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2023-01-31
朱雀二號首飛失敗，國產(chǎn)液氧甲烷發(fā)動機(jī)受挫？第一級火箭工作正常
更新時(shí)間：2022-12-15 10:05:49作者：智慧百科
朱雀二號火箭12月14日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心首飛失敗，第一級發(fā)動機(jī)工作正常，第二級的主發(fā)動機(jī)也順利關(guān)機(jī)了，但衛(wèi)星卻未能入軌，這對于我國民營航天來說，確實(shí)是個(gè)壞消息。
朱雀二號發(fā)射
朱雀二號是民營的藍(lán)箭航天研發(fā)的，使用了國產(chǎn)最大推力的液氧甲烷發(fā)動機(jī)，因此被網(wǎng)友們寄予了厚望。液氧甲烷發(fā)動機(jī)是目前航天領(lǐng)域的潮流所向，特別是在可重復(fù)使用方面有著巨大優(yōu)勢，這次發(fā)射失敗是因?yàn)橐貉跫淄榘l(fā)動機(jī)還不夠成熟嗎？
整流罩已經(jīng)打開
其實(shí)早在2018年，藍(lán)箭航天就曾經(jīng)發(fā)射過朱雀一號，是我國第一發(fā)首飛的民營公司研制的火箭，結(jié)果第一、二級發(fā)動機(jī)工作正常，但在第三級發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)前8秒，火箭姿軌控系統(tǒng)的燃料管路斷裂，燃料出現(xiàn)泄露，導(dǎo)致姿控燃料提前耗盡?；鸺プ丝氐哪芰?，迅速姿態(tài)失穩(wěn)，發(fā)生異常翻滾。導(dǎo)致三級關(guān)機(jī)時(shí)火箭速度不足，墜入了印度洋。
朱雀一號也敗在最后一步
不過朱雀一號是一發(fā)小火箭，起飛重量只有27噸，一二三級都是固體發(fā)動機(jī)，姿軌控發(fā)動機(jī)是液體的。與朱雀一號相比，朱雀二號就是“鳥槍換炮”了，它的總重量達(dá)到了216噸，起飛推力268噸，第一級安裝了4臺80噸級“天鵲12”液氧甲烷發(fā)動機(jī)（地面推力67噸），第二級則是1臺真空型天鵲12作為主動力，還有一臺10噸級“天鵲11”液氧甲烷發(fā)動機(jī)作為游機(jī)。
朱雀二號
由于液氧甲烷的比沖高，朱雀二號的運(yùn)載能力相當(dāng)不俗，200公里近地軌道能達(dá)到6噸，500公里太陽同步軌道達(dá)到了4噸，這是個(gè)啥水平呢？妥妥地超過了韓國的“世界號”，后者的近地軌道運(yùn)力只有1.5噸。而朱雀二號的兩級火箭都使用了液氧甲烷發(fā)動機(jī)，這個(gè)是個(gè)非常熱門的發(fā)展方向，美國SpaceX公司的星艦就使用了液氧甲烷，對于實(shí)現(xiàn)火箭可回收有著特殊的意義。
星艦使用的猛禽發(fā)動機(jī)
對于液體火箭來說，可選擇的燃料主要有偏二甲肼/四氧化二氮、液氫液氧、液氧煤油、液氧甲烷這么幾種。其中偏二甲肼/四氧化二氮很成熟，但是卻有毒，已經(jīng)逐漸出現(xiàn)了退出的趨勢。
液氫液氧的比沖最高，是理論上最理想的燃料，但是液氫需要在零下253℃的低溫下保存，條件十分苛刻。還有個(gè)大問題是液氫的密度低到發(fā)指，每立方米只有70.85千克，連水的十分之一都不到，所以氫氧燃料的火箭都需要一個(gè)巨大的液氫貯箱，無形中也增加了結(jié)構(gòu)重量。
美國登月大火箭的巨大貯箱
比起嬌氣還容易爆炸的液氫，液氧煤油燃料就顯得極為友好了。煤油便宜又無毒，常溫下就是液態(tài)，而且煤油的密度遠(yuǎn)大于液氫，單位體積釋放的能量反而更大，因此推力可以做得很大，美國土星五號登月火箭的F-1發(fā)動機(jī)，推力就高達(dá)680噸，遠(yuǎn)大于新近發(fā)射的“阿爾忒彌斯1號”火箭使用的氫氧發(fā)動機(jī)。此外煤油貯箱的容積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液氫貯箱。
土星五號的F1發(fā)動機(jī)
