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甲烷将称霸未来20年的商业航天!群雄逐鹿中的九州云箭"凌云"发

2018-07-17 15:10 来源:环球资讯 人气:2547次
原标题:甲烷将称霸未来20年的商业航天!群雄逐鹿中的九州云箭凌云发动机技术如何脱颖而出? 2018 年刚刚过去一半,全球范围内的航天发射榜单也随之出炉, 在上半年,中美两国皆以 18 次发射名列榜首,使其他国家难以望其项背。 但如果我们细细剖析这两个“1

  2018 年刚刚过去一半,全球范围内的航天发射榜单也随之出炉,在上半年,中美两国皆以 18 次发射名列榜首,使其他国家难以望其项背。

  但如果我们细细剖析这两个“18 次”就不难发现,民营航天公司的已经成为了美国发射中的绝对主力,单单 SpaceX 的猎鹰系列火箭就占据其中的 2/3。而反观中国,我们也在执行越来越多的太空任务,可属于我们自己的商业力量却迟迟没有出现。

  图丨上半年SpaceX最重要的发射无疑就是搭载特斯拉跑车的重型猎鹰首飞

  实际上,在 SpaceX 十几年来的带动下,商业航天公司已经成为了全球范围内的发展趋势。在经历了 2014 年的萌芽、2015 年的成长和 2017 年的集中爆发之后,中国也开始涌现出一批活跃的民营火箭创业公司。这些先行者大多将目光瞄准了液体火箭、甲烷动力、可回收的功能,为的就是紧跟当前国际上最流行的技术选择,实现跨越。

  2018 年 7 月 14 日,一直默默无闻的商业火箭公司九州云箭迈出了技术研发中重要的一步,完成了“凌云”10 吨液氧甲烷发动机副系统 200 秒长程试车考核。

  图丨本次“凌云”发动机副系统试车现场

  液氧甲烷发动机副系统又可以称为涡轮工质供应系统,本次试验的发动机副系统主要包括九州云箭自主设计研发的燃气发生器、火炬式电点火器、液甲烷主供应阀门、液氧主供应阀门、低温单向阀门以及试验工装等。

  图丨“凌云”发动机副系统产品状态图(上)与发动机模装图(下)

  本次液氧甲烷发动机副系统试验的顺利完成,是发动机研制进程中具有里程碑意义的一次试验,是突破发动机关键技术的重要一环,对支撑后续发动机的研制具有重要意义。

  再论液氧甲烷之利

  有关于未来的商业化运营的火箭究竟该选择何类的燃料,业界已经争论颇多,达成的基本结论就是:液氧甲烷是权衡之下最为合适的选择。而九州云箭的工程师也认为甲烷在未来 20 年之内霸主地位将不会被撼动。

  众所周知,甲烷作为一种清洁的能源被人们在生产生活中广泛使用,1931 年,德国研制了世界上第一台液氧甲烷发动机,而近三四十年更是被世界航天界重点关注。

  图丨甲烷燃烧的淡蓝色火焰

  实际上,和目前世界各国已经使用多年的液氧煤油、液氢液氧乃至被视作“毒物”的偏二甲肼/四氧化二氮相比较,液氧甲烷具备成本低、较易贮存、无毒无污染、维护方便的特点。而作为低温推进剂的液态甲烷,其黏度低(为煤油的 1/3)、结焦和积碳现象少等优点明显。

  液态甲烷存在着密度较小、饱和蒸汽压高,致使密度比冲偏小且燃料泵的抗汽蚀性能不易保证等固有缺点,并且其比冲与液氢液氧组合相比仍存在一定差距,进而导致难以彻底完成对后者的替代。但对于按照商业化思路来经营的民营公司来说,最为重视的还是性价比,这个时候,甲烷的优势就体现出来了。

  更重要的是,以液氧甲烷为燃料的发动机同样具有优秀的重复使用潜力,可以保证发动机具备几十次甚至上百次的使用次数,这对于越来越急需的“航班化”火箭和可重复使用的天地往返系统而言可谓是天赐良“药”。

  图丨美国的“三角快帆”试验飞行器DC-X是世界上第一艘以火箭动力进行垂直起降的可重复使用运载器

  需要强调的是,可重复使用发动机考验的就是飞行后高效的处理维护。由于液氧和液态甲烷的沸点分别为-183℃和-161.5℃,接近宇宙中的背景温度,这也就意味着航天器的推进剂储箱不需要做特殊的隔热和结构强化处理,减少了死重。加之结焦积碳少的优点,发动机十分易做清洁处理,只需要通过氮气吹除即可将内腔推进剂处理干净,整个流程仅需数天即可完成。两点都无形中降低了火箭在可重复使用中的成本。

