本文首发于“宇航探索局”微信公众平台，转载请注明出处3月25日“蓝箭航天”80吨液氧甲烷发动机半系统试车成功，就在一个月前，SpaceX的另一款液氧甲烷发动机也试车成功，并以超大燃烧室压力和比冲惊爆航天圈。马斯克甚至叫板“猛禽”燃烧室压力比肩RD-180。液氧甲烷时代来临了吗？“猛禽”的全流量分级循环技术是什么？

本期为您揭秘。

继重型猎鹰之后，马斯克再次放大招。这是今年2月Space X进行新型“猛禽”发动机的试车视频，为此马斯克还破天荒地在推特上秀了一把：

老马将SpaceX最新的“猛禽”发动机与俄罗斯的RD-180进行了比较，“猛禽”发动机燃烧室压力达到26.9Mpa，超越了俄罗斯的RD180

尽管燃烧室压力参数本身不是发动机的输出特性（如推力和比冲），但是新“猛禽”还是展现出了令人尊敬的一面。

您可能要问了，梅林发动机怎么了？为什么要“猛禽”发动机？

梅林的先天性心脏病

2006年，“梅林-1A”被安装在“猎鹰1”火箭上首次投入使用。至今，“梅林”已经服役了13年之久，13年间SpaceX不断对“梅林”升级改进，衍生了“梅林-1B”、“梅林-1C”、“梅林-1C真空版”、“梅林-1D”、“梅林-1D真空版”等多个型号。现在，“梅林-1D”发动机及其真空版，已作为”猎鹰9”火箭的主发动机，成功地执行了数十次发射任务，并还作为重型猎鹰火箭的发动机被继续使用。可以说非常成熟。

然而“猎鹰”火箭特有的“梅林”发动机捆绑模式却一直以来为人诟病，这个要从“梅林”研发时说起。我们在《看了马斯克，我才知道，我不仅没有童年，还虚度了青春》和《SpaceX的艰难起步，马斯克的人生低谷》介绍过，马斯克搞航天是白手起家，在2001年他还找鹅毛买现成导弹，结果碰了一鼻子灰。吃了闭门羹的马斯克回到美国决定自己单干，搞出了“猎鹰1”。由于对“猎鹰1”抱有深深的“不信任”，范登堡空军发射基地还把马斯克挤兑到了太平洋的夸贾林环礁上发射。结果“猎鹰1”炸了。当时的猎鹰火箭一级安装的就是“梅林”发动机。升级“梅林”发动机后，“猎鹰1”达到了300公里高度。进展神速的背后是对现实巨大的妥协。

当时SpaceX极力想存活下来，要存活下来就要拿到发射订单，要拿到订单最起码得发射成功一次吧，要发射成功最基本也要有火箭吧？！SpaceX想尽办法生产技术简单，性能可靠，造价便宜，研制周期短的发动机。这就使早期梅林有着先天性心脏病。影响发动机性能的主要集中在动力循环选择，推进剂选择，喷注器结构形式，冷却性能（冷却能力、结焦、积碳）。

上述特性尤以动力循环方式最为重要。为了降低研发门槛，尽快造出发动机，梅林采用了经典的燃气发生器循环方式，又叫开式循环。

古董越经典越好，可技术要是越经典，那就……

（浅谈）液体火箭发动机分类及工作原理

初中物理课本讲过汽油/柴油发动机工作原理，喷油嘴喷出燃油和进气阀吸入的空气充分混合，雾化后的燃油经过火花塞点火/加压燃烧。火箭也是一样，只不过火箭发动机燃料消耗速率太快，以空气为氧化剂根本难以满足，火箭飞入太空更是没有空气来源。这就需要火箭自身携带推进剂。

火箭燃烧速度实在是太快了，在发射的几分钟内所要燃烧的几百吨燃料，这怎么办呢？这就需要把燃料挤压到燃烧室。根据挤压方式的不同产生了两类火箭发动机：挤压式液体火箭发动机和泵压式液体火箭发动机。

挤压式液体火箭发动机

挤压式液体火箭发动机用高压气体直接对罐体燃料了进行加压，算是最简单的循环方式。可是当燃烧室的压力较大时，对罐体加压的压力也会更大，这就会导致储箱箱体的结构方面的问题，所以挤压式循环方式只适用于小型火箭

