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人类为何要在拥有高性能氢氧火箭发动机之后,还要开发液氧甲烷发动机?

亚马逊老板贝佐斯的液氧甲烷发动机BE-4拿了五角大楼合同,为ULA给美国空军发射项目的火箭提供发动机,真是激动人心。另一位更有名的航天创业明星埃隆马斯克的SpaceX下一代重型火箭BFR主发猛禽也同样选了液氧甲烷组合。

缩比猛禽

为啥人类有了强大的氢氧火箭,却在现在开始大力发展液氧甲烷了?

The absolut masterpiece

堪用的比冲

液体火箭燃料氧化剂组合比冲

火箭的推进效率也就是比冲定义为:每一公斤燃料产生一公斤推力的持续时间,单位为秒。而比冲跟喷气速度成线性相关。

液氧甲烷的比冲虽然低于优秀的氢氧组合,但是依旧比液氧煤油高出一些,使得这个燃料氧化剂组合有了实用价值。

氢气对工程学提出的挑战

液氢因为低温,造成了很多工程困难,如果液氢在管路中遇到空气,那空气会直接结冰而堵住管路。氢气的密度极低,分子极小。分子小导致别的气体无法渗透的地方,氢气可以,所以氢管路阀门都对设计制造提出了极高要求。另外氢气会渗入金属部件,造成氢脆问题,不再展开。

较低的甲烷燃料罐设计制造难度

因为氢气密度极低,氢氧火箭的氢气罐远比氧气罐要大。

航天飞机,注意燃料罐上部为氧气罐,下部为氢气罐

阿丽亚娜5号,GS子型号,主火箭中红球是氧气罐,蓝色是氢气罐

氢罐很大,但又很轻,对整体设计不是很友好。

相对于氢氧组合,甲烷的沸点远高于液氢,和液氧接近,分子又大,真是太友好啦!

SpaceX BFR主火箭燃料罐/氧气罐

液氧甲烷火箭的燃料罐和氧气罐差不多大,省了不少事呢。

较低的涡轮泵设计制造难度

一台火箭发动机的绝大部分设计成本和大部分制造成本都是它的涡轮泵,因为氢的密度太低,氢泵转数要求高,设计很困难。需要多级泵才能达到想要的燃烧室压力。

航天飞机主发SSME涡轮泵

SSME的高压氢泵,这么大的体积可以输出57兆瓦

甲烷火箭从燃料罐,到管路,再到涡轮泵,全都大幅降低了难度。其涡轮泵甚至一级就够了。

不易结焦

相比煤油火箭,液氧甲烷组合的发动机不易结焦。不光是提高燃气发生器温度,主燃烧室压力潜力更大。而且再次使用时,省了清理工作。

外星有储量丰富的甲烷

火星甲烷生成路线

咱们惦记着星际旅行,出了门没地方加油回不来了咋办。甲烷这个东西在外星不是个稀罕物,所以甲烷火箭到了火星,可以想办法加注火星产的甲烷再飞回来。当然别的有甲烷的星球也行。

较低的流体模拟设计难度

氢气分子

甲烷

RP-1的成分,就不画分子了

甲烷分子虽然比氢气复杂,但是比煤油分子简单多了。

氢氧燃烧全部反应

上图是氢氧燃烧的全部分反应,虽然初中化学氢氧燃烧简化到只有2H2+O2=2H2O,但是实际情况复杂很多。想象一下煤油燃烧的复杂程度,下图为煤油燃烧的简化反应。甲烷就简单得多了。这使得发动机设计,流体和燃烧模拟工作,降低了很多难度。