DAOrayaki|为发动机降温——火箭发动机为何不会熔化

DAOrayaki|为发动机降温——火箭发动机为何不会熔化

DAOrayaki DAO研究奖金池:

资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer 1/0 通过

赏金总量:110 USDC

研究种类: Rocket

原文作者:  Claire Percival

贡献者:xinyang309@DAOrayaki

原文: Engine Cooling – Why Rocket Engines Don’t Melt

DAOrayaki 是一个去中心化的研究者组织和去中心化媒体,通过 DAO的形式去中心化地资助世界各地的研究者进行研究、翻译、分析等工作。DAOrayaki 由早期的 DAO 组织 DAOONE 核心成员发起,得到了Dora Factory基础设施的支持。欢迎通过文末方式提交与量子计算、星际移民、DAO相关的内容,瓜分10000USDC赏金池!欢迎加入DAOrayaki社区,了解去中心化自治组织(DAO),探讨最新话题!

引擎燃烧室内的高温气体可以达到约3500K,这已经是太阳表面温度的一半,可以轻松熔化大多数材料。这个温度是保证发动机正常工作所必须的,但为什么没有烧坏发动机呢?通过这篇文章,你会了解发动机冷却技术如何保护火箭的发动机不被熔化。

火箭发动机各部分温度和主燃烧室的温度对比示意图。(Credit: Everyday Astronaut)

1散热器

燃烧室的顶部是喷注器。这里,燃料和氧化剂以超高压被泵入,在腔体内混合后开始燃烧。只要泵送不中止,推进剂就会持续燃烧产生推力。问题是,金属做成的腔体,何以在高温气流冲刷下,没有熔化呢?

发动机喷注器表面渲染图。推进剂被混合后在燃烧室内燃烧并释放不可思议的热能。(Credit: Everyday Astronaut)

选项之一,把腔壁做得非常厚,这样高温气流无法完全穿透金属层,使之熔化。这里,腔壁起到散热器的作用,相当于大型的导热体,能在一段时间内对抗高温,直到整个金属导体达到熔点。使用特殊材料,比如铬镍铁合金或其他合金,可以满足这一要求,经受住高温考验。

然而,散热器有几大缺陷。其一是重量,当我们建造火箭时,限制重量是极其重要的,但是额外的厚重腔壁,将不可避免增加很多重量。其二,因为金属整体最终会到达熔点,所以发动机的工作时间有限。

只使用散热器的发动机渲染图。除了能承受燃烧高温的足够厚的壳体外,没有使用其他冷却手段。(Credit: Everyday Astronaut)

这就意味着,散热器方案不太适用于需要连续工作数分钟的主推进引擎。不过,这也许可以用在机动推进引擎上面。相比主推进引擎,机动推进引擎工作时间要远短得多,而且常常是脉动式的,每次启动前,都留有时间,使得发动机有机会冷却。

2燃料氧化剂比率

还有一个防止发动机熔化的选项是,使用富油或者富氧的组合来运行发动机——同样也能降低主排气口温度。我们使用燃料/氧化剂质量比值来表示。

如果有人想让推进剂充分燃烧殆尽,你需要按照它们的化学计量比来烧才行。化学计量比是指,所有的燃料和氧化剂充分反应燃烧,不留下任何残余。这意味着每个分子中的全部原子,都和其他原子充分反应、完全燃烧。这样做的结果是,你能最大化地释放出化学键中的热量。在一些情况下,完全燃烧很棒,但对火箭发动机来说,情况并非如此。

化学计量比下燃料和氧气质量比例的图表,产生的极高温度足以摧毁发动机。(Credit: Everyday Astronaut)

正常来说,火箭发动机的燃料氧化剂比率稍稍偏离化学计量比。发动机的主燃烧室倾向于运行在富油状态,这会带来更低的热负荷,以及更高的效率。

你也可以使用预燃室或燃气发生器的富油方法来冷却,这很重要,因为在涡轮转动的时候,冷却是很困难的。根据使用材料不同,涡轮能承受的热量不同,燃料氧化剂比率也要适当调整。涡轮可以设计成适应富油或者富氧燃烧,美国航天飞机的主发动机就是富油设计,苏联的NK-33发动机,则使用富氧闭环预燃室技术。

3烧蚀冷却

烧蚀冷却是最简单有效的冷却发动机的方式之一。这种方法下,使用的材料能被气化剥离,并带走热量。通常会使用熔点极高的碳复合材料。

这是大多数飞船隔热罩都会使用的方案。当一艘飞船返回大气层时,会产生极高的温度,隔热罩可以吸收、并通过气化带走这些热量,防止热量进一步穿透飞船。

碳复合层作为烧蚀层,起到隔离主燃烧室和金属腔壁的作用,同时吸收热量并升华。(Credit: Everyday Astronaut)

同样的原理也可以用于冷却火箭发动机。在燃烧室和喷管内壁也有一层碳复合材料。当推进剂燃烧时,碳材料层会缓慢剥离。该方法不需要移动部件,并且自动调节。这使之成为非常有效、可靠的发动机冷却方案。

