【原创】说说液体火箭发动机的循环方式
浪里黑条2019/03/24喷气推进 IP:北京

液体火箭发动机需要源源不断地将推进剂注入燃烧室中。所以,液体推进剂的运送是一个重要的过程。在液体火箭发展的几十年间,先后出现了七类比较重要的燃料运送方式(又叫循环方式):挤压循环、燃气发生器循环、分级燃烧循环、膨胀循环、膨胀排气循环、燃烧室抽气循环和电泵运输。 

挤压循环(pressure-feed)是利用高压气体将推进剂从储罐压出,进入燃烧室的一种循环方式。该方法的优点在于可靠性高、活动部件少;但是由于储罐需要承压,壁厚较大,因此消极质量较大,火箭干质比较低;为避免干质比数据过于难看,增压气体压强不能太大,又限制了燃烧室压强,导致性能较低。挤压循环在火箭上面级和姿态控制发动机有一定应用,典型例子有中国的YF-50D发动机,用在远征一号上面级中。 

 

挤压循环.png

 图1:挤压循环示意图

燃气发生器循环(gas-generator cycle)是利用燃气发生器产生的燃气驱动涡轮泵运送推进剂的一种循环方式。燃气在推动涡轮泵后即变为废气排出,造成一部分浪费。由于燃气发生器一般为富燃料燃烧(氧化剂不足),含有大量未完全燃烧物质的废气排出也会造成一定的污染(肼类燃料尤其严重)。燃气发生器循环一般不产生很高的燃烧室压强(例如YF-77发动机室压仅10MPa左右),且部分燃料不产生推力,因此性能较低。典型例子有SpaceX的Merlin-1D发动机、中国的YF-77发动机等。 

 

燃气发生器循环.png

 图2:燃气发生器循环示意图

分级燃烧循环(staged-combustion cycle)又叫补燃循环,可以认为是燃气发生器循环的改良版。同样,分出一部分(或全部)燃料进入燃气发生器驱动涡轮泵,但燃气发生器产生的废气并不直接排出,而是输入燃烧室进行补燃。由于全部推进剂都做功,因此分级燃烧循环的发动机比冲一般较高。特别地,全部燃料都进入燃气发生器的分级燃烧循环,称为全流量分级燃烧循环。全流量分级燃烧循环的涡轮燃气流量很大,因此达到同样的涡轮泵功率,涡轮前温度可以(与一般分级燃烧循环相比)更低,涡轮体积也可以更小,可以降低涡轮泵的技术难度。分级燃烧循环典型的例子有RD-180火箭发动机、航天飞机主发动机(SSME)等,其中SSME堪称是把分级燃烧循环玩到极致的一款发动机。 

 

分级燃烧循环.png

 图3:分级燃烧循环示意图

全流量分级燃烧循环.png

 图4:全流量分级燃烧循环示意图

膨胀循环(expander cycle)是利用燃烧室内壁加热低温推进剂使之汽化驱动涡轮泵的一种循环方式。膨胀循环是效率最高的循环方式。汽化后的推进剂温度较低(甚至接近室温),因此涡轮无需十分耐高温。但是,推进剂汽化远不如推进剂燃烧的做功能力强,因此膨胀循环的涡轮泵功率一般较小,室压和推力都比较低,一般用于小推力的真空发动机。典型例子有中国的YF-75D发动机,用于长征五号运载火箭的第二级。 

 

膨胀循环.png

 图5:膨胀循环示意图

还有一种膨胀循环的“阉割版”——膨胀排气循环(expander-bleed cycle):一部分推进剂经过加热汽化后推动涡轮泵,其余部分进入燃烧室,驱动涡轮泵的那一部分推进剂则作为废气排出。与膨胀循环一样,由于汽化做功较为有限,因此膨胀排气循环的涡轮功率不能很大,推力也就不能很大(但是由于涡轮后压强较低,涡轮压降较大,因此涡轮效率比较高,故而尽管膨胀排气循环进入涡轮的推进剂较少,实际涡轮功率可以稍大于膨胀循环)。而且,膨胀排气循环有一部分推进剂浪费,因此比冲也较低。典型例子有日本的LE-5A和LE-5B,这两种发动机的区别在于加热燃料的部位不同:LE-5A用喷喉加热,而LE-5B用燃烧室壁加热。 

 