不過液氫煤油發(fā)動機(jī)最明顯的弱點(diǎn)就是比沖低，就是消耗單位質(zhì)量的燃料產(chǎn)生的速度增量較小。而對于需要重復(fù)使用的火箭來說，煤油最大的問題就是容易結(jié)焦！這里就涉及到了大推力液體火箭發(fā)動機(jī)的工作方式。
由于需要使用渦輪泵把液體燃料送入推力室，所以必須在預(yù)燃室提前燃燒部分燃料來推動渦輪泵，因此就出現(xiàn)了三種主要的循環(huán)方式：燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)（開式循環(huán)）、高壓補(bǔ)燃循環(huán)和全流量分級燃燒循環(huán)。
大推力火箭發(fā)動機(jī)的循環(huán)方式
以液氧煤油發(fā)動機(jī)為例，燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)最是簡單粗暴，在預(yù)燃室燃燒之后，產(chǎn)生的廢氣直接用一根管子排掉。為了不讓渦輪泵被預(yù)燃室的高溫給燒壞，會采用大量煤油的不完全燃燒（富燃）或者是少量煤油大量氧化劑的富氧燃燒。
排出的廢氣雖然也能產(chǎn)生一丁點(diǎn)兒推力，但消耗了不少推進(jìn)劑或氧氣，另外燃燒室壓力也比較低，比沖因此就降得更低。例如獵鷹9號火箭使用的梅林1D發(fā)動機(jī)，預(yù)燃室是富燃燃燒，冒出大量黑煙，海平面比沖只有282秒，比起氫氧發(fā)動機(jī)動輒440秒左右的比沖就差太多了。
梅林1D采用開式循環(huán)
如果想改善比沖的話，就可以使用高壓補(bǔ)燃循環(huán)，與燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)相比，高壓補(bǔ)燃是閉式循環(huán)，預(yù)燃室采用富氧燃燒，產(chǎn)生的廢氣沒有直接排掉，而是輸送到了推力室，由于燃?xì)馐歉谎醯?，所有需要補(bǔ)充燃料，所以才叫“補(bǔ)燃”。
這種方式還能夠?qū)崿F(xiàn)2~3倍于燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的燃燒室壓力，所以又稱“高壓補(bǔ)燃”。這種工作方式產(chǎn)生的比沖當(dāng)然就更大了，像俄羅斯著名的RD180，海平面比沖311秒，明顯高于梅林1D。
RD180的比沖較高
那為什么精明的馬斯克寧可使用梅林1D這樣的開式循環(huán)，也不采用高壓補(bǔ)燃呢？一方面是高壓補(bǔ)燃確實(shí)有訣竅，不是那么容易實(shí)現(xiàn)的。另一方面就是煤油的結(jié)焦問題。這個(gè)結(jié)焦并不是指積碳，只要煤油充分燃燒，或者干脆多加點(diǎn)氧氣，就不太容易積碳。結(jié)焦發(fā)生在煤油作為再生冷卻劑冷卻燃燒室的過程中。
由于火箭燃燒室的溫度相當(dāng)高，達(dá)到3000多℃，如果不加以冷卻的話，再厲害的耐熱材料也要燒壞，因此一部分煤油在燃燒之前，會先在燃燒室外壁上的管道里走一圈，即提升了自身的溫度，又冷卻了燃燒室。
但問題是管子里的煤油在高溫下就容易出現(xiàn)結(jié)焦，溫度越高結(jié)焦就越嚴(yán)重。對于一次性使用火箭來說，只要能維持到發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)就可以了，但對于要重復(fù)使用的火箭來說，結(jié)焦就成了致命缺陷，極大地增加了修復(fù)所需的工作量，甚至根本無法恢復(fù)。
猛禽液氧甲烷發(fā)動機(jī)
于是馬斯克就推出上史上首臺使用液氧甲烷為燃料的“猛禽”發(fā)動機(jī)，并且采用了更加強(qiáng)悍的“全流量分級燃燒循環(huán)”，這種循環(huán)方式擁有兩個(gè)預(yù)燃室，分別是富氧和富燃，所有都需要分別經(jīng)過這兩個(gè)預(yù)燃室，即所謂的“全流量”，然后再一起進(jìn)入燃燒室燃燒。
“全流量分級燃燒循環(huán)”能夠?qū)崿F(xiàn)比高壓補(bǔ)燃更大的室壓和更高的比沖，猛禽發(fā)動機(jī)的室壓高達(dá)33MPa，比沖達(dá)到了380秒。這里就看出為什么要使用甲烷了。在富燃的預(yù)燃室里甲烷的積碳少，而用來冷卻燃燒室的液態(tài)甲烷的結(jié)焦也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤油，因此特別適合于重復(fù)使用。
