【原创】说说液体火箭发动机的循环方式

液体火箭发动机需要源源不断地将推进剂注入燃烧室中。所以,液体推进剂的运送是一个重要的过程。在液体火箭发展的几十年间,先后出现了七类比较重要的燃料运送方式(又叫循环方式):挤压循环、燃气发生器循环、分级燃烧循环、膨胀循环、膨胀排气循环、燃烧室抽气循环和电泵运输。 

挤压循环(pressure-feed)是利用高压气体将推进剂从储罐压出,进入燃烧室的一种循环方式。该方法的优点在于可靠性高、活动部件少;但是由于储罐需要承压,壁厚较大,因此消极质量较大,火箭干质比较低;为避免干质比数据过于难看,增压气体压强不能太大,又限制了燃烧室压强,导致性能较低。挤压循环在火箭上面级和姿态控制发动机有一定应用,典型例子有中国的YF-50D发动机,用在远征一号上面级中。 

 

 图1:挤压循环示意图

燃气发生器循环(gas-generator cycle)是利用燃气发生器产生的燃气驱动涡轮泵运送推进剂的一种循环方式。燃气在推动涡轮泵后即变为废气排出,造成一部分浪费。由于燃气发生器一般为富燃料燃烧(氧化剂不足),含有大量未完全燃烧物质的废气排出也会造成一定的污染(肼类燃料尤其严重)。燃气发生器循环一般不产生很高的燃烧室压强(例如YF-77发动机室压仅10MPa左右),且部分燃料不产生推力,因此性能较低。典型例子有SpaceX的Merlin-1D发动机、中国的YF-77发动机等。 

 

 图2:燃气发生器循环示意图

分级燃烧循环(staged-combustion cycle)又叫补燃循环,可以认为是燃气发生器循环的改良版。同样,分出一部分(或全部)燃料进入燃气发生器驱动涡轮泵,但燃气发生器产生的废气并不直接排出,而是输入燃烧室进行补燃。由于全部推进剂都做功,因此分级燃烧循环的发动机比冲一般较高。特别地,全部燃料都进入燃气发生器的分级燃烧循环,称为全流量分级燃烧循环。全流量分级燃烧循环的涡轮燃气流量很大,因此达到同样的涡轮泵功率,涡轮前温度可以(与一般分级燃烧循环相比)更低,涡轮体积也可以更小,可以降低涡轮泵的技术难度。分级燃烧循环典型的例子有RD-180火箭发动机、航天飞机主发动机(SSME)等,其中SSME堪称是把分级燃烧循环玩到极致的一款发动机。 

 

 图3:分级燃烧循环示意图

 图4:全流量分级燃烧循环示意图

膨胀循环(expander cycle)是利用燃烧室内壁加热低温推进剂使之汽化驱动涡轮泵的一种循环方式。膨胀循环是效率最高的循环方式。汽化后的推进剂温度较低(甚至接近室温),因此涡轮无需十分耐高温。但是,推进剂汽化远不如推进剂燃烧的做功能力强,因此膨胀循环的涡轮泵功率一般较小,室压和推力都比较低,一般用于小推力的真空发动机。典型例子有中国的YF-75D发动机,用于长征五号运载火箭的第二级。 

 

 图5:膨胀循环示意图

还有一种膨胀循环的“阉割版”——膨胀排气循环(expander-bleed cycle):一部分推进剂经过加热汽化后推动涡轮泵,其余部分进入燃烧室,驱动涡轮泵的那一部分推进剂则作为废气排出。与膨胀循环一样,由于汽化做功较为有限,因此膨胀排气循环的涡轮功率不能很大,推力也就不能很大(但是由于涡轮后压强较低,涡轮压降较大,因此涡轮效率比较高,故而尽管膨胀排气循环进入涡轮的推进剂较少,实际涡轮功率可以稍大于膨胀循环)。而且,膨胀排气循环有一部分推进剂浪费,因此比冲也较低。典型例子有日本的LE-5A和LE-5B,这两种发动机的区别在于加热燃料的部位不同:LE-5A用喷喉加热,而LE-5B用燃烧室壁加热。 

 

 图6:膨胀排气循环示意图

还有一种十分简单粗暴的方式,叫做燃烧室抽气循环(combustion tap-off cycle):从燃烧室中分出一部分燃气驱动涡轮泵,随后排出废气。这种循环方式的发动机比较轻(因为没有燃气发生器等部件)。其主要缺点是涡轮温度高,并且与燃气发生器循环类似,会损失一部分比冲。Blue Origin公司的BE-3发动机就采用了燃烧室抽气循环。 

 

 图7:燃烧室抽气循环示意图

电泵循环(electric feed cycle)则是一种近乎全新的循环方式,取消了涡轮,用电动机来驱动燃料泵。对于小型火箭而言,涡轮小型化较难,因此(在小功率时)相对较小的电动机是一个很好的替代方案。目前世界上采用电泵输送的运载火箭仅有新西兰的"电子"号运载火箭,其发动机名为"卢瑟福"发动机。论坛里也有关于"电子"号火箭的相关文章。电泵循环的主要缺点在于,限于电动机和电池的性能,单台发动机的推力比较有限(Rutherford发动机的推力仅22kN),工作时间也受到限制。 

 

 图8:电泵循环示意图

花絮:笔者在wiki上找到combustion tap-off cycle 后,几番搜索才得以找到“燃烧室抽气循环”的翻译,差一点就要自作主张翻译成“燃烧抽头循环”了。。。 

[修改于 4 个月前 - 2019-03-24 18:53:18]

来自 喷气推进
 
1
2019-3-24 11:30:55
浪里黑条(作者)
1楼

文字部分编辑完成,部分素材(图片等)尚有待整理

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2楼

电泵算是个投机取巧的办法吧当然,前途也是还可以的:这年头电动机体积越做越小,驱动也是重量几乎可以不计,电池的问题则在特殊锂电池的阴影下解决了(以后用热电池也不见得不可以),于是乎小火箭也可以用上高室压发动机另外,因为电泵机极低的研发成本,不知道会不会让一些小国甚至是KB组织可以搞出ICBM

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浪里黑条(作者)
3楼

原理示意图整理完成,此贴主体部分完结√

+20  科创币    Johnny-Wei   2019-03-27   资料详细
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