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SpaceX“猛禽”发动机项目调研

时间:2019-01-21 10:26来源:高端装备发展研究中心 作者:中国航空


SpaceX在”猛禽”发动机计划的推重比方面保持沉默,因为它尚处于开发初期,并且在认证测试之前该数值会发生变化。然而,有人表示,预计的推重比要比Merlin 1D发动机要好。

由于“猛禽”具有优异的推重比特征,SpaceX选择在发射推力方面采用相对低推力的设计。ITS Booster采用一组42个”猛禽”SL发动机,产生127800千牛的起飞推力。

根据SpaceX的说法,猛禽的制造工艺将采用大量3D打印技术。3D打印技术已经在SpaceX的Merlin和Super Draco发动机上得到验证。

SpaceX的SuperDraco引擎使用完全3D打印的推力室

3D打印可以大大降低生产成本,并提高发动机的推重比,因为它可以通过传统方法生产更轻的部件。

3D打印引擎组件的另一个优势是,可以在新组件中实现设计更改的速度,以便在短时间内重复执行引擎设计的几次迭代,而不是花费数周或数月的时间根据更新后的规范重新铸造组件。

“猛禽”上的打印组件包括推进剂阀门,涡轮泵部件和喷油器系统的许多组件。

研发现状

ITS缩小版中的猛禽发动机性能参数

在2017年的IAC演讲中,马斯克公布了ITS的缩小版本,其中一个使用31个”猛禽”引擎,而不是最初计划的42个,以及一些其他变化。一位用户问为什么猛禽发动机从300吨减少到170吨的推力。马斯克表示,发动机推力大致与第一次IAC会议中ITS减少的质量成比例下降。他接着解释了背后的一些想法:

为了能够在最坏的时刻应对BFR发动机的故障,必须有多个发动机。控制发动机节流的难度以非线性方式增加,因此节流二分之一相当容易,但达到五分之一非常困难。冗余度也是一个重要因素,如果只有两个发动机可以完成所有工作,那么发动机的复杂性要高得多,如果失败了,工作功率就会减少一半。SpaceX修改了自IAC以来的BFR设计,以便为此增加第三个中等面积比的”猛禽”发动机(在发动机输出时仅损失1/3推力)并提高了其有效载荷。

新的ITS设计中相比旧的设计中核心发动机为三个

另一位用户询问了将试验型”猛禽”引擎扩展到最终尺寸的时间。马斯克回答说,扩大发动机是很容易的事情,并继续解释他们的目标是要达到或超过客运航空公司的安全水平。

航空发动机设计更轻更紧凑,并且非常注重可靠性。如果SpaceX的发动机甚至能够相比航空发动机的可靠性,有一个防护罩以防止快速不定期的拆卸,并且拥有比大多数客机中典型的两个发动机更多的发动机,那么应该可能超过航空公司的安全性。这对于SpaceX公司使用BFR在地球周围旅行的野心至关重要。

最后,有人问马斯克火箭发动机是否会3D打印,因为该公司已经拥有SuperDraco引擎的3D打印经验。马斯克回答说,一些部件将被打印,但是大部分将被加工锻件。他继续指出,该公司已经开发出一种新型的金属合金用来制造氧气泵,该合金具有优秀的耐高温性能。

竞争现状

首次点火测试的BE-4发动机,同样为液氧甲烷燃料组合

“猛禽”发动机最直接的竞争对手是Blue Origin的BE-4,它代表了在美国本土上开发的第二个高推力液氧甲烷发动机。BE-4采用富氧分级燃烧循环,实现2450kN的基准海平面推力,而且随着BE-4进入开发测试,该数量可能会增加。Blue Origin将在其新格伦火箭上使用BE-4发动机,第一阶段有七台发动机,第二阶段有一台发动机。ULA也在考虑在其Vulcan火箭的第一级使用BE-4。空军在2016年与ULA达成的协议中提供的大部分资金旨在支持用于Vulcan的BE-4工作。

主要参考资料:

[1]杨开,才满瑞:国外液氧/甲烷发动机的最新进展[J]. 北京航天长征科技信息研究所,2017.

[2]田丰:“猛禽”:发动机新兵表现如何[J]. 中国航天报,2016.

[3]从闭门羹到猛禽—SpaceX坎坷的发动机之路[Z].航天爱好者,2016.

[4]Spacelight101.com-SpaceX Raptor.2018.

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