泵压式液体火箭发动机

更多的火箭发动机会采用涡轮泵加压后再输入燃烧室，早期的涡轮泵多采用附加别的物质驱动涡轮泵，比如V-2导弹其工作原理就是过氧化氢在催化剂下分解成水和氧气，驱动涡轮泵旋转，然后再带动燃气泵和氧化剂泵对燃料和氧化剂进行加压输入燃烧室中。上图为V-2导弹结构图，下图为涡轮泵。

涡轮增压的原理其实很简单，跑车和方程式赛车上往往都采用涡轮增压，基本原理就是让燃料燃烧后的废气（红色部分）引入涡轮，带动涡轮做功。涡轮驱动涡轮泵将燃料和空气加速送往气缸。

V-2导弹的循环方式尽管简陋，却是现代火箭循环方式的雏形。现代主流火箭大都取消了附加启动涡轮泵，转而直接用燃料和氧化剂对涡轮泵做功，并因此产生了当今世界液体火箭三大循环方式：膨胀循环，燃气发生器循环和高压补燃循环。

膨胀循环液体火箭发动机

在膨胀循环技术中，燃烧注入燃烧室前会先流过主燃烧室和喷管内外壁间的冷却套，带走燃气传给室壁的热量，同时被主燃烧室和喷管高温加热相变成气态。气态燃料产生的气压差推动涡轮泵转动，从而使推进剂高速进入推力室燃烧产生推力。 燃料流经冷却套给喷管降温的方式有一个高大上的名字—再生冷却，而依靠气态燃料驱动涡轮泵旋转从而带动燃气泵和氧化剂泵的技术就是膨胀循环。上图是传统的膨胀循环方式，也叫闭式膨胀循环

再生冷却：液体火箭发动机工作过程中，喷管需要承受燃气剧烈的高温加热，每平方米感受到的热量接近于太阳表面。人类目前掌握的最好耐高温金属材料也无法承受如此巨大的热流。因此，工程师们将喷管的结构做成夹层，让推进剂在进入燃烧室前，先在夹层里高速流动，带走热量，从而保证喷管不被烧毁。在目前的工程应用中，典型的有管束式（上图土星5火箭F1发动机），铣槽式（下图SSME）。

有闭式膨胀循环就有开式膨胀循环，这种方式只抽取了部分燃料蒸汽驱驱动涡轮，且直接排放入外界环境。这样做的目的是提高涡轮压比，从而提高做功能力。尽管由于部分燃料外排，降低了推进剂的使用效率，但这种方式却可有获得较闭式膨胀循环更高的燃烧室压力。开式膨胀循环是闭式膨胀循环的衍生系统。

一般而言膨胀循环发动机的燃料均在燃烧室以相对优化的混合比完成燃烧，没有外排，因而性能比较高，又由于涡轮在较低的温度下工作，因此发动机结构简单可靠重量轻。可靠成熟的发动机甚至可以实现多次启动，这是固体火箭发动机无法比拟的优势。

但是膨胀循环受制于涡轮泵的功率和热力学特性尚存在一系列问题：首先膨胀循环发动机涡轮泵依赖燃料蒸汽推动涡轮做功，这就需要采用 沸点相对较低容易蒸发的燃料，比如液氢、甲烷。

其次驱动涡轮的能源源自燃烧室内的热量，而该热量也是有限的，所以这也实际反过来也限制了该种循环模式所能提供的最大能力。因而膨胀循环的发动机比较适合于小型或者中型发动机，截至目前鲜见大推力的型号，多应用在运载火箭的上面级。

我国的长五火箭芯二级YF-75D发动机采用的是闭式膨胀循环技术，日本H-1，H-2火箭上面级的LE-5A/B采用的是开式膨胀循环技术。日本的氢氧火箭发动机领域既有分级燃烧循环也有 开式膨胀循环，推力大比冲高，处于世界领先地位（技术源于美国“德尔塔”火箭）。

大推力火箭发动机门槛

膨胀循环发动机涡轮泵功率受到限制，如何安全地提高涡轮泵的输出功率，是中小推力火箭发动机与大推力火箭发动机之间的技术门槛。

工程师想到了一个大家都会想到的一个办法，那就在主燃烧室外再加一个小发动机，产生燃气，用于驱动涡轮泵。这个小发动机就是预燃室，通过输入少量氧化剂和少量或全部燃料在预燃室中先被点燃，产生燃气驱动涡轮泵。

