简谈液体火箭发动机工作原理与固体火箭药柱雕刻

　　2016年，中国航天事业取得了巨大的进步。在火箭这一方面，有长征7号、长征5号的首飞成功。据统计，2016年，中国一共发射了22次运载火箭，次数上与美国并列第一。笔者认为，2016年对于中国航天的意义，可以很类似的参考2012年对于海军的发展的意义，在2012年辽宁号入服，172号昆明舰052D级通用导弹驱逐舰的下水，基本奠定了未来中国一段时间的海军的发展；而2016年，首飞的长征5号和长征7号基本奠定了中国未来的发展，那么以此为契机浅入的讲解液体火箭发动机的循环方式和固体药柱雕刻形状对推力的影响。
　　新一代的运载火箭长征6号长征7号和长征5号均使用了YF-100高压补燃循环（也叫分级燃烧循环，后面统一使用高压补燃循环称呼）液氧煤油发动机，那何谓高压补燃循环呢，这个问题要从火箭发动机的结构说起，以YF-100为例，其燃烧室的压力可达到177个大气压力，但是燃料罐压力只有50个左右的大气压力，所以必须要有东西让燃料增压才能输入到燃烧室内，最简单的循环方式就是用高压气体直接对罐体燃料了进行加压，也就是挤压循环。

　　挤压循环示意图
　　该循环结构简单，但是只适用于小型火箭，当燃烧室的压力较大时，那么对罐体加压的压力也会更大，所以会导致储箱箱体的结构方面的问题，所以一般的火箭发动机会采用涡轮泵加压后再输入燃烧室，早期的涡轮泵多采用附加别的物质驱动涡轮泵，比如V-2导弹其工作原理就是过氧化氢在催化剂下分解成水和氧气，驱动涡轮泵旋转，然后再带动燃气泵和氧化剂泵对燃料和氧化剂进行加压输入燃烧室中。
　　这种循环方式是现代循环方式的雏形，在这个循环方式的基础上，取消附加启动涡轮泵的工质，改为直接用燃料和氧化剂作为对涡轮泵做功的工质，以此产生了目前液体运载火箭三大循环方式：膨胀循环，燃气发生器循环和高压补燃循环。并以此来介绍中国火箭发动机目前的发展概况。
　　膨胀循环：长征5号基本型的YF-75D就属于膨胀循环的液体发动机，膨胀循环的工作方式是燃料在喷管附近被热交换机加热变成气态驱动涡轮泵旋转从而带动燃气泵和氧化剂泵。膨胀循环的燃料均在燃烧室完成燃烧因而性能比较高，又由于涡轮在较低的温度下工作，因此发动机结构简单可靠重量轻，但是这种循环的发动机还没有大推力的型号，受制于涡轮泵的攻率和热力学特性尚存在一系列问题，大推力膨胀循环液体发动机还存在一定量的问题，所以膨胀循环式液体火箭发动机多应用在运载火箭的上面级，比如YF-75D就运用在长征5号的芯二级。YF-75D膨胀循环氢氧机是中国液体发动机家族中的新锐型号，比冲442秒，推力相对于YF75增大到9吨。可以说YF-75D足以胜任未来几十年的主流火箭上面级要求，膨胀循环改进升级多次启动是可以实现的，而YF-75D也应该有3次以上能力，可以说，中国的YF-75D发动机已经做到了世界主流的水平。 喷嘴膨胀循环示意图

