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中国首台液氧甲烷发动机核心部件测试,为何全球航天领军企业钟情CH4?

楼主#
更多 发布于:2018-03-19 16:35
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2018-03-19  DeepTech深科技

   近期,国内首个致力于液氧甲烷发动机研发的商业航天公司蓝箭航天完成了发动机研发过程中极具意义的一步——首款液氧甲烷发动机“凤凰”的 10 吨级缩比推力室进行了首轮三次点火试验并取得了成功,而这也是继去年蓝箭航天发动机的燃气发生器点火试验以来的又一跨越,“得推力室,得液体火箭”,本次点火实验有望为即将到来的全尺寸大推力发动机试车和液体火箭首飞奠定基石。

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图丨蓝箭航天液氧甲烷发动机“凤凰”的推力室原型机

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图丨此次蓝箭航天液氧甲烷发动机推力室试车

   进入 21 世纪后,尤其是在最近几年,全球范围内航天业以不可阻挡的趋势向商业化和市场化方向发展,例如 SpaceX、维珍银河和蓝色起源等诸多商业航天明星公司先后涌现。而在这场你我有目共睹的变革浪潮中,商业运载火箭公司成为了最受资本追逐和大众关注的翘楚。
   众所周知,运载火箭是商业航天的基础,虽然围绕着火箭发动机的“固液之争”持续不断,但不可否认的是,液体火箭发动机凭借着高比冲、推力可调等优点一直占据着太空新闻的头版头条,细数人类过往的航天发射活动,从加加林到杨利伟、从“阿波罗”到“哥伦比亚号”,每一次唱主角的都是液体火箭发动机。

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图丨土星五号与航天飞机

   但不同于以往属于国家行为的航天活动,只要是涉及商业,任何行业的游戏规则都必须向提高性能、降低成本这一永恒不变的定律无限靠近,在这种要求的筛选之下,之前备受推崇的四氧化二氮/偏二甲肼、液氧煤油、液氧液氢等类型发动机的表现便差强人意,一直被“埋没”的液氧甲烷发动机横空出世。
   相较于前辈,甲烷机可谓是综合实力最强的全能选手,对比偏二甲肼,无毒、环境友好是它的最大亮点;对比液氧煤油发动机,它的比冲更高、不易结焦,使得发动机复用变得更加现实;对比液氧液氢,它的密度有 6 倍之高、体积更小,而且成本只有不到液氢的三十分之一。以此看来,在商业航天时代,液氧甲烷发动机将大有可为。

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图丨甲烷分子结构,其分子式为CH4

   目前,除了国内的蓝箭航天之外,全球范围内最知名的液氧甲烷发动机厂商就是美国的“航天双子”——“钢铁侠”马斯克旗下的 SpaceX 和首富贝索斯执掌的蓝色起源。可以说,无论是 Raptor(猛禽)还是 BE-4 都绝对符合大型火箭发动机的标准,而且这两款发动机都已经进入到了地面测试和小批量生产阶段。

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图丨BE-4、Raptor 和 Merin 发动机对比

   而转过头来看蓝箭航天的进展,他们的首款发动机即采用液氧甲烷作为推进剂,代号“凤凰”。其最核心的结构推力室采用高温合金和碳纤维等耐高温材质,使用激光焊接技术,并利用 3D 打印成型,外壁使用特殊电铸工艺与内壁连接。这将保证在 3000K——4700K 的高温和 20MPa 的高压下,推力室可以正常工作。

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图丨蓝箭航天液氧甲烷发动机“凤凰”的推力室原型机

   值得一提的是,此次液氧甲烷发动机 10 吨级缩比推力室的点火试车,以及于 2017 年底成功完成的燃气发生器点火等工程验证,将加速蓝箭液体火箭的整体研制进度。该推力室不仅验证了未来百吨级发动机的燃烧特性和工程原理,也将于后续的研发过程中衍生为火箭游机发动机和火箭上面级发动机。
   蓝箭航天10吨级缩比液氧甲烷发动机推力室工程进度表
   2017年9月19日,推力室方案设计完成。
   2017年9月25日,推力室设计方案通过专家评审
   2017年9月26日,推力室图纸下厂
   2017年10月26日,推力室铜内壁铣槽加工完成
   2017年11月30日,点火试车方案通过评审
   2017年12月10日,3D打印件齐套
   2017年12月29日,点火器零件齐套
   2018年1月8日,点火器7次点火试验取得成功
   2018年1月11日,推力室外壁成型
   2018年1月19日,完成液流试验
   2018年1月21日,完成液压试验、总体液压试验
   2018年1月22日,推力室完成总装,交付试车台
   2018年2月1日开始,推力室试车
   2018 年,“凤凰”液氧甲烷发动机其它主要组成部分——涡轮泵、阀门等关键部组件也将陆续开展试验。而在这之后,全尺寸大推力发动机的测试和液体火箭的首飞也将成为我们关注的亮点,期待在有了高性能大推力火箭发动机的助力之下,中国商业航天可以披荆斩棘、问鼎成王!
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一楼#
发布于:2018-03-21 13:49
学习了,最环保的火箭。
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