全流量分級燃燒循環(huán)有兩個(gè)預(yù)燃室
甲烷還有其它優(yōu)點(diǎn)，它比液氫便宜，在常壓下的液化溫度為零下160℃，如果加壓的話還可以更高，這就比液氫要好得多。液態(tài)甲烷的密度大約是煤油的一半，比液氫要大得多，所以貯箱也不會過大。由于單位質(zhì)量的熱值比煤油高，所以比沖天生就比煤油大，再加上“全流量分級燃燒循環(huán)”的加持，就更加有優(yōu)勢了。
猛禽發(fā)動機(jī)
馬斯克應(yīng)該就是因?yàn)榧淄榈倪@些優(yōu)點(diǎn)才開發(fā)了猛禽發(fā)動機(jī)，至于說甲烷在其它星球比較容易獲取之類的話，估計(jì)是說給媒體聽的，畢竟對他來說賺錢才是第一要務(wù)。那么相比于強(qiáng)大的猛禽，朱雀二號上的天鵲發(fā)動機(jī)又是個(gè)什么水平呢？原來，無論是天鵲12還是天鵲11，采用的都是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，在工作方式上與猛禽還有很大差距。
作為民營航天公司，藍(lán)箭選擇燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)也是合理的，畢竟全流量分級燃燒循環(huán)的技術(shù)難度太大，研發(fā)周期也會很長，比較適合國家隊(duì)來搞，對民營公司來說不太現(xiàn)實(shí)。而燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的技術(shù)難度低，也能利用甲烷燃料的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用。將來再在這個(gè)基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，再做出更先進(jìn)的發(fā)動機(jī)也不是沒有可能。
天鵲12試車
2019年5月17日，天鵲12發(fā)動機(jī)的20秒試車在浙江湖州圓滿成功，意味著中國民營企業(yè)首次掌握百噸級液體火箭發(fā)動機(jī)的全部關(guān)鍵技術(shù)。2019年7月，10噸級的天鵲11推力室650秒長程試車圓滿成功。2019年7月22日，天鵲12發(fā)動機(jī)100%推力試車取得成功，最長試車時(shí)間100秒。2022年8月，天鵲12A二次起動試車成功，表明其具備了重復(fù)使用能力。2022年10月，真空型的天鵲15A成功完成了首次全系統(tǒng)熱試車，試驗(yàn)時(shí)長20秒。
天鵲12A二次起動試車
可見天鵲發(fā)動機(jī)的進(jìn)展還是比較快的。但這次朱雀二號的首飛失利，確實(shí)是一個(gè)重大挫折，第一級的天鵲12工作十分正常，表明大推力的液氧甲烷發(fā)動機(jī)通過了實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)。火箭一二級正常分離，整流罩也順利打開了，但在第二級發(fā)動機(jī)正常關(guān)機(jī)后，火箭還在持續(xù)掉高度，最終導(dǎo)致衛(wèi)星未能入軌。
衛(wèi)星未能入軌
看來朱雀二號和朱雀一號一樣，就差在了最后的臨門一腳上，十分可惜。而故障原因目前尚未公布，有可能和二級的游動發(fā)動機(jī)，即有4個(gè)推力室的天鵲11有關(guān)，因?yàn)槎壷靼l(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后，衛(wèi)星入軌最后靠的就是它。
天鵲11游動發(fā)動機(jī)
航天之路永遠(yuǎn)都不是平坦的，對于民營航天更是如此。馬斯克當(dāng)年也經(jīng)歷了許多次失敗，才搞出了獵鷹9號。希望藍(lán)箭能夠盡快找出原因，實(shí)現(xiàn)歸零，并再接再厲。畢竟國內(nèi)的液氧甲烷發(fā)動機(jī)目前就屬他家最成熟了。