041815(话题续)
燃气发生器循环(gas-generator cycle/GGC)
与分级燃烧循环一样,一部分燃料和氧化剂在预燃室,又称燃气发生器(gas-generator)中燃烧,产生的高温燃气驱动涡轮泵。但不同之处在于,这少量的燃气通过一个排气口排出,而不回收利用。其劣势是很显然的,部分排出的燃气导致了推进剂和能量的浪费,降低了效率和比冲。
但是,相较于分级燃烧循环,燃气发生器发动机结构简单,涡轮泵寿命长可靠性好。在分级燃烧循环中,燃气重新注入燃烧室的过程会产生一个负压,降低了涡轮泵的效率,难以提供更高的推力,因此史上推力最高的单燃烧室-单喷嘴液体火箭发动机是使用燃气发生器循环的洛克达因F-1型发动机。GGC发动机大部分都是富油燃烧,避免了ORSCC发动机的苛刻工作条件。
西方火箭科学家认为,GGC发动机结构简单,成本低廉,可靠性高的优点弥补了效率的损失。但是在90年代,其效率低下的缺点被认为提升空间太小,美国洛克希德公司在“擎天神”系列火箭上放弃了继续改进其沿用了40年的MA系列GGC发动机,并从“擎天神三号”开始装备从俄罗斯引进的RD-180发动机。但也有从分级燃烧循环退化为燃气发生器循环的例子,比如基于航天飞机RS-25发动机设计的RS-68,这种发动机尽管比冲有很大损失,但是其推力提升了超过50%以上,而成本下降了50%以上,用于波音公司的“德尔塔四号”系列火箭。
在前苏联,成功发射“史泼尼克号”人造卫星的R-7洲际弹道导弹使用的也是RD-107/108 GGC发动机,R-7系列衍生出的火箭一直服役至今日,仍用于发射俄罗斯的“联盟号”载人飞船和“进步号”货运飞船,是迄今为止发射次数最多、生产量最大的运载火箭家族,GGC发动机的可靠性也得以证明。
GGC发动机发展的极致便是太空探索科技公司(SpaceX)的“默林”型发动机(Merlin,与二战著名英国航空发动机劳斯莱斯“灰背隼”同名),这种煤油-液氧发动机生产成本极低,可靠性出色(150台已飞行发动机中仅失效1台),比冲在煤油-液氧GGC发动机中是最高的,其中用于上级火箭的“默林真空”型比冲高达342s。但其最重要的性能指标还是其超过150的推重比,在液体火箭发动机中是最高的,而且“默林-1D”型目前仅运行在85%设定下,未来的完全体型号推重比有望超过史无前例的170。尽管在未来SpaceX计划转用全流量分级燃烧循环的“猛禽”型发动机,但“默林”型仍将在相当长时间内担任其“猎鹰九号”和“猎鹰重型”运载火箭的主力发动机。
使用分级燃烧循环的(知名)火箭发动机有(名称/国家/推进剂/推力/比冲/应用)
洛克达因F-1 美国 煤油-液氧 6770-7740kN 265-304s 土星五号
H-1/RS-27A 美国 煤油-液氧 890-1054kN 255-302s 土星一号/德尔塔2000-7000系列
J-2 美国 液氢-液氧 486-1033kN 200-421s 土星一号B型/土星五号
RS-68 美国 液氢-液氧 3140-3560kN 360-414s 德尔塔9000系列(又称德尔塔四号)
LR-87 美国 A-50-四氧化二氮 1913-2194kN 259-297s 泰坦系列
RD-107/108 前苏联/俄罗斯 煤油-液氧 839-1020kN 263-320s R-7家族
火神 法国/欧盟 液氢-液氧 773-1015kN 326-431s 阿里安五号
YF-25 中国 偏二甲肼-四氧化二氮 732-831kN 260-295s 长征二号/长征三号
默林-1D 美国 煤油-液氧 650-720kN (85%出力) 282-311s 猎鹰九号1.1/猎鹰重型