SpaceX “猛禽”全流量循环发动机,浅谈火箭发动机的循环方式( 三 )
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然后就可以得出,每升液氧可以满足多少燃料燃烧,煤油是0.52升、液态甲烷是0.73升、液氢是2.7升。也就是说同样体积的液氧,液氢的燃料罐是煤油的5倍左右,液态甲烷罐却只比煤油罐大40%,而液氢罐则是液态甲烷罐的3.7倍。总之甲烷燃料罐的体积更加接近煤油的燃料罐体积,可以更小更轻,更小的燃料罐就有更轻的火箭。
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衡量所有火箭发动机效率的标准是“比冲”,单位时间内消耗单位推进剂所产生的推力,比冲越高,干同样的事燃料消耗越少,所以比冲越高越好。理想煤油发动机比冲可以达到370秒,理想甲烷发动机为459秒,理想液氢发动机可以达到532秒。
接下来是每种燃料的燃烧温度,燃烧温度越低、对发动机寿命越好,煤油燃烧温度3670开、甲烷是3550开、液氢是3070开。接下来是每种燃料的沸点,煤油的沸点高达490开、比水还要高,液氢则接近绝对零度、仅20开,这种低温使其需要非常严格地考虑保温隔热措施,甲烷是111开,仍然需要有保温上的考虑,和液氧很接近。因此甲烷罐和液氧罐可以使用共底储箱、减轻火箭重量,而液氢和液氧的温度差距很大,以至于液氧会让液氢沸腾、液氢会让液氧凝固。
最后说一下价格,火箭煤油是高度精炼的航空燃油,而航空燃油是高度精炼的煤油,煤油是高度精炼的柴油,比较贵,而氢的精炼、储存、运输都有很高的的成本,甲烷就是天然气的主要成分,可以很便宜,与火箭成本相比的话,几乎相当于不要钱。
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SpaceX 的终极目标是研发载人往返火星的星舰系统,而火星大气富含二氧化碳,将其与火星表面或地下水结合后,利用电解、萨巴蒂尔反应,火星大气就能变成甲烷燃料,无需携带供返回的燃料,可以在火星就地取材。
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所以对于 SpaceX 来说甲烷更合适,密度相对较高、火箭尺寸更合理,效率相对较高、燃烧充分,燃烧温度相对较低,有助于延长寿命,适用于可复用发动机,而且甲烷很便宜,也很容易生产,可以在火星表面制取。
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这是各主要发动机参数,可以看出猛禽发动机的推重比较高、比冲较高、室压最高,目前室压已经达到了33MPa(330个大气压),相当于海底三千多米的压力,推力目前是220吨,目标是250吨。
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【 SpaceX “猛禽”全流量循环发动机,浅谈火箭发动机的循环方式】这是各主要发动机经济性参数,由于猛禽发动机的造价极低、综合性能优越,燃料便宜、高度可复用性等,导致其推价比最低、经济性最好。
总之猛禽发动机是非常适合SpaceX的,能够用于其高度可复用、廉价的星际运输系统。
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电泵循环
火箭实验室公司的卢瑟福发动机,通过电子束熔化金属粉末层进行3D打印制造,是全球首款利用电动机系统驱动燃料进入燃烧室的火箭发动机,开创了一种新型的火箭发动机循环方式——电泵循环。
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直接用蓄电池来驱动电机驱动涡轮泵,涡轮泵工况非常温和、发动机管路系统没有高温高压气体,设计难度低、可靠性高。
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依靠其高性能和低成本,火箭实验室的“电子”火箭成为市面上最好的小型运载火箭之一。
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