新西蘭的電泵火箭真的比普通火箭便宜嗎,為什麼沒有跟風者?

兜ll兜


前幾年一家總部位於美國加州的初創火箭發射公司在創始人的老家新西蘭發射了世界上第一枚電動火箭,當然說是電動火箭,實際和我們理解電動汽車這類依靠蓄電池驅動不同,新西蘭發射的這枚LAB電動火箭本質上使用的還是液氧煤油燃料,只是將燃料泵驅動源換成了電機來驅動,所以叫電動火箭也有點勉為其難。



首先這枚電動火箭一切都是瞄準低成本去的,比如為什麼使用電動機作為燃料泵驅動呢?就是因為傳統的燃氣渦輪泵無論是從研發成本還是製造成本來說都極其高昂和複雜,所以這枚主打納米衛星發射的低成本火箭在生產成本上也都是儘可能的降低成本。比如其包括髮動機、箭體結構等都主要零部件都是3D打印和碳纖維製造的,所以整枚火箭的發射成本只需要500萬美元,500公里的太陽同步軌道的運載力達到了150千克,算下來其每公斤的發射成本只有3.3萬美元。

且不說其發射成本有多麼誘人,單說這個使用了電機驅動的火箭發動機,該火箭一級結構裝備了9臺發動機,每臺火箭發動機使用兩臺電動渦輪泵分別將液氧和煤油擠入燃燒室,由於其火箭燃料產生的推力全部用於推動火箭飛行,所以其燃燒效率高達95%,再加上其火箭發動機中的噴嘴、燃料輸送管等都是3D打印的,所以載荷比很高發射成本也比較低。

既然燃燒效率這麼高的火箭發動機為什麼沒有其他人研製呢?其實這種電動渦輪泵的火箭雖然燃料利用率接近完美,但是受限於電動渦輪泵的功率限制,如果將火箭尺寸增大來提高推力的話,由於燃燒室內的壓力也會進一步增大,但是電動渦輪泵卻不能提供更大的輸出功率來滿足大推力火箭的燃料輸送需求。

之所以無法提供更大的輸出功率的原因是因為像這枚LAB火箭一級結構裝了9臺發動機,每臺發動機需要2臺電動渦輪泵,這樣算下來一級結構就需要多達18臺電動渦輪泵,每臺電動渦輪泵功率37千瓦左右,這樣就需要為電機提供電能的蓄電池能夠提供超過666千瓦的電力輸出才行,好在這幾年聚合物鋰電池的發展讓電池輸出和體積都更進一步,所以能夠滿足這枚小火箭電力需求,同樣也到了現代商用電池的極限了,反過來這也造成這枚小火箭需要9臺發動機才能滿足起飛推力需求(一臺火箭發動機高度僅有一雙男士皮鞋一樣高,可見其體積有多小)。


而傳統的火箭發動機中推力最大的就是蘇聯研製的採用了高壓補燃分級燃燒的RD170液氧煤油火箭發動機了,其最大推力高達740噸,這麼大的推力離不開一臺功率比美國核動力航母還高的燃氣渦輪泵,但是也帶來了更復雜的技術難度,所以至今這種大推力的液氧煤油發動機關鍵的渦輪泵技術則只有俄羅斯獨家掌握。
當然這麼大的輸出功率離不開蘇聯人採用的高壓補燃技術,由燃燒室引來的高壓燃氣推動渦輪泵高速運轉來提供四臺燃燒室所需要的巨量燃料需求,火箭推力更大、燃燒室壓力越高,燃氣渦輪泵的運轉效率和功率越高。但是放在使用電力驅動的電動渦輪泵上時,受限於電機轉速和功率的反比以及蓄電池輸出功率的限制,這種使用電動渦輪泵的火箭發動機推力也就無法做的很大了,所以就只能使用在一些低成本的納米火箭上了,所以這也是為什麼沒有跟風的原因所在。



當然這種電動渦輪泵的火箭發動機相比傳統的燃氣渦輪泵火箭發動機由於有著更高的推進效率,雖然多了不必要的蓄電池和電力控制系統,但是也少了複雜的預燃室和大量的管路閥門。




所以今後隨著電池技術的進步後,採用這種結構簡單的火箭發動機的推力也能進一步提升,到那個時候或許會有更多的火箭採用這種電動渦輪泵,畢竟推進效率更高也意味著性價比更高。但是受限於大型液體火箭發動機使用的燃氣渦輪泵所需功率實在是太過於強大,所以在未來至少20年內大型火箭還是需要使用這種採用燃氣驅動的火箭發動機執行航天發射任務。


分享到:


相關文章: