美网友破防了！美国火箭发动机接连爆炸：中国火箭却造就世界第一

2024-11-16 19:43:42 分类：探索 阅读(774)

7月12日9时许，美网中国民营航天企业蓝箭航天的友破朱雀二号遥二火箭从酒泉卫星发射中心点火升空，发射任务取得圆满成功
，防美成为世界上首款成功将载荷送入预定轨道的国火液氧甲烷火箭，标志着近年热门的箭发接连“液氧甲烷潮流”向着实用化迈出了坚实的第一步 。造就世界第一 ：成为首枚入轨的动机第液氧甲烷火箭全球有多家航天机构与企业都在突破液氧甲烷发动机 ，比如SpaceX的爆炸猛禽发动机和蓝色起源公司的BE-4发动机以及相对论公司的Aeon 1发动机，另外还有国内的中国九州云箭、星际荣耀、火箭宇航推进等多家民营航天企业都在开展液氧甲烷火箭及发动机的却造开发工作，但只有蓝箭航天、世界SpaceX和蓝色起源以及相对论公司的美网发动机最为成熟。不过意外的友破是装备了液氧甲烷发动机的多枚火箭都遭遇了各种各样的故障 ，甚至连蓝箭航天自己的防美“朱雀二号”火箭也在去年12月发射时遭遇发动机燃料管线破裂，导致游机出现异常 ，国火载荷未能入轨导致发射失败 。但蓝箭航天在2023年3月18日通过归零，最终于7月12日一飞冲天，成功将“无效载荷”送入轨道  ，成为人类首枚把载荷成功送入轨道的液氧甲烷火箭 ！“天鹊-12”液氧甲烷发动机：水平究竟怎么样 ？“朱雀二号”能一飞冲天的最大功臣显然是“天鹊-12”（TQ-12）液氧甲烷发动机，朱雀二号火箭的第一级直径3.35米
，安装有4台“天鹊-12” ，起飞推力可达268吨 ，200公里轨道载荷为4吨 。这种发动机在全球同级别液氧甲烷发动机中水平究竟如何呢 ？TQ-12发动机：燃气发生器循环很多报道中都提到了朱雀二号火箭的TQ-12发动机是燃气发生器循环，搞不清楚到底啥玩意儿，其实这是一种将火箭燃料泵入发动机燃烧室的一种方法：液氧和甲烷在燃烧室相遇点燃时会产生高温高压燃气从喷管喷出，此时的燃烧室压力很高，液氧和甲烷需要一个“高压泵”才能将氧化剂和燃料泵入燃烧室。因此需要有一个能产生高压的涡轮泵，带动这个涡轮泵就有多种方式了，一个是电泵 ，被称为电泵循环，或者用一个高温燃气涡轮，让一部分液氧和甲烷先进入燃烧  ，推动高温燃气涡轮后再带动高压涡轮泵吸入燃料注入高压燃烧室。这个高压涡轮泵能产生多少高压就表示燃烧室可以用更高的室压 
，这表示更高的排气压力和推力 ，也是更高比冲（单位燃料产生的冲量）的必要条件之一。而各种燃烧循环就是高温燃气涡轮燃烧后“废气”的去向，因为高温燃气涡轮的耐温性不够，一般在高温燃气涡轮都是富氧燃烧（氧化剂比例高于燃料）
，也有富燃燃烧（燃料比例高于氧化剂），当这些“废气”排走时就浪费了大量氧化剂或者燃料 。分级燃烧循环（闭式循环）就是将这些燃烧后的“废气”再次注入燃烧室
，所以才叫“分级燃烧循环”，而全流量分级燃烧循环则是所有进入燃烧室的燃料都经过高压燃气涡轮泵 ，所以才被称为“全流量分级燃烧循环”。在这些循环模式中，燃气发生器（闭式循环）难度最低、全流量分级燃烧循环难度最高
，分级燃烧循环居中，而TQ-12发动机就是燃气发生器循环。难度最低？在同级别发动机中水平如何？从几种火箭发动机的循环来看，TQ-12的难度确实不高
，但真实水平如何，对比参数是最简单 ，笔者花了半小时找齐了几台发动机的大致参数，对比下立马就清楚了：笔者看了下，基本没有同级别的发动机，TQ-12参数来看是一台中规中矩的液氧甲烷机 ，但也就是平衡了各项参数 ，使得它成就了那个一飞冲天并且率先入轨的朱雀二号火箭 。非常值得一提的是，朱雀二号运载火箭是在浙江嘉兴蓝箭航天中心内完成的总装工作，成为了第一枚浙江制造并成功入轨的火箭。蓝箭航天是九州云箭、星际荣耀、宇航推进等多家民营企业中进展最快的企业 。此次突破也是标志着我国运载火箭在新型低成本液体推进剂应用方面取得突破。同时天鹊系列液氧甲烷发动机也是继美国Space X的猛禽、蓝色起源的BE-4之后
 ，世界第三台、国内首台大推力液氧甲烷火箭发动机SpaceX的猛禽发动机 ：全流量分级燃烧循环在这里不得不提下SpaceX的猛禽发动机，这是目前全球唯一的全流量分级燃烧循环发动机 ，对于这种循环上文其实已经有介绍了，即所有流量都会经过高温燃气涡轮，特点是可以将室压提到很高的程度，比如目前的猛禽可达30MPa，而据最新改进版已经达到了32MPa ，这也让它的海平面比冲达到了327s，是目前液氧甲烷机中比冲最高的 。猛禽是星舰的主发动机，一级火箭用了33台 ，2023年4月20日，星舰在德州博卡奇卡发射场点火起飞 ，最大推力可达7700吨的一级火箭的巨大推力把水泥地面刨了一个坑，周围将近1000多米范围内的汽车与建筑物以及考虑不周设置燃料罐等都被飞沙走石打得面目全非。猛禽应该是一种相当成功的发动机
，但星舰却不一定是成功的火箭
，33台并联 ，这个难度真有点大，马斯克以必须成功的信念支撑着继续测试，笔者也相信只要砸钱肯定能成
，但时间多久还真不好说
 。美国火箭发动机爆炸！美网友一片哀嚎2023年3月29日 ，美国联合发射联盟 (ULA) 新一代火箭“火神-半人马座”的半人马座V (Centaur V) 氢氧上面级结构件在NASA马歇尔太空飞行中心开展资格认证测试时发生大爆炸  ，目击者表示 ：“一朵比试验台还要巨大的蘑菇云，伴随透明氢气的爆炸燃烧升腾而起。”爆炸画面后来还是被公开了爆炸后发生后ULA老总Tory Bruno曾表示该结构件在“极端测试条件下发生的异常”
，但目击者说绝非轻描淡写，而是确确实实发生了大爆炸，有趣的是距离测试现场不到100米就是蓝色起源价值高达1亿美元用于BE-4和BE-3U试车的试车台 ，而监控摄像机刚好记录下了爆炸过程。ULA要求蓝色起源这边删除爆炸视频片段（或保密不得公开）
，蓝色起源的光头贝索斯(Jeff Bezos)同意了，结果Eric Berger不知用何手段搞到了ULA半人马座V氢氧上面级于3月29日在NASA马歇尔航天中心测试时发生爆炸的监控视频画面，让马斯克也嘲笑了一通。爆炸原因 ：或是液氢泄漏当时这个半人马座V上面级结构件正在加压测试
 ，液氢储箱装满了液氢，液氧储箱装满了液氮，爆炸时一个火球腾空而起，这表示液氢储箱发生了爆炸
，所以ULA老总Bruno反复强调 ，这是爆燃而非爆炸
。确实是爆燃
