3D打印,液体运载火箭发动机进入全新时代。

液体运载火箭发动机的燃料泵通常采用燃气发生器或者预燃驱动,即依赖燃料燃烧提供动力。采用电动机驱动涡轮泵早有研究,但最早把它用在实用运载火箭上的,是“电子号”。电子号火箭开创性的完成了电泵火箭的全球首次商业发射,将6颗卫星送入预定轨道。


今年全球第90次航天发射,11月11日中午在新西兰成功完成。

这是以超低发射价著称的“电子火箭”首次商业发射,也是发射商火箭实验室总计第3次发射。

它的最大特点是发射总价低。超低成本,短小精悍——电子火箭身高17米。起步价490万,一般在500万~600万美元区间,有效载荷在150~225公斤之间,可以将150公斤载荷部署到500公里高的太阳同步轨道。

目前SpaceX猎鹰9号复用火箭发射价3500万美元,尽管平均每公斤发射价1535美元,远远低于电子火箭每公斤发射价21777美元,但每次发射总价两者还是整整差了7倍:500万美元<3500万美元

“电子”号火箭是世界上首个采用电驱动推进剂泵的火箭,也是全球首个采用3D打印发动机的火箭,意在为小卫星市场带来高频率的专用发射机会,消除目前搭载发射方式所受到的发射时间和发射轨道等种种限制。


“电子”号火箭是一款小型二级运载火箭,全长17米,直径1.2米,起飞质量10.5吨,500km太阳同步轨道运载能力为150kg,也可以将比较重或较轻的卫星送入较低或较高的轨道,例如45°倾角近地轨道最大运载能力为225kg。火箭一级采用9个卢瑟福发动机,二级采用1台真空型卢瑟福发动机。

而传统火箭发动机需要利用燃气发生器内产生的高温高压燃气作为工质驱动涡轮旋转,以此带动推进剂泵旋转,从而实现推进剂增压。卢瑟福发动机取消了燃气发生器、涡轮及大量管路阀门,增加了电池组、逆变器和电动机,利用电动机带动泵旋转。

“电子”号火箭采用微型航电系统和箭载计算机系统,采用先进的FPGA构架,在保持硬件通用化的同时,能够实现大规模功能定制,相应航电系统仅重8.6kg。火箭各级电子系统采用模块化硬件结构,只需对其进行编程就可完成不同功能定制,可大幅减少硬件改动,缩减生产制造周期。火箭上面级的设计可实现载荷集成模块与主要辅助组件的有效断开,突破即插即用技术,在数小时内即可实现集成或替换,进而满足火箭高密度、快速发射需求。


一直以来大推力液体火箭发动机虽然有着比冲更高、且具备多轮停机能力等优势,但是相比结构更为简单的固体火箭发动机而言,液体火箭发动机虽然优势很多,但是研发成本高、研发难度大限制了很多国家,特别是能够直接影响火箭推力大小的涡轮泵更是“重中之重”。衡量一枚液体火箭发动机的性能高低,核心还是看发动机的推重比和比冲两大关键参数,比冲的大小核心和使用的燃料和燃烧室内压有关,而火箭发动机的推重比高低就直接和火箭发动机的设计研发有关了,特别是涡轮泵的工作效率直接决定了单位时间内进入燃烧室工作的燃料量的多少和压力有多大,所以长期以来研发成功了涡轮泵也就等于是研发成功了液体火箭发动机,因为以液体火箭发动机的构造来说,主要就分为涡轮泵/燃烧室和喷管三大部件。

所以对于大推力、高性能的液体火箭发动机来说,决定液体火箭发动机的比冲和推重比的关键就是涡轮泵,所以这就要求涡轮泵的输送流量要更大,比如现代大推力液体火箭发动机使用的涡轮泵转速轻轻松松超过十几万转/分钟,泵送功率更是可以达到几万千瓦,要知道秦山核电站一期机组的功率也就是30万千瓦时。当年美国执行登月计划的土星五号超重型火箭使用的F-1液氧煤油火箭发动机使用的涡轮泵,可以在短短几分钟内将整个西湖水全部打上珠峰那么高,所以从中可见涡轮泵的功率有多高。


所以这么高的涡轮泵功率对于驱动源产生了更高的要求,最早液体火箭发动机刚出来的时候,初期还是借助外部蒸汽动力驱动涡轮泵启动并逐渐产生压力,后来逐渐开发出使用发动机自产的高温燃气驱动技术并应用至今。有些高温燃气来自专用的预燃室,虽然结构简单,但是会浪费部分燃料所以也被称为“开式循环”。有些则直接从燃烧室和喷管等高压空间内抽取属于闭式循环,像美SpaceX公司的猎鹰火箭使用的发动机就是性能落后的开式循环方式,而我国则使用了更加先进的分级燃烧闭式循环方式。

而使用电池驱动的涡轮泵虽然回归到了早期的外部动力驱动,但是结构复杂的涡轮泵增压系统依然是缺少不了的,不过却不用设计那么复杂的自适应增压系统了,这就有点像传统的液发像是使用化油器的发动机,而电池驱动的则像是电喷发动机,首先会带来更高效的动力控制和更为平滑的动力曲线,同时因为没有了驱动涡轮泵工作的预燃室所以整个液发结构更为简单/没有了堵塞爆炸的风险。


虽然从理论和小型火箭的实际发射来说,使用电池驱动的涡轮泵优点很多,但是现阶段来说却存在以下几大问题:

一、要想用电池替代传统的涡轮泵自增压系统,首先得需要研发制造一个输出功率可以达到几万千瓦的同时,体积和质量要更轻的电机出来,但是这里面就牵涉的多了,美国高了十多年的电磁弹射器到今天还问题不断,可想而知研发一个质量轻、体积小巧、功率几何倍大电机有多难。

二、如何让电池组提供兆瓦级别的电能的同时,电池同样做到质量轻、体积小巧、电能几何倍大?那么要驱动涡轮泵为燃烧室输送巨量燃料,对电池组的功率密度和能量密度提出了更高的要求,简单来说能量密度就是指电机长时间工作所需的总能量大小,而功率密度则是指任意时刻成功驱动泵运转的瞬时功率大小。所以对于驱动火箭发动机涡轮泵高效运转的前提就是电池组能否保证在整个发射阶段的爆发力和耐久力,同时还有电池短时间超负荷放电时的过热问题。


#总结来说,虽然电池驱动的涡轮泵结构有所简单,而且相比传统的自适应涡轮泵优点多多,算是未来液发发展方向之一。但是介于现阶段电池组功率密度的限制,无形中也就限制了以电池组驱动的液体火箭发动机能否研发出推力更大的核心所在了,毕竟现阶段唯一一款电动涡轮泵的电子号发动机最大推力只有2吨,2吨的推力放在火箭发动机上真的是没有多大的惊涛骇浪,毕竟现阶段各国使用的液发海平面推力早已超过100吨。