环方式，无论是研发和生产，其难度都比上面的两种循环方式更加复杂，欧洲空间局ESA对燃气发生器循环和高压补燃循环的评估是采用高压补燃循环的发动机研究费用要比前者高33%，生产成本要高20%。此外国外的高压补燃循环的研制周期一般长达10年-15年，远高于燃气发生器循环。我国适时的从90年代获得了苏联的RD-120火箭发动机，经过了长时间的技术吸收，在2000年立项，在2012年成功制作了我国的国产高压补燃循环的液氧煤油发动机YF-100，其道路可谓是相当的漫长。YF-100使中国的第一款实用性液氧煤油发动机就是世界上先进的富氧预燃高压补燃循环火箭发动机，从这点来看，我们的液氧煤油火箭发动机从技术上是先进的，在起点上也是比较高的，所以我国在未来给长征9号使用的500吨级液氧煤油发动机也将采用高压补燃循环，双燃烧室的设计，有点类似于RD-180。
有小伙伴们可能会问了最近的美国的SpaceX搞出来一个叫全流量分级燃烧循环的甲烷发动机，那什么是全流量分级燃烧循环呢，其实它是高压补燃循环的基础上的进化，改用两个预燃室，一个富燃燃烧一个富氧燃烧，富燃燃气驱动带动燃料泵的涡轮泵，富氧燃气驱动带动氧化剂泵的涡轮泵，这样分开来的好处就是富氧燃气的成分与氧气不反应，所以即便涡轮中的富氧燃气泄露到泵里面，也不会与泵里面的氧气发生燃烧、爆炸，富燃燃气同理也是如此。而且氧化剂和燃料均经过预燃室气化，所以燃烧的效率更高，比起普通的高压补燃循环可以提高5-10秒的比冲。但是上面说了富燃燃烧还是存着这个问题，煤油在氧气不足的情况下的积碳导致了目前的全流量分级燃烧循环只用在了甲烷和液氢这种含碳量比较低或者不含碳的燃料上面。相比起苏联把科技点主要点在了煤油发动机上面，美国则把科技点主要点在了氢氧发动机和固体推进器上面，很多人早已对航天飞机起飞时的那两根大固推起飞的时候产生巨大的白烟也深有印象吧，而固体推进器（下文统称固推）在德尔塔2系列运载火箭，德尔塔4M 型运载火箭，宇宙神5系列运载火箭上面也充当着助推器的作用，不过话说回来，宇宙神5系列的这固推的捆绑方式也是够逼死强迫症的。独特的捆绑方式，图源：凹凸学院
固推的推力大，成本低，而且燃料预先装好，不需要发射前才加注，但是比冲比液体发动机差，而且不可重复开关机，所以固推一般用在芯一级或者是助推器上面，或者是一些用作快速发射的运载火箭，比如长征11号。当然南亚某大国的GSLV MK2运载火箭除外，讲道理我到现在都没怎么搞懂这货是怎么工作的，因为：
第一级
引擎 1 枚S139引擎
推力 4,700 千牛顿
比冲 237 秒
推进时间 100 秒
燃料 HTPB (solid)
助推器：(Stage 0)
火箭形式：4枚 L40H Vikas 2
总推力：3,040 千牛顿
比冲：262 秒
推进时间：160 秒
燃料：四氧化二氮/联氨
这助推器的工作时间比芯级长60秒，啧，所以这助推器是拖着芯级的壳飞还是怎么滴，只能感叹三三哥儿女多奇志啊。
在固体推进器领域，著名的纪录片《大国工匠》也提到了为国铸剑的军工匠人——《感动中国》2015年度任务徐立平以及他的药柱微整形雕刻技术，那么我们将顺便简要讲解一下固体药柱雕刻形状对推力的影响。固体推进器分段式的3D模型
首先固推并不是实心的一根柱子，它中间有一个空间，作为燃烧室，火焰在固体表面燃烧，然后药柱燃烧时的温度和成分基本不变，所以决定反应速度的就剩下反应面积了，由于火焰在药柱表面燃烧，所以药柱一开始的形状将直接决定后面推进器的推力。不同药柱的截面图，红色是燃面，黄色是装药
如下图所示，如果中间的腔体是圆形的，那么随着燃烧的过程的持续，燃烧的面积会越来越大，所燃烧的燃料也就越来越多，最终得到的就是一个推力越来越大固推。所以装药一开始雕刻的形状将直接导致整个后续固推推力的变化。也就直接影响了整个火箭的弹道性能，不过详细计算某个几何体会造成何种影响需要拉姆体和旋转体二维母线的几何扩张计算，这里也就不多做赘述了。就随便举例几个典型的固体药柱雕刻形状的推力曲线吧。上图这种药柱的雕刻形状形成的表面积极其巨大，所以会在很短的时间内燃烧完所有的燃料，所以这种构型的固推一般运用在助推器分离使用的分离火箭，或者是载人火箭逃逸塔等需要短时间内产生大量推力快速响应的发动机。 而对于大多数火箭发动机来说，其所需要的是一个稳定的推力，因此上面的的两种腔体明显都不太合适，那什么形状的腔体是能够得到一段稳定的推力呢，那就是星型雕刻的药柱了。星型空腔随着时间变化燃面的变化
从图中我们可以看到，星型空腔的固推随着燃烧时间的推移大体上表面积不变，因此最终得到的推力也是一个比较稳定的值。所以我们看到的固推一般都是星型构型，之所以是比较稳定是不可能完全是平直的曲线，下图美国航天飞机的SRB为例
固推的药柱形状将直接影响整个推进器后续的推力变化，正如《感动中国》颁奖词所言：每一次落刀，都能听到自己的心跳。你在火药上微雕，不能有毫发之差。这是千钧所系的一发，战略导弹，载人航天，每一件大国利器，都离不开你。就象手中的刀，二十六年锻造。你是一介工匠，你是大国工匠。在这里衷心感谢徐立平和其他默默无闻的药柱雕刻者们的付出，正是你们撑起了我国固体推进器的一片蓝天。祖国终将选择那些忠诚于祖国的人 祖国终将记住那些奉献于祖国的人。
在2016年11月3日20时43分，巨大的长征5号终于如利剑般划破长空，30分钟后远征2号和实践17准确进入预定轨道，航天人们十年心血终于转化为他们心中的梦想，从YF-100的四次点燃全部失败，到2012年的氢箱低温静力试验失败，再到发射前也出现了液氧泄漏，一级循环预冷失败控制主控计算机报错等一系列的问题，但是庆幸的是长征5号最终经受了这些考验，发展的道路从未平整过，成功并不是偶然，而是无数次失败所得到的。今年，我国将计划实施30次左右航天发射任务，目前已于1月5日和1月9日成功的进行了两次发射，而长征长征五号和长征七号，将在2017年担纲重任。“长五”将托举“嫦娥五号”探测器升空，实现月球软着陆及采样返回。“长征七号”将中国首个货运飞船“天舟一号”送入太空，与天宫二号空间实验室交会对接，开展推进剂补加等试验。2017年，是验证“长征五号”等新一代运载火箭的关键一年。我国多项航天工程将继续推进。中国航天事业，任重而道远。
（ 本文来源：海权社 ）
网络转载
页:
[1]