  鉴于液氧甲烷推进剂以上种种的优点,美俄等主要航天强国都不同程度地开发过该类型的发动机。目前,国际上当属美国对液氧甲烷组合最为积极,SpaceX 在告别梅林之后将彻底投向“猛禽”甲烷的怀抱,蓝色起源的 250 吨级 BE-4 液氧甲烷发动机更是肩负起了新格伦、宇宙神 5 和火神等一众明日之子的动力来源。

  图丨BE-4与“猛禽”两款发动机

  在欧洲,以法国斯奈克玛公司为主研制的 200 吨级“伏尔加”(Volga)液氧甲烷发动机,计划用于欧空局未来运载火箭准备项目(FLPP)。即便是一向对煤油情有独钟的俄罗斯也开始触及甲烷机的研发,试图通过 RD-0164 和甲烷版 RD-180 来将自家的联盟 5 火箭打造成俄版的“猎鹰 9 号”。

  在液氧甲烷发动机的后续研发之中,出于重复使用对动力装置的高技术要求,未来发动机在工作寿命、维护方便性、新材料新工艺和推力调节等方面依旧有值得进一步提升的地方。

  值得关注的“火炬式电点火”

  正如前文所述,为适应发动机多次重复使用的要求,发动机推进剂的选择至关重要,而除此之外,最需要斟酌的一点就是火箭发动机点火系统的选择。

  近年来,全球范围内多种新型的发动机点火方式不断涌现,如气动谐振点火、爆震波点火、催化点火、激光等离体点火等。平心而论,新型点火方式固然有其简单、可靠等可取之处,但同时也对推进剂类型的选择要求比较苛刻。

  当前主流的发动机点火器包括火药点火器、火炬式电点火器两类。火药点火器利用电爆管点燃低速燃烧的固体装药来对主推力室点火。

  九州云箭火炬式电点火系统测试

  而火炬式电点火系统由激励器、火花塞、点火室及点火阀门组成,通过电火花塞点火系统点燃点火室内小流量的点火推进剂,以产生稳定的燃气流点燃燃烧室的推进剂。值得一提的是,在 7 月 14 日这次发动机副系统试验之前不久,九州云箭自主研发的甲烷/氧火炬式电点火系统已成功完成了数十次热点火测试。

  与以往火药点火器的传统点火方式相比,火炬电点火方式具有适应发动机多次(通常可达几十次)起动的技术优势,是研制可重复使用运载火箭必须掌握的关键技术之一,代表了火箭发动机点火领域技术发展趋势,如欧洲新一代运载火箭阿里安 6 VINCI 发动机、著名商业航天公司 SpaceX 正在研制的“猛禽”液氧甲烷发动机以及 Blue Origin 公司的 BE-4 液氧甲烷发动机均采用了火炬式电点火系统。

  虽然火炬式电点火代表未来的主要方向,但如点火室压力、推进剂混合比和冷却方式等要素依旧会在不同程度上影响着整个点火系统的可靠性。

  以推进剂混合比为例,其直接决定了点火温度的高低,混合比太低或太高都会导致很难点燃,因此一般性的选择会是更易点燃以及维持燃烧的富氧高混合比状态。而点火室压力影响的则是整个点火系统的结构质量,点火室压力越高,则相应的整个点火系统压力就越高,结构质量可能也越大。

  九州云箭通过火炬式电点火试验,获得了点火系统在不同条件下的点火特性,考核了点火系统工作时序和工作可靠性,摸清点火系统的稳定工作边界,表明该公司已经掌握了液体火箭发动机的先进点火技术,对实现发动机的多次起动具有重大意义,为重复使用运载火箭的研制奠定了坚实的基础。

  小火箭浪潮中如何胜出?

  时下商业航天火热,私营火箭研发是其中最为亮眼的一块业务领域,无论是美中欧日等传统航天强国,还是新加坡、巴西、澳大利亚、新西兰等后起之秀,都涌现出了可圈可点的小型商业火箭创业公司。九州云箭也希望未来几年在自有液氧甲烷发动机的基础上打造中小型商业运载火箭,承接国际化的发射业务。

  那么,如何能够在几十上百种火箭中胜出?以赢得微小卫星发射的市场就成了考验各家公司方案选择和技术思路的重要指标。DT 君就来分析一下领军者是如何做的。

  一、既有技术和产品的商业化。由于探讨的是小型运载火箭范畴,所以固体火箭就势必是不可或缺的一个角色,尤其是在满足快速发射、高频率发射和专项发射等任务时,其更具有天然的优势。

  以诺斯罗普·格鲁曼前不久收购的轨道 ATK 公司、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)和欧空局(ESA)为例,它们都具有成熟的固体导弹或火箭的技术储备。

