高壓補燃循環發動機的技術對美國有吸引力么？

11-30

題主讀書太少求科普！！ ∑(っ °Д °;)っ

1：我國是世界上第二個掌握液氧煤油高壓補燃循環發動機核心技術的國家，那麼這種技術的根本特點是什麼？究竟有哪些傳統發動機不具備的過人之處？希望回答的朋友能做歷史發展、技術對比性的講解。

2：既然該技術受到主流媒體如此周張讚許，那麼為什麼作為科技強國的美國不去研發呢？

2.5：還是說美國只是秘而不宣（自己意淫的）？

3：那就是題主了解有限，實際上美國已經有差不多甚至更好地技術了、覺得這根本沒必要？

首先從結論說起，有吸引力，而且非常有吸引力。對幾乎每一個試圖搞航天的公司／機構／國家，高壓補燃發動機都是最有吸引力的動力循環方式，而且不但有大量已經投入使用的，還有不少開發中的。這個技術在俄羅斯一般被叫做高壓補燃，美國的叫法是分級燃燒。而在中國這邊，兩種叫法都很常用。
液氫液氧燃料的比如space shuttle main engine（太空梭主發動機），常縮寫做SSME，前蘇聯同樣為液氫液氧燃料的太空梭動力RD0120。
圖為SSME

液氧煤油燃料的主要是RD170及其衍生品RD180，RD190。中國曾在蘇聯剛解體時引進過一台蘇系高壓補燃液氧煤油發動機，並以此為藍本開發了YF100，除此以外目前沒有其它國家掌握這個技術。
圖為YF100

液氧甲烷燃料的主要是spacex開發中的falcon（獵鷹）發動機，藍色起源公司開發中的BE4發動機，目前均為投入使用。其實迄今為止，沒有任何一款液氧甲烷燃料的發動機真正投入使用，這是有很深刻的原因在裡面的。
沒有投入使用的所以沒圖╮(╯▽╰)╭上次的回答為什麼SpaceX的梅林1D發動機有排氣管排出廢氣，而中俄的YF-100和RD-180煤油機卻不需要？ - 法式油炸薯條的回答提到了分級燃燒循環的主要結構，就是這張圖

還有一點很重要那就是

流體都有從高壓的地方，流向壓強較低的地方的趨勢

稍有常識的人就會看出，如果要讓預燃室流入渦輪做功後，還能夠通入燃燒室燃燒，預燃室的燃燒室壓就要大於主燃燒室的燃燒室壓。而預燃室燃燒室壓與主燃燒室室壓的壓比越大，燃氣推動渦輪的做功能力就越大。一般來說這個壓比為2左右時最佳。

也就是說，如果我們的燃燒室壓強為20Mpa（即200個大氣壓），那麼預燃室壓強就應該有40Mpa（即400個大氣壓）。如果預燃室是燃料過量的，那麼就應該有少量氧化劑噴入40Mpa預燃室燃燒，絕大多數氧化劑噴入20Mpa的主燃燒室燃燒，但是這樣就出現了一個問題，那就是泵怎麼給氧化劑增壓呢？

如果把所有氧化劑都增壓到40Mpa以上，那麼把40Mpa氧化劑噴入20Mpa的燃燒室會白白浪費把大多數氧化劑增壓到40Mpa的能量，因為這部分氧化劑本來只需要增壓到略高於20Mpa的，結果卻浪費了能量增壓到40Mpa。所以一般常用的辦法是，採用兩級泵，第一級泵把所有氧化劑增壓到大約20Mpa進入主燃燒室，然後少部分氧化劑進入第二級泵，增壓到大約40Mpa進入預燃室。

事實上大多數分級燃燒循環的都需要流量不同的兩級泵。使用兩級泵不僅僅是增加一級泵的問題，會增加整個渦輪泵系統

因此有人設想一種可以省去兩級泵的結構的分級燃燒循環發動機，那就是全流量分級燃燒循環發動機。

通常的分級燃燒循環發動機如果預燃室氧化劑過量，則需要在燃燒室噴入燃料燒掉剩餘的氧化劑；如果燃料過量，則需要在燃燒室噴入氧化劑燒掉剩餘的燃料。而這樣的話就需要把其中某一種推進劑增壓到不同的兩個壓強，略高於燃燒室壓強和略高於預燃室壓強。而如果採用全流量分級燃燒循環的話，有三點好處：