于是在这种加入了预燃室的情况下，划分了两个世界目前主流大推力火箭发动机的循环方式——高压补燃循环和燃气发生器循环。

燃气发生器循环

燃气发生器循环发动机（左）和膨胀循环发动机（右）循环示意图，两者的相同点都在于采用再生冷却技术，通过涡轮泵将燃料挤压进火箭发动机喷管冷却套中给喷管降温。不同点在于膨胀循环中流出冷却套的燃料直接驱动涡轮泵做功，而燃气发生器循环发动机流出冷却套的燃料要和一部分氧化剂在预燃室混合燃烧驱动涡轮泵做功。

燃气发生器循环发动机循环示意图，引入了部分氧化剂和燃料在预燃室中燃烧驱动涡轮泵做功，这就使得燃气发生器循环发动机涡轮进气道温度奇高，甚至能突破涡轮泵材料承受极限，熔掉涡轮泵。这就需要控制引入预燃室的氧化剂和燃料比，图中control valves（控制阀）作用就在此。预燃室中燃气被直接排掉，浪费掉了一部分能量。

采用燃气发生器循环的RS-68发动机装备在德尔塔火箭上，支撑起当今世界最大的重型火箭。不少人用它来对比航天飞机主发动机SSME，然而二者根本不在一个起跑线上，SSME采用更高级（更复杂，更烧钱的另一种说法）的分级燃烧技术。RS-68是燃气发生器循环氢氧发动机的典型作品，设计之初就本着省钱，简单，可靠，它的造价只有SSME的四分之一，比冲却达到了后者的90%。采用燃气发生器循环技术的至少需要一个废气管，上面这张图不是很清晰，我们看下面德尔塔重型火箭发射照片，您就很容易看清

法国人的Vulcain 发动机也采用开式燃气发生器循环技术，有两根废气管，Vulcain 发动机用于阿里亚娜-5火箭，也是数一数二的重型火箭

梅林发动机试车时，右侧废气管不停地排放黑色的废气，这就是预燃室推动完涡轮泵做功后的剩余废气，黑色废气表明预燃室中煤油过量燃烧不完全（和摩托车汽车冒黑烟一个道理），黑烟是煤油不完全燃烧生成的碳，这样的预燃室叫富燃预燃室。与之对应的就是富氧预燃室，氧化剂（往往是液氧啦）过量，排出气体中氧过量。

SpaceX之所以要开发“猛禽”发动机，原因之一就是“梅林”系列发动机采用的是燃气发生器循环方式，一直以来“梅林”为人诟病并被称为屌丝发动机。尽管“梅林”一直在改造，相继衍生出了梅林-1B、1C、1C真空版、1D、1D真空版等多个型号，俨然成为一个庞大家族。但是只要循环方式不变它就依然叫“梅林”。

这些年“梅林”一直在不停地改进，依据维基百科和SpaceX官网数据整理了一张表格（实在没办法，百度数据参差不起，差距太大了），这是一个让所有人大跌眼镜的表格。从“梅林1C”到“梅林1D”，在比冲起伏不大的情况下推力整整翻了一番。借用网上的一句话：“这发动机改的连他亲妈都不认识了，最初的梅林1A至今，除了三围尺寸，循环方式没有变，一切都堪称沧海桑田”。

然而这还不够，SpaceX要去火星，还需要推力更大的发动机，估计“梅林1D”已经升级到了极限，因此SpaceX着手开发技术更高的“猛禽”，它采用的是比燃气发生器循环更“高级”的分级燃烧循环技术。

What？你不是应该说高压补燃循环了吗？

高压补燃循环&分级燃烧循环

燃气发生器循环发动机将推动涡轮泵做功的燃气直接排除，这样浪费掉了一部分推进剂和能量，效率不高，而分级燃烧循环将外排的废气管导入主燃烧室，这样加压后的富燃燃气再直接输入燃烧室中和氧化剂以最佳混合比燃烧。

分级燃烧循环没有任何的燃料在没有做功的情况下被直接排出，于是燃烧室的室压比燃气发生器循环更高，而且随着燃烧室的室压的升高，分级燃烧循环的性能将会继续升高。因此分级燃烧循环也叫高压补燃循环。

