航天科普小组 25-09-07 14:09
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【小科普:全流量属于分级燃烧大家族】
目前,有几个很大的误区:全流量分级燃烧循环(Full Flow Staged Combustion Cycle, FFSCC)不是分级燃烧循环,补燃循环也不是分级燃烧。这些观点实际上是误解。
分级燃烧循环(Staged Combustion Cycle)又称高压补燃循环,是一种闭式循环方式。也就是说,“分级燃烧”这几个字等价于“(高压)补燃”这几个字,两者除了说法外并没有区别。其特点是推进剂在预燃室中燃烧后,产生的燃气驱动涡轮泵,然后剩余推进剂进入主燃烧室再次参与燃烧,产生推力。这种循环方式没有废气排放,推进剂的能量利用率高,能够显著提高发动机的比冲和推力性能。
富氧分级燃烧循环(Oxidizer-Rich Staged Combustion Cycle, ORSC)是分级燃烧循环的一种,其特点是预燃室中氧化剂过量,形成富氧燃气,驱动涡轮泵后进入主燃烧室。富氧分级燃烧循环有着自己的独特优势。在使用碳氢燃料时,燃料富预燃器会引发积碳等问题,而富氧预燃室则没有。此外,若在相同涡轮温度和泵排压力下,富氧分级燃烧循环比富燃分级燃烧循环可实现更高的燃烧室压力,意味着相同尺寸的发动机能产生更大的推力。但是,富氧分级燃烧循环的材料挑战极大。热态富氧气体具有极强氧化性,对材料耐蚀性要求极高。
富燃分级燃烧循环(Fuel-Rich Staged Combustion Cycle, FRSC)是分级燃烧循环的另一种形式,其特点是预燃室中燃料过量,形成富燃燃气,驱动涡轮泵后进入主燃烧室。富燃分级燃烧循环也有着其独特优势。其富燃混合物产生的排气分子质量更低,使得排气速度更快,从而提升比冲。富燃有助于使用燃料对整个发动机进行再生冷却,同时燃料流量较大,能更好保护燃烧室结构。如果使用的是含碳量较少的推进剂,还可以非常有效地减少积碳的问题。
全流量分级燃烧循环是分级燃烧循环的一种特殊形式。也就是说,富氧分级燃烧循环、富燃分级燃烧循环和全流量分级燃烧循环是分级燃烧循环的三个分支,它们都属于分级燃烧循环。全流量分级燃烧循环设有两个预燃室:一个富氧预燃室和一个富燃预燃室。富氧预燃室中,少量燃料与过量氧化剂燃烧,产生富氧燃气驱动氧化剂涡轮泵;富燃预燃室中,少量氧化剂与过量燃料燃烧,产生富燃燃气驱动燃料涡轮泵。两个预燃室的废气最终都进入主燃烧室,与剩余的推进剂混合并充分燃烧,产生推力。因此,全流量分级燃烧循环显然属于分级燃烧循环,并且将富氧分级燃烧循环和富燃分级燃烧循环进行了融合。全流量分级燃烧循环是分级燃烧循环的最复杂形式,SpaceX的猛禽(Raptor)发动机是世界上首个成功投入实用的全流量分级燃烧循环发动机,采用液氧甲烷推进剂。
全流量分级燃烧循环的涡轮温度/应力更低,有利于可复用寿命与可靠性。因为“全部流量”参与驱动涡轮,单位输出功率对应的质量流更大,因而涡轮入口气体温度和压力可以更低,涡轮寿命和反复飞行次数预期更好。此外,全流量分级燃烧循环消除/弱化了“交叉推进剂涡轮密封”问题,从而提高可靠性、降低维护成本。单轴单预燃器的某些实现需要在涡轮轴或泵轴附近做严苛的密封以防燃料/氧化剂混入不该进入的侧路;全流量分级燃烧循环通过让燃料侧和氧化剂侧分别独立,消除了复杂的跨推进剂密封或至少大幅简化了密封设计,从而有利于降低检修复杂度与提升整机可靠性。全流量分级燃烧循环带来更多涡轮可用功,从而能把泵压提高到更高的水平,这直接支持更高的室压设计;更高室压通常意味着更高比冲和更小的主燃烧室与喷管结构(在同等推力下)。SpaceX选择全流量分级燃烧循环的一部分工程考量就是兼顾高室压、可重复使用与甲烷的低积碳特性,因而全流量分级燃烧循环与“多次飞行、低维护翻新”目标高度一致。也就是说,液氧甲烷可以说是全流量分级燃烧循环的天选之子。但是,全流量分级燃烧循环并非全是优点。全流量分级燃烧循环需要两个预燃器、两套涡轮轴系、更复杂的启动、节流与控制程序,导致设计耦合高、部件数升、系统调试难度大。对于全流量分级燃烧循环,预燃室/涡轮/泵相互依赖,导致子系统级独立试验更复杂,试车台与试验程序的要求更高。由于系统耦合性强,全流量分级燃烧循环的启动顺序、阀门时序、瞬态控制比单预燃器系统更难把握,工程上需要更复杂的控制逻辑和更多测试来保证可靠性。此外,全流量分级燃烧循环理论上并不适合特别小的发动机,由于使用了两个涡轮泵,相较于富氧分级燃烧循环或者富燃分级燃烧循环多了一个预燃室,从而带来了更大的单机质量。此外,由于全流量分级燃烧循环是富氧分级燃烧循环和富燃分级燃烧循环的某种意义上的“融合体”,所以全流量分级燃烧循环需要同时攻克两种状态的难点(高温高压氧气蚀+富燃燃气积碳)。
最后要说明的是,低水平的全流量分级燃烧循环发动机并没有想象中那么困难(比如Stoke Space的Zenith第一代和第二代)。也就是说,低水平的全流量分级燃烧循环发动机甚至不如一些中高水平的富氧分级燃烧循环或者富燃分级燃烧循环发动机。只有当技术指标先进时,这个分级燃烧循环发动机才能被称之为“先进”或“强”,而不是只去看循环方式。
说了这么多,就是希望大家了解一下全流量分级燃烧循环究竟是什么东西,以及解除一些常见的误解。

发布于 湖南