但该方法也有自身的限制,最明显的就是,采用这种冷却方案的发动机无法重复利用。一旦腔壁烧蚀材料烧光,一些发动机甚至无法通过全测,更别说投入使用。这当中最著名的,要属阿波罗登月发动机了。因为直到它在月球上被点火、准备带宇航员回家之前,它都无法作为一个整体来提前测试一遍。

烧蚀冷却发动机,随着烧蚀层不断消失,颈部不断扩大,性能逐步降低。(Credit: Everyday Astronaut)

其他烧蚀冷却发动机的例子,包括SpaceX的第一个梅林发动机,梅林1A——用在猛禽1代前两次飞行中,以及联合太空联盟的德尔塔四代发动机,RS-68A。我们很容易看出RS-68A使用了烧蚀冷却,因为它使用的是氢氧燃料,所以正常来说,只会排出和航天飞机一样的透明水汽。然而,RS-68A排出的气体是亮橙色的,这是因为气化剥离的碳,不断和大气中的氧气作用而形成的。

有一种小型发动机,反应控制推进器,也使用了烧蚀腔壁,这种发动机的推进剂和自身寿命都很有限。这意味着工程师只需设计合适厚度的腔壁,帮助它完成使命即可。

4再生式冷却

再生式冷却是防止火箭发动机熔化的最常见的方法。这种方法通过让部分或全部的推进剂,在经喷注器喷射前,流经燃烧室壳体和喷管。虽然喷管和火箭发动机的壳体看着很薄,燃料可以流经并使其保持冷却。

再生式冷却发动机将推进剂泵入发动机壳体的细长管道,吸收通过主燃烧室和喷管金属内壁传导的热量。(Credit: Everyday Astronaut)

这种方法的发明是一个重大突破,因为它使得火箭发动机能在更大程度上重复利用。早先版本的再生冷却发动机,包括一个主腔室和一条环绕在发动机外面的管道,管道设计给冷却剂或燃料通过。之后的版本,很多直接把管道设计为燃烧室壳体。当中的一个例子是RL-10发动机,用的是传统的钎焊管结构。

如今更通用的做法是,在喷管壳体里切一个冷却槽,然后使用铜或镍的合金封住,作为内壁。铜和镍合金有高热传导系数,能把热量更好地传导给冷却剂。

降落中的SN8星舰,由于燃料不足,导致富氧燃烧(接近化学计量比),烧掉了发动机内壁的铜,产生绿色火焰。(Credit: Everyday Astronaut)

这个方法,意味着燃料在到达腔室前可能会沸腾。这个过程有时候可以用于带动涡轮泵,用膨胀循环的方式保持发动机泵机运行。这个循环,利用了燃料从液态变成气态的热膨胀产生的能量,使泵机旋转。

大多数发动机利用燃料作为冷却剂,但氧化剂也是一个可选项。将低温推进剂用于冷却,能使火箭在内部温度极高的情况下,外壁温度却极低。

再生式冷却的挑战之一是,管内的压强必须高于燃烧室的压强。这是因为,在这种设计之下,管道最终导向喷注器,而压力总是从高向低处流动,所以喷注器处的压强必须要高于燃烧室的压强。

当薄薄的腔壁被作用于超高压时,不难想象泄漏发生的可能。幸运的是,因为管内压强高于燃烧室,如果出现缝隙,就当是额外的气膜冷却了。

5气膜冷却

气膜冷却是接下来一个常用的发动机冷却方法。气膜冷却是指,在燃烧室和喷管表面、以及高温燃烧气体之间,喷射一层流体。该流体可以是气态或者液态,所以液态或气态的推进剂就可以充当。这么做的目的是在腔壁和高温燃烧气体之间,用温度低得多的流体建起一堵墙,起到隔热的作用。

气膜冷却的发动机,最外圈的喷注器喷出富油推进剂,在燃烧室和腔体之间,由于缺乏氧化剂没有燃烧的燃料成为隔离层。(Credit: Everyday Astronaut)

气膜冷却的最简单方式是,让最外圈的喷注器,喷射较高浓度的燃料或氧化剂。由于主流的燃烧室采用富油设计,通常使用燃料来充当这一角色。于是,外圈一层多出的燃料不会有充足的氧化剂与之反应,也就意味着,最外圈的这一层富油燃烧,可以将中间燃烧气体的高温抵挡在腔壁以外。

靠近腔壁的燃料,因氧化剂缺乏,大部分不参与反应,实际上沿着腔壁形成一层薄膜,隔绝了燃烧气体。然而,这层薄膜也可能因为相变从液态变为气态,形成蒸汽边界层,然后继续吸收热量,因为从液态到气态的相变过程,会不断吸热一定的热量。

再生式冷却发动机在像颈部这样的热点区域也采用了气膜冷却,将颈部的推进剂喷射出来以降低热负载。(Credit: Everyday Astronaut)