1，有兩個預燃室，一個燃料過量，一個氧化劑過量。同時有兩個渦輪。這樣的話，可以用富氧燃氣，帶動氧化劑渦輪泵，用富燃燃氣帶動燃料渦輪泵。這樣做的好處是可以大幅降低對渦輪泵密封的要求。如果普通分級燃燒循環氧化劑泵也用富燃燃氣帶動的話，如果氧化劑從軸上泄漏到富燃燃氣中，有混合後燃燒，爆炸的危險，所以液體火箭發動機渦輪泵的密封需要十分慎重的考慮。而如果用富氧燃氣帶動氧化劑泵，用富燃燃氣帶動燃料泵，則泄漏不會帶來任何危險，既能降低密封的成本，又能夠提高火箭的可靠性。
2，所有推進劑都從預燃室經過，所有的推進劑都增壓到略高於預燃室壓強，這樣的話，泵只需要把所有推進劑增壓到幾乎相同的壓強，用之前的例子舉例的話，所有泵都將推進劑增壓到略高於40Mpa即可。
3，所有的推進劑都可以變為燃氣推動渦輪，渦輪工質的質量大大增加則可以使燃氣溫度大大降低，而達到同樣的渦輪功率。而如果渦輪工質的溫度降低，就可以使渦輪的可靠性提高，有利於提高火箭發動機整體的可靠性。

然而雖然全流量分級燃燒循環早在幾十年前就被提出了，但是至今沒有一個該循環的發動機實用化，這也證明了它有非常大的局限性：

1:全流量分級燃燒循環不適用於液氧煤油燃料，因為如果煤油過量燒出的富燃燃氣中會有很多黑煙，沉積在發動機內成為積碳，嚴重影響發動機的可靠工作，而全流量分級燃燒循環發動機必須要有一個富氧預燃室和一個富燃預燃室，所以它並不適合液氧煤油燃料。
2:對於液氧液氫發動機，目前的分級燃燒循環的SSME以及RD0120性能已經非常高，可靠性也非常高，因為性能不會有什麼提升，故沒有太大重新研發全流量高壓補燃循環的發動機的意義。

綜合來說發展分級燃燒循環技術還是很有吸引力的，主要發展趨勢估計是液氧煤油使用富氧預燃室，液氧液氫使用富燃預燃室，與現在一致。

美國將來要發射的SLS火箭將會把壓箱底的SSME存貨拿出來做芯級發動機，SSME真空比沖452s，而RS68隻有410s，幾乎高了10%，這意味著同等情況下運力幾乎能提升30%。中國將在YF100的基礎上開發500噸推力的液氧煤油發動機，作為將來登月，探測火星的長征九號的起飛主動力，spacex打算開發液氧甲烷的全流量分級燃燒發動機來做可重複利用起飛重量一萬噸級別的超級火箭的主發動機，相當於三枚土星五號。只有中俄才有的是液氧煤油分級燃燒發動機技術。但單論分級燃燒循環的話，過去太空梭時代，以及將來都會是美國航天的主力。