膨胀排气循环.png

 图6:膨胀排气循环示意图

还有一种十分简单粗暴的方式,叫做燃烧室抽气循环(combustion tap-off cycle):从燃烧室中分出一部分燃气驱动涡轮泵,随后排出废气。这种循环方式的发动机比较轻(因为没有燃气发生器等部件)。其主要缺点是涡轮温度高,并且与燃气发生器循环类似,会损失一部分比冲。Blue Origin公司的BE-3发动机就采用了燃烧室抽气循环。 

 

燃烧室抽气循环.png

 图7:燃烧室抽气循环示意图

电泵循环(electric feed cycle)则是一种近乎全新的循环方式,取消了涡轮,用电动机来驱动燃料泵。对于小型火箭而言,涡轮小型化较难,因此(在小功率时)相对较小的电动机是一个很好的替代方案。目前世界上采用电泵输送的运载火箭仅有新西兰的"电子"号运载火箭,其发动机名为"卢瑟福"发动机。论坛里也有关于"电子"号火箭的相关文章。电泵循环的主要缺点在于,限于电动机和电池的性能,单台发动机的推力比较有限(Rutherford发动机的推力仅22kN),工作时间也受到限制。 

 

电泵循环.png

 图8:电泵循环示意图

花絮:笔者在wiki上找到combustion tap-off cycle 后,几番搜索才得以找到“燃烧室抽气循环”的翻译,差一点就要自作主张翻译成“燃烧抽头循环”了。。。 

[修改于 5年1个月前 - 2019/03/24 18:53:18]

来自:航空航天 / 喷气推进
7
 
3
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
{{notice.noticeContent}}
~~空空如也
浪里黑条 作者
5年1个月前 IP:北京
856179

文字部分编辑完成,部分素材(图片等)尚有待整理

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
314152
5年1个月前 IP:广东
856185

电泵算是个投机取巧的办法吧😂当然,前途也是还可以的:这年头电动机体积越做越小,驱动也是重量几乎可以不计,电池的问题则在特殊锂电池的阴影下解决了(以后用热电池也不见得不可以),于是乎小火箭也可以用上高室压发动机😀另外,因为电泵机极低的研发成本,不知道会不会让一些小国甚至是KB组织可以搞出ICBM😂

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
浪里黑条作者
5年1个月前 IP:北京
856189

原理示意图整理完成,此贴主体部分完结√

+20
科创币
Johnny-Wei
2019-03-27
资料详细
引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
yuanfeng
4年7个月前 IP:湖南
862915

那个电泵可以自己搞不,大功率电泵得带大的锂电池,会不会让死重太大?

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
NaiveTomcat
3年7个月前 IP:陕西
885948
引用yuanfeng发表于4楼的内容
那个电泵可以自己搞不,大功率电泵得带大的锂电池,会不会让死重太大?

肯定会有死重的,选择循环方式就是在技术难度、推力、比冲、重量之间做权衡的

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
kc-89277
3年6个月前 IP:山东
886266

有没有一种涡轮泵带动齿轮泵泵压的。离心泵具体设计太难。

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
浪里黑条作者
3年6个月前 IP:上海
886283
引用kc-89277发表于6楼的内容
有没有一种涡轮泵带动齿轮泵泵压的。离心泵具体设计太难。

理论上也不是不行,但是齿轮泵在相同流量和扬程下,体积和重量都不知道比离心泵重了多少倍 sticker 不排除直接让发动机推重比小于1的可能性

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

所属专业
所属分类
上级专业
同级专业
浪里黑条
进士 学者 机友 笔友
文章
26
回复
1459
学术分
1
2018/02/28注册,1天16时前活动

复旦材化大四学生,已上岸中科院。热爱化学相关学科(但是物化杀我),略知一二建模技术。概念机爱好者。同时还喜爱短跑、乒乓球、书法、古琴等。【我是不是说的太多了】

主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:手机号
IP归属地:北京
文件下载
加载中...
{{errorInfo}}
{{downloadWarning}}
你在 {{downloadTime}} 下载过当前文件。
文件名称:{{resource.defaultFile.name}}
下载次数:{{resource.hits}}
上传用户:{{uploader.username}}
所需积分:{{costScores}},{{holdScores}}下载当前附件免费{{description}}
积分不足,去充值
文件已丢失

当前账号的附件下载数量限制如下:
时段 个数
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 {{f.fileCount}}
视频暂不能访问,请登录试试
仅供内部学术交流或培训使用,请先保存到本地。本内容不代表科创观点,未经原作者同意,请勿转载。
音频暂不能访问,请登录试试
支持的图片格式:jpg, jpeg, png
插入公式
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
收藏
取消收藏
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
管理提醒
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}