反观燃气发生器循环方式，发动机性能会随着燃烧室室压持续升高而提高得越来越缓慢，直到某一个临界值，燃气发生器循环的性能不再提高反而下降。所以高压补燃循环能使运载火箭的的性能得到提升，因而世界上最先进的循环方式也正是高压补燃循环。

燃气发生器循环发动机将推动涡轮泵做功的燃气直接排除，这样浪费掉了一部分推进剂和能量，效率不高，而分级燃烧循环将外排的废气管导入主燃烧室，这样加压后的富燃燃气再直接输入燃烧室中和氧化剂以最佳混合比燃烧。

分级燃烧循环没有任何的燃料在没有做功的情况下被直接排出，于是燃烧室的室压比燃气发生器循环更高，而且随着燃烧室的室压的升高，分级燃烧循环的性能将会继续升高。因此分级燃烧循环也叫高压补燃循环。

反观燃气发生器循环方式，发动机性能会随着燃烧室室压持续升高而提高得越来越缓慢，直到某一个临界值，燃气发生器循环的性能不再提高反而下降。所以高压补燃循环能使运载火箭的的性能得到提升，因而世界上最先进的循环方式也正是高压补燃循环。

分级燃烧的提出者，前苏联火箭发动机工程师阿列克谢 · 米哈洛维奇 · 伊萨耶夫（Aleksei Mihailovich Isaev），下图为伊萨耶夫故居

分级燃烧还是老毛子玩的最6，其RD-180，RD-170成为了俄罗斯“能源”号火箭，“天顶”系列火箭，“联盟2”火箭，“安加拉”火箭，美国“宇宙神5”火箭，韩国“罗老”号火箭主发动机。我国曾在1990年苏联解体前夕引进了鹅毛吃剩下的RD-120，经过20多年的逆向仿制研制成YF-100，这就是长五、长六、长七火箭一级发动机。

世界主要火箭发动机参数表，分级燃烧领域鹅毛玩的最666，RD-170和RD-180变态的推力和燃烧室压力，让后续发动机望尘莫及。美国人都不会，于是注意力就转移到分级燃烧氢氧发动机和固体助推器上，最为典型的就是SRB（美航天飞机详解之固体助推器）和SSME。但是SRB和SSME造价太高太高了。这也是美国宁愿用鹅毛的RD-180也不愿尝试自己的SSME，毕竟能花1000万美元（单台RD-180）做的事情何必花8000万美元（SSME单台造价）呢？

采用液氧煤油为燃料的高压补燃发动机有RD-170，RD-180，以推力大，燃烧室压力高，比冲高著称。采用氢氧燃料的高压补燃发动机以SSME为典型，以比冲高，无结焦无积碳，燃烧稳定性好著称。

采用高压补燃循环技术的“猛禽”发动机表现如何呢？

“猛禽”现阶段测试推力是“梅林1D”的四倍了（相当于翻了两番），这，仅，仅，还，是，测，试，阶，段！还没定型！！投入使用后，“猛禽”将成为世界上推力第四大的现役液体火箭发动机，仅次于RD-170，RD-180和RS-68A

高压补燃——想说爱你可真难

好东西是大家都喜闻乐见的，航天飞机退役后，采用高压补燃发动机技术似乎只有鹅毛家的RD-170/1，RD-180家族了。就连美国最大的火箭发射联合体ULA都为之鼓掌：

2015年发射联盟的广告，“宇宙神5”火箭超过80次的连续不间断成功发射，宣誓着RD-180不可动摇的地位，这一成绩还在不断累积。让各国眼红不已。更让美国参议院在投票制裁俄罗斯时心虚不已。

在《SpaceX崛起背后的NASA与ULA》中我们提到，美国的军事载荷发射严重依赖发射联盟（ULA）的“宇宙神”火箭，而宇宙神火箭偏偏以鹅毛的RD-180为主发动机，这就使得美国人在和鹅毛相互摩擦时有所忌惮。

这是一颗隶属于美国空军的SBIRS GEO卫星，编号Flight-4，是该系列的第四颗卫星，它正在洛克希德马丁公司位于加利福尼亚州桑尼维尔的卫星制造工厂完成最后的封装，封装后的卫星被整流罩紧紧包裹并被送到ULA旗下“宇宙神-5”火箭半人马座上面级上。Flight-4是一颗天基红外导弹预警卫星，该卫星将实现更快的数据收集时间、改进的威胁探测、改进的目标跟踪和红外信息，使美军能够更快地观测到信号微弱的（dimmer）目标。进入轨道后，最新的SBIRS系统将完成基线星座的组建，为美军提供全球导弹预警、战场空间感知及其他情报数据。