太空梭的主發動機，SSME就是高壓補燃循環，將來SLS上面的RS25就是SSME的單次使用版本。
還有藍色起源正在研發的BE4也是全流量燃燒循環的甲烷機，spacex的猛禽也是，一種比富氧燃燒循環更高大上的方式。
美國還搞過補燃循環的煤油機RS84，後來沒有用。買RD180很大程度上是因為這東西挺便宜，而不是替代不了，德爾塔4的運力區間比宇宙神5更大。
氫氧機分級燃燒循環美國是用的最多的，其次是日本（LE7，LE7A,不過將來H3也不用這個了，改成膨脹循環，大概也是成本問題，氫氧機各種循環方式比沖差別並不像煤油機那麼大)，毛子的RD0120就沒用幾次，RD56也沒真正上過天,倒是給印度山寨了一個CE7.5，去年才真正成功。
甲烷機，未來大概也只是美國這兩家公司在玩了。
所謂的美國沒有掌握的技術，實際上只有煤油機，注意是所謂的。
歸入正題，說一說這個對美國來講到底有多大用。目前美國使用煤油機的火箭主要有兩種，一種是宇宙神5，另外一種是獵鷹9。
宇宙神5基本只接了軍方項目，而且目前發射的次數屈指可數。
獵鷹9是新貴spacex的火箭，每年都要發射幾次，而補燃循環的煤油機對於馬一龍來講，也就是雞肋了。
首先，merlin的性能並不差，地面比沖282s,真空比沖311s。最新的高空版真空比沖可以達到348s，推重比高達150以上，真實推進性能並不比補燃循環差多少，而成本更低。
獵鷹9需要並聯9台發動機，FH需要上27台發動機。補燃循環發動機，比沖高那麼一點，但是室壓是三倍左右。meilin的室壓是6.77mpa,yf100是18mpa，RD170為24.5mpa，發動機POGO(縱向共振）作用的強弱是和室壓又密切關係的，N1的失敗就跟室壓高引起的POGO共振有關（更大的問題還是準備不足，也不是發動機並聯的多）。
但是獵鷹9的載荷比比大多數液氧煤油火箭都要好，獵鷹9基本可以幹掉使用了RD170發動機的天頂火箭，儲箱是高大上的鋁鋰合金，干質比更高。merlin的高推重比也是功不可沒的，對於補燃循環發動機來講，做到這點顯然不是太容易。NK33也只能堆到120級別。

