——天然气作为未来火箭的燃料
尤其是1980年以来,包括中国、 美国、俄罗斯、欧洲、日本、韩国在内的多个国家, 都在开展液氧甲烷发动机的研究工作。
【日本LNG宇宙飞船】
在宇宙领域,日本新一代技术也将成为出口的起爆剂。ihi公司已经制定在2017年之前开发宇宙飞船发动机的计划。将利用液化天然气(lng)作为燃料,简化结构。大小将减小至一半左右,并将扩大宇宙飞船内部空间。将向从事宇宙飞船开发的欧洲防卫巨头欧洲宇航防务集团(eads)等销售。
【俄罗斯使用天然气推动火箭】
俄罗斯联邦航天署下属的进步国家航天科研和生产中心将于2022年制成“联盟-5”号运载火箭的原型机,新一代联盟号运载火箭有望取代现在服役的“联盟-2”号。联盟-5号运载火箭的一大亮点是,燃料将使用更为绿色环保的液化天然气。科学家将“利用最先进的科学技术”研制新的引擎,“使得新一代联盟号火箭在国际市场上更具竞争力”。俄能源机械科研生产集团决定开始研制使用天然气为燃料的运载火箭,首枚试飞火箭原型计划于2030年问世。这种未来火箭的第一级推进器将以液氧和液化甲烷为燃料,推力为200吨。
俄罗斯早在上世纪80年代就提出使用天然气推动火箭的构想,但相关研究一直停留在实验室里。天然气燃料的最大好处在于资源丰富。目前俄“联盟”火箭使用航空煤油,只能由少数几个产地的特种石油炼制而成,而这些石油储备正在耗尽。这是促使俄罗斯研发新动力火箭的一个重要原因。
【美国采用预先冷却的液氧-甲烷推进剂组合】
美国太空探索技术公司SpaceX采用预先冷却的液氧-甲烷推进剂组合。SpaceX正式发布的猛禽发动机参数为海平面推力311吨(3050kN),真空推力357吨(3500kN),这远超过了之前各路媒体预测的230吨的推力水平;采用预先冷却的液氧-甲烷推进剂组合,燃烧室室压高达30MPa。随着SpaceX公司的猎鹰9号火箭的第一级重复使用技术的成功实现,液体火箭发动机的单次任务可多次启动和可在多次任务中使用的性能成为了工程师追求的目标。而虽然目前猎鹰9号火箭依然使用液氧煤油火箭发动机,但是实际上,液氧甲烷发动机是更好的选择。
在未来发动机性能得到进一步释放的时候,为了继续降低发射成本,不排除直接采用滤杂脱硫天然气作为燃料的可能,巨大的LNG船(Liquefied Natural Gas,液化天然气),未来很可能直接为同样巨大的ITS火箭服务。
【中国的新一代火箭液氧甲烷发动机全系统】
几年前中国的新一代火箭液氧甲烷发动机全系统首次点火试车获得成功,标志着我国液氧甲烷发动机研制达到国际先进水平。中国航天科技集团公司依托数十年的氢氧发动机试验经验和先进试验技术,通过各类挤压试验、联动试验、点火试验等一系列针对液氧甲烷发动机的研究试验工作,掌握了液氧甲烷发动机的技术特点,突破了甲烷操作、预冷、安全排放、发动机冷甲烷处理等技术难点,采取严格技术措施控制风险,顺利完成了此次全系统试车。2017年12月中国的蓝箭公司自主研发的10吨级液氧甲烷火箭发动机凤凰的燃气发生器成功进行了首轮点火试验。
成功验证了重新改造后的试车台的质量可靠性和技术可行性,为后续试验打下坚实的基础,为航天重大工程任务按计划实施提供了有力的技术保障。
【液氧甲烷发动机的优越性】
以甲烷为主要成分的天然气成为了一种重要的能量来源,为人类文明的进步作出了巨大贡献。早在上世纪80年代,人类对于可重复使用运载器和单级入轨的概念研究进入高潮阶段。在比较科幻的HL-42空天飞行器的设计方案中,液氧甲烷发动机被用在了姿轨控系统中。只是当时人类的火箭工程师卯足了劲研究基于偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氢液氧这三类液体火箭推进剂的发动机。
而液氧甲烷发动机的真正优势慢慢被世人所知,火箭工程师们总结了6年来对液氧甲烷和液氧乙烷、液氧丙烷、液氧煤油、液氧液氢这5种液体推进剂的试验结果,得出了以下结论:
第一:液氧甲烷发动机是所有烃类燃料组合中,最不容易结焦的;
第二:甲烷的粘度小,冷却性能远高于煤油;
第三:液氧甲烷发动机的理论比冲为390.3秒,高于液氧煤油的377.5秒;
第四:液氧甲烷发动机是所有烃类组合中,最不容易积碳的。
对于需要深度调节推力大小的可重复使用运载火箭的发动机来说,燃烧稳定性是个至关重要的性能指标。煤油容易冻住,液氢则过于调皮,总会想法设法跑掉。而甲烷的沸点为-161 °C,液氧的沸点为-183℃,二者比较接近。可以在今后的深空探测任务中,用类似的甚至相同的系统来统一进行管理。
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