YF-75D和RL-10系列发动机比较，因为混合比和喷管面积比的原因导致比冲会差几秒，不过已经在同一水平了。中国采用更高的混合比是为了密度比冲可以更高，也就是火箭储箱体积可以小点。而在大推力火箭发动机面前，因为单纯的燃气做功并不足够驱动大功率的涡轮泵，于是乎解决办法就是输入少量氧化剂和少量或全部燃料在预燃室中先被点燃，产生燃气驱动涡轮泵，可以认为是一个小型的燃气轮机，于是在这种加入了预燃室的情况下，划分了两个世界目前主流大推力火箭发动机的循环方式——高压补燃循环和燃气发生器循环。前者运用于YF-100液氧煤油发动机，后者运用于YF-77液氢液氧发动机上面，我们后面将详述讲解这两种循环方式，以及世界各国液体发动机的技术水平。上图为富燃高压补燃循环和燃气发生器循环示意图。两者的相同点都在于引入了部分氧化剂在预燃室中燃烧驱动涡轮泵做功，不同的地方在于燃气发生器循环的燃料和氧化剂在预燃室燃烧在涡轮泵上做功以后就直接排除，这种发动机很重要的一个特征就是拥有至少一个废气管。比如长征5号YF-77，就可以看到侧面的废气排出管。 长征5号的YF-77发动机

长征-2F运载火箭的DaFY6-2，也可以看到侧面的尾气管

不仅长征5号，土星5号的F-1火箭发动机也是燃气发生器循环，不过其尾气管是绕喷口旋转一圈在内部形成气膜排放。私企运载火箭新秀SpaceX的公司的梅林1-A火箭发动机也能看到侧面的废气排放管。 土星5号的F-1火箭发动机，图源：星际航行

私企运载火箭新秀SpaceX的公司的梅林1-A火箭发动机

　　但是，因为有燃料和氧化剂在驱动涡轮泵后直接排掉，于是这种循环方式的的效率比较低，于是阿列克谢· 伊萨耶夫（Aleksei Mihailovich Isaev）在1949年提出了高压补燃循环，高压补燃循环和燃气发生器的最大不同就是所有的燃料在燃烧室和部分氧化剂混合，点燃后的富燃燃气驱动涡轮泵做功，随后加压后的富燃燃气再直接输入燃烧室中和氧化剂以最佳混合下燃烧。这种循环方式没有任何的燃料在没有做功的情况下被直接排出，于是随着燃烧室的室压的升高，高压补燃循环的性能会继续升高，而燃气发生器循环的性能升高会越来越缓慢，到了某一个临界值，燃气发生器循环的性能不再提高反而下降。所以高压补燃循环能使运载火箭的的性能得到提升，而世界上最先进的循环方式也正是高压补燃循环。 YF-100液氧煤油发动机使中国成为继俄罗斯之后第二个掌握液氧煤油高压补燃循环的火箭发动机。
　　液氧煤油的分级燃烧循环只有中国和俄罗斯掌握，这是为什么呢？这就是烃类燃料最主要的问题：碳颗粒的沉积。从上面的结构中可以看到高压补燃循环的火箭发动机，为了取得和涡轮叶片相适应的燃气容积温度，一般火箭发动机的预燃室中是燃料过量的富燃燃烧，而对于煤油这种烃类燃料来说，燃料过量氧气不足会导致煤油不完全燃烧，从而产生了大量的碳颗粒，会严重堵塞发动机管道，因此，液氧煤油的高压补燃循环发动机采用了液氧过量的富氧预燃室，即所有的液氧通过预燃室，燃料分流到预燃室和燃烧室，正好和正常的高压补燃循环相反，但是，有过高中化学基础的观众老爷们都清楚，金属在高温的纯氧下，本身就是燃料，于是富氧环境下的涡轮机和管道以及预燃室都比普通的富燃燃气下的更难设计，材料也更加复杂，所以美国也从未在富氧发动机领域有过成功经验。而YF-100液氧煤油发动机研制初期，连续4次发动机试车失败。其中2次启动爆炸，2次燃气系统烧毁。相比较之下液氢液氧发动机的反应产物不存在固体颗粒，也就不存在这方面的问题，所以在难度上，高压补燃循环的液氢液氧发动机的研制难度比液氧煤油的火箭发动机在某种程度上简单也是这个原因。两种循环的简要介绍就说完了，明天笔者将主要讲述两种循环方式的优缺点，世界各国火箭发动机的现状和固体火箭的那些事。
　　（ 本文来源：海权社 ）

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