年5月27日,我国火箭民企北京星际荣耀空间科技有限公司成功对其自主研发的“焦点一号”液氧甲烷发动机进行了二次启动测试,并完成了全系统秒试车。
“焦点一号”是全球第一台拥有二次启动能力的液氧甲烷发动机,本次试车成功意味着星际荣耀公司突破了火箭垂直回收又一核心技术,为接下来可重复使用的“双曲线二号”火箭奠定了基础。
什么是二次启动
目前包括中国、美国、俄罗斯、欧盟在内的多个国家和地区都在研发可重复使用的火箭,以降低发射成本。
目前公认的火箭回收方式有三种:“降落伞+气囊”、滑翔降落、利用发动机反推垂直回收。
星际荣耀正在研发的就是“垂直回收”式的可回收火箭。垂直回收技术对火箭动力系统的要求非常高,需要火箭制造商掌握多种核心技术,“二次启动能力”便是其中一种,
二次启动指的是在火箭发动机第一次正常关机后,按要求在高空中再次启动工作的能力,一般被应用于火箭垂直回收的过程中,以降低火箭着陆速度。
二次启动并不仅仅是“再点火一次”那么简单。
当发动机第一工作结束后,发动机各组件和管道内都有残余的推进剂,而且此时火箭一般都已进入太空,在高真空、超低温的环境下,推进剂会出现固、液、气三相同时出现的情况。
“三相共存”可能会令管道产生堵塞,影响发动机的再次工作。因此在二次启动前,需要将残余的推进剂吹除干净。
同时,温度低会造成二次启动时点火延迟期增大,点火时的化学反应会与在地面时大有不同,因此需要为高空二次启动配备特制的启动程序。
除此之外,二次启动还需要解决热泵启动、入口压力低、滑行段预冷等技术难点,是一项综合性非常强的技术,仅包括中国在内的少数国家掌握。
星际荣耀的工程师介绍,此次试验,全面检验了“焦点一号”的二次启动能力,验证了启动程序,模拟了真空状态下发动机的性能和适应能力,为未来的试验提供了数据支持。
焦点一号
“焦点一号”是一台15吨级的液氧甲烷发动机,是由我国自主研制的可重复使用的火箭发动机。
按照设计,“焦点一号”可以重复使用30次,能降低70%的火箭发射成本。
早在年7月11日,“焦点一号”就首次完成了秒的全系统试车。到了年5月19日,焦点一号顺利完成了全系统秒的长程试车,额定工况长程试车时间突破秒。
按照星际荣耀公司公布的计划,年“焦点一号”将进行共约0秒的试车考核,未来将成为可重复使用火箭“双曲线二号”的推动核心。
为什么选择液氧甲烷
目前主流的火箭推进剂一共有四种,并有各自的优缺点:
1、固体燃料
固体燃料便于长期储存,也可以在短期提供巨大的推力,但是比冲过低,不能成为主力。
长征十一号固体火箭2、四氧化二氮和联氨(肼)
这种推进剂组合有着极好的化学反应能力,接触既燃,同时可以在常温贮存,简单,稳定性也高。不过缺点是剧毒且昂贵,比冲偏低,总体上是必须要淘汰的燃料。
使用四氧化二氮+偏二甲肼的长2F3、液氧煤油
液氧煤油算是目前推进剂里性价比最高的一种组合,不过其对于煤油品质要求极高,因为煤油燃烧容易产生积碳,这会阻碍火箭的多次回收利用。好在Space莫林发动机相对简单,重复使用前清理一下即可。
使用液氧煤油的长征7号4、液氧液氢
液氧液氢是四种燃料中比冲最高的一种,但是其缺点也很明显,由于液氢和液氧温差极大,需要单独建立隔热层,同时液氢占地也很大,致使发动机设计难度很高,设计出的火箭又大又贵。因此液氧液氢适合用在第二级或者更上级,最大限度利用其超大的比冲。
像是土星五号的组合就很完美,第一级使用液氧煤油,二三级使用液氧液氢。
土星5号而液氧甲烷作为一种新型推进剂组合,是介于液氧煤油和液氧液氢的一个选择。
其比冲为-,略高于也液氧煤油的,且燃烧无积碳,维护方便。液氧甲烷的储存温度非常接近,储存难度远低于液氧液氢。
液态甲烷的密度(kg/m)也远高于液氢(71kg/m),同等质量的燃料占用的空间会更小。
发动机设计难度比液氧煤油机略高,但是比氢氧机更加简单。况且甲烷在外星球也并不罕见,像是土卫六上就有广阔的甲烷海,未来可能的情况下补充也相对简单。
土卫六总之,液氧甲烷对于液氧煤油来说更具一定优势,尤其是对于可重复火箭来讲。因此SpaceX和蓝色起源这两个业界大佬都率先开始搞液氧甲烷发动机。
“焦点一号”的成功试车也使得中国掌握全系统试车成功的液氧甲烷发动机,让中国距离可回收火箭又近了一步。
其实“焦点一号”已经不是星际荣耀公司首次带给我们的惊喜,早在去年,其已成功发射一枚火箭。
双曲线一号
在年7月25日13点,星际荣耀公司在酒泉卫星发射中心成功发射“双曲线一号”火箭,创造了中国民营火箭公司首次成功发射、高精度入轨并一箭多星的记录。
双曲线一号“双曲线一号”火箭高20米,直径1.4米,起飞重量31吨,近地轨道运载能力千克,公里太阳同步轨道运载能力千克,是一发小型火箭,比其竞争对手蓝箭的“朱雀一号”和零壹空间的“OS-M1”略强。
结语
尽管与SpaceX的猎鹰9号还有很长的距离,但我相信我国的民营火箭企业有朝一日一定可以拥有超越国外的技术。
太空足够大,我们都想去看看。
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