，毕竟氢气泄漏后也需要均匀混合才能大爆炸 ，幸亏液氧储箱装的是液氮 ，不会助燃反而会影响爆燃效果，要是装的是液氢，估计蓝色起源的测试台也要飞了，贝索斯的脸都要黑掉。BE-4液氧甲烷发动机爆炸：流年不利2023年6月30日  ，德克萨斯州西部的试验场，蓝色起源公司的一台BE-4液氧甲烷发动机在热试车时 ，点火仅10秒后便发生猛烈爆炸，发动机与试车台均在爆炸中严重损毁 ，这台BE-4发动机原计划在完成试车后，将于7月交付给ULA供第二发火神火箭 (Cert-2任务) 发射使用，结果发生大爆炸 ，就这有点没法解释了。蓝色起源随后表示这次爆炸没有人员伤亡，并且声称已经确认爆炸原因
，但一直到7月12日都没有公布爆炸原因 ，而且这次爆炸还把测试台也给炸了
，这表示爆炸相当剧烈
，那么可能是什么原因导致的爆炸呢？笔者认为很可能就在发动机本身，因为测试发动机的推进剂是通过管线进入发动机的，低温燃料并非在发动机附近，而是有比较远的距离，一个是存放方便，另一个也是担心爆炸把测试台彻底摧毁，因此发生爆炸不太可能是燃料箱。BE-4发动机是分级燃烧循环 ，很有可能是富氧燃烧的涡轮泵出口被堵塞造成了大爆炸 ，这个涡轮泵内的正常压力高达13.4MPa，如果堵塞可能数倍甚至十倍于正常压力 
，这可能会让泵体承受数百甚至上千个大气压，堵塞后炸裂泵体毁损发动机与发射台是意料之中的事，之所以蓝色起源很容易确定爆炸原因，应该是在看到泵体破损程度后的直接判断。美网友一片哀嚎：又到了斯普特尼克时刻BE-4发动机是火神-半人马和新格伦火箭的一级发动机 
，是蓝色起源火箭发动机系列的核心产品，原定于 2017 年准备就绪
，但由于无数的开发问题，该公司最近才完成了第一批可飞行的发动机 。而新格伦号最初定于 2020 年进行首飞。但由于延误，该时间表变得未知，蓝色起源领导层在最近的公开露面中拒绝就新格伦号的新首次发射目标发表评论 。而多个美媒则对此评论 ，ZQ-2（朱雀-2）赢得了这次胜利。社交媒体上的网友则更直接称又到了斯普特尼克时刻 ，这是指1957年10月4日苏联抢先美国成功发射斯普特尼克1号人造卫星，令西方世界陷入一段恐惧和焦虑的时期 ，现在中国赢得了液氧甲烷火箭的胜利 。然而我们也知道朱雀-2并非在此次比赛中最优秀的火箭，而是其务实与探索的精神催生出了这个突破性的成绩 ，我们也知道差距在哪里，也正是这些差距一直将鞭策着我们前进。延伸阅读 ：为什么纷纷选择液氧甲烷机 ？原因其实不复杂 ，都是回收惹的祸 ！自从马斯克开创回收先河以来 ，全球多家机构与企业都在研究这个技术，但除了马斯克以外暂时还没有一家结构或者企业成功回收过商业发射的火箭 ，不只是因为难度太大 ，而且推进剂种类也不适合回收。尽管猎鹰的梅林发动机是液氧煤油也能回收，但这是以低室压降低结焦作为代价的 ，这也让发动机比冲下降不少  ，而猛禽发动机使用了液氧甲烷的室压可以跑到32MPa以上，可以让比冲大幅度增加，这是因为甲烷含碳量比较少  ，并且还是气态燃料，不容易结焦堵塞管路，因此液氧甲烷发动机回收后再次发射处理相对比较简单 。有朋友会问 ，液氢液氧更不会结焦，为什么不用氢氧机？答案是氢的体积太大了 ，不容易保存，而液氧甲烷的组合密度比液氧煤油低20%左右，并且在比冲上甲烷的理论比冲值比煤油略高3%，因此两者相差是比较小的 。另外甲烷就是天然气的主要成分
，取得非常容易，也可以用有机物发酵来制取甲烷 ，来源非常广泛 ，因此使用液氧甲烷的发动机未来可以不再依赖石油，也可以不依赖天然气，仅仅依靠生物来源即可满足很大一部分需求。#所见所得 ，都很科学#