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高不成低不就,液氧甲烷火箭發動機為何如此不受航天大國待見
送交者: 力挽狂瀾 2021年03月01日18:33:06 於 [軍事天地] 發送悄悄話

高不成低不就,液氧甲烷火箭發動機為何如此不受航天大國待見

液氧甲烷發動機為何不受歡迎?

2019年5月17日,我國首台80噸級液氧甲烷火箭發動機"天鵲&quotTQ-12在浙江湖州的藍箭航天發動機熱態實驗中心完成20秒短程試車,試驗取得了圓滿成功。

"天鵲"發動機由民營航天企業藍箭航天自主研發,其地面型發動機海平面推力達到了67噸,真空推力76噸,真空型的發動機真空推力則達到了80噸。它是世界上第三款大推力液氧甲烷發動機,也超過了YF77氫氧機,是目前我國推力最大的雙低溫液體火箭發動機,具有無毒無污染、高性能、高可靠性和低成本的特點,而且可以重複使用,代表了未來民用航天主動力系統的發展方向。

本次試車也是一周內的第四次,期最長試車時間為20秒,發動機狀態良好,啟動關機平穩迅速,各項參數都達到了設計要求。"天鵲"發動機研製成功也正式宣告了中國民營企業首次掌握百噸級液體火箭發動機的全部關鍵技術。

不過讓人感到疑惑的是目前在研的幾款液氧甲烷發動機基本上都屬於民營企業的產品,除了中國航天科技集團公司六院北京11所在2006年研發過一款60噸級的液氧甲烷發動機之外,剩下的就是像美國SpaceX和藍色起源和國內的藍箭這樣的民營企業在搞,這其中究竟有什麼不為人知的原因呢?

說起來液氧甲烷發動機和氫氧發動機一樣都屬於雙低溫液體火箭發動機,其真空比沖理論上可以達到390.3秒,比470秒的氫氧機低,但比最大理論比沖只有377.5秒的液氧煤油發動機要高。而且液氧甲烷發動機的整體技術難度要遠遠低於氫氧機,而且可以反覆使用,甲烷燃料也具有製取簡單、價格便宜、還不會結焦的優勢,燃料成本比煤油還要低,這也是很多追求性價比,對發射成本十分敏感的民營企業研製這款發動機的動力。

其實當年我國的國家隊也曾經對它抱着不小的期望,甚至還研製出來60噸推力的樣機,其各項技術參數都不錯,甚至可以說是領先於世界了,但後來就沒有下文了,原因就是其本身的優勢不明顯,甚至還有一些弊端。

這些弊端當中最明顯的就是甲烷燃料雖然價格便宜,而且製取很方便,但其屬於低溫燃料,其儲存溫度達到了-161.5℃,而且需要加壓,這就造成了燃料儲罐的結構重量大的缺點,而且還需要包裹保溫絕熱材料,又大大增加了它的體積,這一點它就比不上煤油這樣的常溫推進劑。

除此之外甲烷燃料的密度也比煤油低得多,因此也變相的增加了燃料儲罐的尺寸和結構重量,再加上低溫燃料對儲罐材料的苛刻要求,也提高了火箭的發射成本。如此一來,本來在比衝上還有優勢的液氧甲烷發動機一下子就被這些缺點抵消殆盡,反而比煤油機還沒優勢了。

甲烷燃料最大的優勢就剩下一個低成本了,不過相對於火箭箭體、記載設備和發動機的製造成本,作為燃料的甲烷可以省下來的成本並不多,大概也就不到2%,如此微小的優勢在花錢如流水的航天領域幾乎可以忽略不計。

也許有人會說氫氧機更費錢為何還那麼多人在賣力的研發改良。小編想說液氫燃料固然價格昂貴,製取工藝複雜,而且蒸發量大,但它也有很多得天獨厚的優勢,一是它的比沖比液氧甲烷及液氧煤油都要高得多,尤其是在真空狀態下更是勝出一大截,這一點特別難能可貴。第二就是液氫燃料雖然也存在儲存密度低,保溫絕熱層占據大量箭體空間的弊端,但其有一個優勢確實甲烷沒有的,那就是它密度比空氣輕得多,攜帶再多也不重,這就抵消了一大堆火箭的結構重量。以上兩點就是氫氧機受歡迎的主要原因。

很多人說的液氧甲烷發動機適合用在星際空間航行,因為在很多星球上都存在甲烷,可以隨時抽取,用來補充火箭的燃料箱。聽到這話小編差點沒笑出聲,這些人真的是想多了,甲烷在太陽系的很多星球都有發現這一點沒有錯,包括土衛六、天王星、海王星等等都儲量豐富,但你真想取得這些甲烷可不容易,別說你能不能登上這些星球,即使是能夠登陸,並且成功獲得了甲烷也沒什麼用,氧化劑要到哪裡去找?就目前來看,除了地球,在外星球上幾乎是找不到氧氣這玩意兒的。沒有氧化劑,你火箭上就是有再多的燃料也沒屁用。就目前人類的探索發現來看,星際航行依靠化學燃料基本上沒什麼前途,也走不了多遠。

從以上的分析可以得出結論,液氧甲烷發動機和傳統的氫氧發動機以及液氧煤油發動機比起來並沒有什麼突出的優勢,反而高不成低不就的,因此還不足以引起幾大航天強國的關注。


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