前面回答不少概念搞錯了，國慶假期重新看材料去。。。丟人+誤導別人啊。。。。下面的回答是初步修改的，回頭估計還要改。。

吸引力肯定有啊，畢竟煤油便宜推力大成本低（這裡只算製造成本），並且製造商之間的競爭需要搞技術差異化。氫氧機洛克達因獨步天下，別人要競爭，煤油機怎麼也是條路子。比如說馬一龍的梅林，就是煤油機，不過是開式循環，應該是為了推力和成本考慮。
接下來逐個回答問題：
1：液氧煤油高壓補燃循環發動機這貨，是蘇聯人搞出來的，目的是提高煤油機的比沖。煤油機天生比沖不如氫氧機（燃料本質決定了），然而氫氧機的很多技術關鍵，蘇聯人沒突破，比如說大推力（大燃燒室此處原答案錯誤，並且煤油機裡面蘇聯人很多型號也是多室並聯搞的，應該不算氫氧機單獨的問題，掛這裡），還有大流量的氫泵，還有燃燒原理這些，都有問題沒解決，大型固推貌似也有問題？（按照導彈技術水準來說不應該，然而就是沒實用型號），所以只能是煤油機挖潛，煤油機推力容易做大，就是比沖低一些，為了提高比沖，就要上閉式循環，即驅動渦輪泵的燃氣，不再像開式循環一樣排出，而是將其導入推力室做功，為了降低渦輪泵難度和成本，驅動渦輪泵的燃氣溫度需要控制，不能是最佳混合比的燃氣，這裡就有兩個路線：補燃（富氧燃燒而燃料不足）、補氧（缺氧燃燒，燃料多氧化劑不足）；補燃有富氧燃氣密封問題，泄漏容易炸，需要額外的關注密封問題（現用的貌似是氦氣吹掃解決）；補氧則有積碳問題，這個會導致管道堵塞、噴嘴堵塞，很難辦；蘇聯人就選了補燃路線；這樣就繞過了這些技術，搞出了一批高性能煤油機。並且煤油機確實有密度比沖大，不需要超大號低溫燃料儲箱的優勢。
補充說明：經@蜂蜜餅gnn 提醒，蘇聯後來搞出了RD-0120，用於能源號火箭，後來也計劃轉用於能源M。這個發動機性能不錯，單台成本比SSME低。後來由於蘇聯解體，能源號火箭就沒有繼續下去。
美國人盯著氫氧機的高比沖優點不放，也有相當NB的工業基礎錢，搞得定氫、氧泵，最終搞出了SSME/RS25這個神一樣的混合循環發動機，然而貴的美國人都受不了，簡化出來一個RS68（依然貴）。使用氫氧機的大多數火箭是沒辦法獨立起飛的（重載）（經@蜂蜜餅gnn 提醒德爾塔4使用了RS68實現了氫氧機起飛，而且是重型火箭），然而美國人有各種規格的大固推，組合使用，問題解決。
還有兩點：第一是液氫體積太大、溫度太低、壓力不小，造成燃料箱很大、很重，部分抵消比沖優勢；第二點說起來有點無聊，就是美國由於政府扶持、產業發達、技術先進，液氫就便宜（15.6-31.2美元／m3），其他國家用液氫成本沒他低（歐洲、日本，雖然都有工業規模生產裝置，但其生產規模、液氫產量，尤其是產品價格，根本無法與美國相比。我國的情況還要差一些液氫價格異常昂貴，用戶一次購量超過100m3售價為20000元／m3 ，不足20m3時，價格竟高達50000元／m3。），算算油錢，還是煤油便宜。
下劃線部分引用自：《液氫的生產及應用》鄭祥林大慶華凱石油化工設計工程有限公司黑龍江大慶液氫的生產及應用
2：高壓補燃技術受到主流媒體如此周張讚許，只是媒體吹牛，這個技術遠不是世界最頂尖的。現在看最頂尖的是複雜循環甲烷/液氧機，然而沒一台實際點火過；次頂尖的是SSME這貨，一發就是5500萬刀（研製費用不知道算了沒。。。）；其次才是高壓補燃煤油機或者全流量循環氫氧機（誰更先進略有爭議）；
媒體吹這個東西天上有地下沒，主要是為了方便大家YY，提升自豪感。。。
補充:複雜循環的話有輔助泵全流量循環、燃氣發生器和分級燃燒複合循環雙推力室循環等等，還有雙/多燃料發動機等等，暫時都是紙面方案

2.5：不管是補燃還是補氧，在美國人這裡都叫分級燃燒循環，並且不是說補燃一定就要高壓，不高也行的。分級燃燒循環的發動機，美國人搞過肼機（退毒保平安）、氫氧機和煤油機，這裡既然比較，那就只說煤油機。老的煤油機阿捷羅特貌似搞過幾個，後來在項目招標競爭中輸了，都沒大規模用。在最近這些年，圍繞幾個紙面項目（全部被國會擊落，SLS看樣子也快了），各公司推出了AJ800、AJ26、AJ26X（阿捷羅特改進版毛子NK33），洛克達因推出了RS-76、RS-84，TRW公司搞了TR-107，這些都是煤油液氧分級燃燒循環發動機，全部被國會幹掉在紙面上。但是技術儲備都在，真的要搞啟動起來沒有太大難度（但是沒錢）。算不算有了秘而不宣看各人吧。

3：技術構型這個東西，現在提出來的高端技術有很多，紙面性能都很先進，但是造出來的工程難度各有不同，優劣勢也要綜合考慮，不是說越先進越複雜就越好的。
不管哪種構型，最終都逃不過渦輪泵、大單室、先進材料、燃燒理論這些固有技術難點，從各項技術儲備來看，如果現在再次開展航天競賽，毫無疑問，美國人是贏在起跑線上的（終點線誰贏更多要看誰錢多）。
美國國會如果沒有擊落SLS，那麼毫無疑問，會有新發動機出來，性能會有很大提升。SpaceX如果邁過今年的任務失敗關（應該是沒問題），穩定發射、回收之後，他們的登火火箭就是低（相對）技術發動機的大勝利（27台的並聯發動機起飛啊，嚇尿）。