  欧空局从 2003 年开始研制“织女星”(Vega)运载火箭,属于小型单体三级固体燃料火箭,它的 P80 固体发动机由阿里安 5 号的固体助推器改进而来;日本的“Epsilon”运载火箭同样大量使用了 JAXA 现有的成熟部件和技术,其火箭一子级采用的是 H-2A 火箭的固体助推器,二、三子级则由退役的 M5 火箭改进而来。

  图丨日本的“Epsilon”小火箭

  至于轨道 ATK 公司知名的 Minotaur、Pegasus 乃至后续的 OmegA 火箭以及中国的快舟系列更是固体火箭中的佼佼者。

  依靠这些技术和设备针对商业市场研发新型运载火箭将可以保障产品可靠性,同时减少研发制造成本和时间。

  二、通用化、模块化设计。包括发动机在内的火箭部件的通用化、模块化设计不仅可以提高产品的可靠性和生产效率,在成本控制和后续迭代上也有极大的优势。

  虽然 SpaceX 的“猎鹰 9 号”已经跻身大中型火箭之列,但其很好地通用化设计思路对后来的小火箭创业公司依然具有很好的启发意义。以 Rocket Lab 的“电子”(Electron)火箭为例,火箭一、二级共用同款“Rutherford”液氧煤油发动机的不同版本,其中一级采用的 9 台“Rutherford”发动机完全相同,二级采用真空型、大扩张比喷管版本,难怪外界称其为“低配版”SpaceX。

  图丨Rocket Lab “电子”(Electron)火箭尾端

  除了动力系统之外,“电子”火箭各级电气系统也得以极大地压缩,全重仅为 8.6 公斤。同时,模块化的硬件结构增强了适应性,FPGA 和实时传输系统技术的引入使软件层面的改写就可以完成不同的功能定制,减少硬件的种类和生产制造周期。

  另外,如 Firefly 公司火箭的一、二级发动机同款燃烧室设计,“织女星”火箭通用“阿里安”火箭飞控系统和安全防护系统,Minotaur 火箭通用航电设备等思路也属于殊途同归。

  三、新技术的创新依旧是王道。随着计算设备的小型化发展趋势,箭上控制系统也出现了小型化、智能化、分布化的一个发展方向。比如“电子”火箭基于通用硬件的分布式计算架构满足了计算模块的各级分布。

  九州云箭也在这一方面拥有自己的创新,他们开发的发动机控制系统就是将传统的单一火箭控制系统进行分离,靠单独的控制器给发动机发布指令,相当于是为火箭发动机装上了一个“大脑”。

  而 JAXA 的“Epsilon”火箭的创新则侧重在了自主检测系统和发射控制系统。发射前,箭上计算机可以对全箭各系统的状态进行自主监控、故障诊断、故障隔离及恢复;发射过程中,通过互联网即可以实现控制操作,简单如打电子游戏,极大地简化了流程、缩减了成本。

  图丨Rocket Lab 创始人 Peter Beck 手持 Rutherford 发动机

  在动力方面,不得不说“电子”火箭的“Rutherford”发动机依旧是创新典范,虽然其仍然使用液氧煤油的推进剂组合,但火箭发动机的推进剂泵取消了燃气发生器、涡轮及大量管路阀门,增加了电池组、逆变器和电动机,利用无刷直流电机驱动。与传统的燃气发生器驱动涡轮相比,电动机的功率较低、效率较高,虽然这限制了火箭承担更大的运载载荷,但 90% 以上的利用效率减少了携带燃料的质量,未来随着新型电池的能量密度更高,火箭的运载能力也将会有进一步提升。

  而为了达到减重结构的目的,新型复合材料的运用已成必由之路。“电子”火箭整流罩采用碳纤维复合材料,全重只有 30 公斤,未来液氧贮箱也有希望用上碳复合材料。“织女星”火箭的一级发动机壳体也采用 IM7 碳纤维材料,和美军顶尖的 F-22 战机所使用的类型相同。

  另外,3D 打印为火箭带来的在整体结构和生产制造上的改变也是有目共睹。Relativity Space 公司使用 3D 打印技术制造火箭发动机和助推器,有希望将运载火箭的零件数量从 10 万个降低到 1000 个以下。Rocket Lab 的“Rutherford”发动机是世界上首个所有主要部件采用 3D 打印的液氧煤油发动机,一台发动机的再生冷却燃烧室、喷注器、泵和主推进剂阀门等最快可在 24 小时内完成打印,便于发动机低成本、快速和批量制造。

  图丨Relativity Space 的 3D 打印机

  技术的创新有利于愿景的实现,而需求的产生反过来推动对技术的探索。随着人类进入太空的想法越来越强烈,如九州云箭这样的中国民营火箭公司能否在世界商业航天舞台上占据一席之地,我们拭目以待。

  -End-

  

责任编辑:环球小编
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