上面这颗天基红外导弹预警卫星只是美国近些年发射的诸多机密载荷中普通的一个。“猎鹰9”搞丢了“祖玛”后，X-37B几乎就以“宇宙神5”为坐骑了（《SpaceX发射X-37b背后那些事儿》）。

其实鹅毛也很纠结，一边眼看着自己的火箭发动机被用来发射监视自己的军事卫星，另一边是白花花的银子。

然而，对美帝而言造出RD-180级别的产品更是难上加难。这里还存在另一个技术门槛，一个围绕在液氧没有发动机的噩梦。

高压补燃的续篇——富燃燃烧和富氧燃烧

高压补燃循环是有两次燃烧过程，先在预燃室（也叫做燃气发生器）预先燃烧一次，产生高温高压燃气，此次燃烧中推进剂混合比（氧化剂比还原剂的比值）严重偏离完全燃烧的比值，所以燃气中含有相当多的未反应气体。这种未反应的气体如果是燃料，那么就是富燃燃烧，生成的燃气是富燃燃气（右图）；这种未反应的气体如果是氧化剂，那么就是富氧燃烧，生成的燃气是富氧燃气（左图）。

RD-170采用的就是富燃分级燃烧循环方式，由其衍生出了一个显赫的大家族

发动机点火后剧烈震动，很难避免富氧燃气泄露到燃料泵里面，然后富氧燃气与燃料发生燃烧、爆炸；或者富燃燃气泄露到氧气泵里面，然后富燃燃气与氧气发生燃烧、爆炸。由此引发的失败不胜枚举，为了避免泄露，只能加强密封材料、密封工艺的要求。这就使得发动机越来越笨重。推重比降低。

富燃/富氧分级燃烧发动机的燃烧不稳定催生了当今世界最复杂的火箭发动机技术——全流量分级燃烧循环（Full-flow staged combustion cycle）技术。上图中涡轮泵附近那两个粉红色的部位，表示两个预燃室。燃料通过燃料泵的加压，先进入燃烧室和喷嘴上的管道，给燃烧室和喷嘴降温，然后在控制阀的分流下，分出了一大部分和一少部分两路，一大部分的燃料进入富燃预燃室，然后与一小部分的氧气燃烧，产生富燃燃气，推动涡轮进而带动燃料泵做功，然后进入燃烧室。一少部分的燃料进入富氧预燃室，然后与一大部分的液氧燃烧，产生富氧燃气，推动涡轮进而带动氧气泵做功，然后进入燃烧室。液氧通过氧气泵的加压，在控制阀的分流下，分出了一大部分和一少部分两路，然后与相应的燃料在相应的预燃室燃烧，最后进入主燃烧室。

全流量分级燃烧循环优势在于富燃燃气推动燃料泵的涡轮进而带动燃料泵的泵做功，富燃燃气的成分与燃料不反应，所以即便涡轮中的富燃燃气泄露到泵里面，也不会与泵里面的燃料发生燃烧、爆炸；富氧燃气推动氧气泵的涡轮进而带动氧气泵的泵做功，富氧燃气的成分与氧气不反应，所以即便涡轮中的富氧燃气泄露到泵里面，也不会与泵里面的氧气发生燃烧、爆炸。

你猜的没错，“猛禽”采用的就是全流量分级燃烧循环。在“猛禽”发动机的连续测试中，燃烧室压力突破了保持多年记录的RD-180，这是采用全流量分级燃烧技术的必然结果，更是人类技术进步的一个里程碑。

动力循环选择暂且讲到这里，下期我们将聊聊推进剂选择。欢迎关注。

以上就是从“梅林”到“猛禽”：“液氧甲烷”+“全流量分级循环”（上）的相关介绍，希望能对你有帮助，如果您还没有找到满意的解决方式，可以往下看看相关文章，有很多从“梅林”到“猛禽”：“液氧甲烷”+“全流量分级循环”（上）相关的拓展，希望能够找到您想要的答案。