也有使用再生冷却,同时通过在管壁上钻孔,释放少量液体燃料形成气膜冷却的做法,通常用于热点区域,比如发动机的颈部。

使用燃料作为冷却剂的一个优势是,当我们使用基于RP-1的碳基燃料时,腔壁会附着一层焦化的碳层。在富油燃烧时,很多没充分燃烧的碳会形成烟灰。你在梅林发动机的燃气发生器产生的尾气就能看到。SpaceX在这个燃气发生器上使用了富油燃烧,以保证涡轮不因温度过高而熔化。结果就是,整个排气管都是黑不溜秋的。这层烟灰也会附着在燃烧室的内壁。当然,如果烟灰粘附在喷注器或者冷却孔,是不太妙,但是粘附在燃烧室内壁的烟灰可以充当额外的隔热层。

Firefly公司的CEO Tom Markusic脸上挂灰。这来自Reaver发动机内壁上作为隔离层的烟灰——也能帮助降低热负载。(Credit: Everyday Astronaut)

梅林发动机的燃气发生器产生的废气也可以用于气膜冷却一些喷管。这里说的是真空版的梅林发动机,因为海平面版梅林发动机,废气是直接排放的。真空版的梅林为了适应真空环境,涡轮机废气被泵入喷管扩展件。由于喷管过了颈部之后扩大,而排放的气体通过路程越长,温度逐渐冷却,压强随之变低。当废气被泵入时,它需要在喷管里通过足够长的距离,所以压强比燃烧室排放气体的压强更高,但同时涡轮机废气形成的气膜冷却也可以使喷管与高温隔离,因为过了颈部之后,再生式冷却通常不采用了。

除了真空板的梅林发动机,这种设计也出现在土星5号、F-1和J-2这些使用了涡轮机废气形成的气膜,来使得喷管下半部分冷却的发动机上。其中,J-2在涡轮排气歧管之下部分依然使用了再生式冷却,而F-1在涡轮排气歧管处就已经停用再生式冷却,因为气膜冷却对于防止喷管熔化已经足够了。

从F-1发动机运行时可以明显看出效果。亮橙色的火焰的前部并不是从喷管尾部开始出现,而是在喷管和火焰之间有一层黑色部分,这就是涡轮机废气形成的气膜冷却。因为使用了高比例的富油燃烧,燃料无法立即接触到氧气,而是等到离开发动机,开始和大气中的氧气接触的时候,才燃烧并喷发。

6辐射冷却

SpaceX的真空版梅林发动机和火箭实验室(Rocket Lab)的真空板卢瑟福发动机,运行时喷出的是明亮的红光,这是因为金属受热并将温度辐射到太空中。由于太空中没有大气层,没有气体来传导或对流热量。这时,发动机可以采用辐射方式把热量从喷管带走,因为辐射不要求介质,就像太阳光可以穿过宇宙真空,以辐射方式带来热量。

真空优化版的梅林和卢瑟福发动机,使用的都是一种很薄的金属,通常是铌合金或类似的合金,足以承受高热负荷。这种喷管延长器的缺点是薄且易碎。不仅如此,铌对氧气非常活泼,所以这种发动机其实只能在真空环境下使用,制作工艺也更复杂。

7总结

我们只需要看着真空版梅林发动机,就足以总结发动机的冷却方法,因为所有方法它几乎都有采用:

燃气发生器使用了散热器和高比例富油排放。之所以这么做,是因为其他冷却方式无法应用于旋转的涡轮泵。因此,工程师必须采用耐高温金属,同时降低排气温度,才能满足要求。

再生式冷却用于冷却燃烧室内壁,喷管的颈部和第一部分。气膜冷却也有应用。燃气发生器的废气,在再生式冷却管道终止的地方,从喷管扩展件喷出,形成了气膜冷却。不止如此,喷管扩展件通过使铌合金烧成亮橙色,将额外的热量辐射出去。

真空优化版的梅林发动机似乎没有使用烧蚀冷却,但是由于二级火箭仅使用一次,发动机其实也可以使用烧蚀冷却,如果有必要的话。


通过 DAO,研究组织和媒体可以打破地域的限制,以社区的方式资助和生产内容。DAOrayaki将会通过DAO的形式,构建一个代表社区意志并由社区控制的功能齐全的去中心化媒体。欢迎通过文末方式提交与量子计算、星际移民、DAO相关的内容,瓜分10000USDC赏金池!欢迎加入DAOrayaki社区,了解去中心化自治组织(DAO),探讨最新话题!

官方网站:daorayaki.org

Discord server: https://discord.gg/wNUPmsGsa4

Medium: https://medium.com/@daorayaki

Email: daorayaki@dorafactory.org

微信助手:DAOrayaki-Media


详情请参考:

Dora Factory支持去中心化DAO研究组织

DAOrayaki对DAOrayaki第一阶段的回顾--去中心化媒体的先驱

DAOrayaki |DAOrayaki 开启去中心化治理2.0时代

DAOrayaki |风险投资的范式转移:无限主义基金和无限游戏

DAOrayaki |DAOrayaki dGov 模型:基于Futarchy的正和游戏

Category:

DAOrayaki

DAOrayaki is a decentralized media and research organization that is autonomous by readers, researchers, and funders.