漫談國產液氧/甲烷試驗發動機

　　過去幾年中圍繞著國產大火箭的研製，「兩種發動機，三種模塊」的構型已經得到了航天愛好者的廣泛了解，兩種發動機中一是50噸級的液氫/液氧發動機，即採用燃氣發生器循環的YF-77；二是120噸級的液氧/煤油發動機，即採用高壓補燃循環的YF-100。不過，最近另一款發動機進入了公眾的視線，這就是採用液氧/甲烷推進劑的新型60噸級發動機，它由中國航天科技集團六院11所研製，近期成功進行了首次試驗。據新聞報道，從2006年以來，北京11所深入開展了60噸級液氧甲烷發動機關鍵技術研究。經過五年的艱苦攻關，突破了多項關鍵技術。液氧/甲烷是非常古老的液體火箭發動機推進劑組合，1931年，德國研製了世界上第一台液氧/甲烷（液化天然氣，LNG）發動機，開創了液氧/甲烷火箭發動機的研究歷史。中國研製甲烷發動機的起點非常之早，早在1986～1987年就開展了液氧/烴發動機的預先研究工作。先後進行了煤油、甲烷、丙烷的電傳熱試驗和推力室點火熱試驗，取得了實踐經驗。結果表明：三種燃料都能可靠點火；燃燒穩定；積碳的順序為煤油最大，丙烷次之，甲烷最少；傳熱性能是甲烷最好，丙烷次之，煤油較差；結焦的順序同積碳。但由於需要集中力量消化引進技術，並且將有限的資源集中於少數幾種重點型號上，因此沒有看到樣機的出現，但相關的技術探索一直在進行之中。　　航天六院11所是什麼單位？　　在龐大的中國航天系統中，航天六院和其他研究院一樣扮演著自身特殊的角色。現在我們所說的航天六院，是2008年重組後的新六院。新六院整合了我國位於陝西、北京、上海三地的液體動力專業資源——原六院及其成員單位，以及11所、101所、上海801所等，總部設在西安，共由10個研究所、工廠組成，並控股上市公司——陝西航天動力高科技股份有限公司。新六院是我國唯一集型號和運載火箭主動力系統、軌姿控動力系統、空間飛行器推進系統的研究、設計、生產、試驗於一體的航天液體動力專業研究院。在六院中11所於1958年4月創建於北京，現位於古城西安的航天城，是承擔我國航天大型運載器用液體火箭發動機研究、設計、生產和試驗任務的綜合性工程研究設計所。六院有兩座大型火箭發動機試車台，一座是位於秦嶺南麓一條山溝里的常規液體火箭發動機試車台，一座是位於西安南郊的液氧煤油發動機試車台。常規液體火箭發動機試車台已經有近40年的「溝齡」，它承擔了400多次發動機試車任務，曾經是亞洲最大的液體火箭發動機試車台。液氧/煤油發動機試車台是專門為YF-100試車而言之的，最大可以試驗500噸級發動機，是美、俄兩國之外最大的液體火箭發動機試車台。除此之外，六院還擁有全國規模最大、系統最全的泵水力試驗室，全國最完善的閥門液流試驗室，全國唯一的液體火箭發動機基礎理論研究室。　　液氧/甲烷推進劑的優缺點　　從物理性能看，甲烷屬於低溫推進劑，沸點為-161℃，其維護使用條件與液氫基本相同。在烴類燃料中，甲烷粘性最小，是煤油的1/3。液態甲烷經過再生冷卻後已接近氣態或已經是氣態。因此，LO2/CH4有接近LH2/LO2的特性，即在燃燒室里噴嘴霧化的液滴細，蒸發快，燃燒速率高，具有燃燒性能好、燃燒穩定性高的優點。但由於甲烷沸點比液氫低很多，因此壓縮液化相對要容易很多，在貯箱的絕熱設計上也更容易，加上比重要比液氫大，因此環節了貯箱結構死重問題。甲烷的另一大優點是比熱高，是僅次於液氫的優良冷卻劑，相比煤油不容易結焦，利用設計合理的再生冷卻結構，可以帶走推力室和其他熱端部件的熱量，並且可以採用對再生冷卻有很高要求的分級燃燒循環或者膨脹循環，理論上氫氧低溫發動機都具有改造為液氧/甲烷發動機的可能。膨脹循環主要用於上面級發動機，而上面級重量的減輕有助於降低下面級的性能要求，對多級火箭總體設計的全面優化有好處。即便是採用燃氣發生器循環，由於結焦極限溫度接近1000℃，因此可以提高燃氣發生器的工作溫度，甲烷燃氣發生器的效率可達98%，而煤油只有62%～81%。根據液氧/甲烷發動機的優點，其應用方向包括兩個方面：其一是用於可重複使用運載器，由於甲烷冷卻性能良好、結焦溫度高、富燃燃燒積碳少、沸點低、重複使用時無需清洗等特點，液氧/甲烷發動機是可重複使用運載器較為理想的選擇；其二是用於運載器的上面級和長期在軌飛行器，由於液氧和甲烷沸點分別為90K和112K，接近空間溫度，便於空間長期貯存，同時貯箱間無需特殊的絕熱結構，因此液氧/甲烷發動機是未來無毒空間飛行器較好的動力選擇。　　不過，甲烷的再生冷卻優勢在分級燃燒液氧/煤油出現後受到了削弱，1986年NASA曾經研究過烴類燃料與推力室壁的相容性問題，結果顯示甲烷中含硫量高於5ppm時對銅內壁有明顯腐蝕，而在冷卻通道上鍍金或鉑後腐蝕明顯減少，但貴金屬的採用大大增加了發動機的生產成本。於此相對應的是，蘇聯在高壓補燃煤油機上循環發過、結構設計、材料選用、燃料精鍊四管齊下，使液氧/煤油發動機性能達到了與液氧/甲烷發動機相媲美的程度，這也是在一段時間內甲烷發動機受到冷遇的重要原因。另外，甲烷密度太小，飽和蒸汽壓高，緻密度比沖太低和泵汽蝕性能不易保證，這一特性與液氫比較類似。烴類燃料大多與液氧配伍，作為發動機推進劑組合。液氧/甲烷發動機的理論比沖比液氧/液氫發動機低很多，僅僅比液氧/煤油發動機高約100m/s，而密度比沖又比液氧/煤油發動機低很多，這導致燃料箱會有較大的結構死重。同時，甲烷的使用安全性在烴類燃料中偏低，甲烷由於分子量較小，是空氣的0.57倍，即比空氣輕的多，任何泄出或滲漏，都可以像液氫一樣，立即上升並散失在大氣中。當然，甲烷畢竟比液氫要好些，更比同屬低分子量烷烴的丙烷好，因為丙烷分子量不僅比甲烷多很多，也比空氣大，任何泄出或滲漏，會積聚在地面或角落裡，遇明火易爆炸；丙烷的爆炸容積百分數比甲烷低的多，丙烷為2.5%～9.5%，甲烷為5%～15%；自動點火溫度丙烷也比甲烷低，丙烷為450℃，甲烷為540℃。使用安全性的次序為：煤油最好，甲烷次之，丙烷最差。　　甲烷發動機燒的是天然氣嗎？　　學過中學化學的人都知道，天然氣中的主要成份一般是甲烷，甲烷可以從儲量豐富的天然氣中獲取，因此成本相對其他推進劑具有優勢。但將航天級液態甲烷和液化天然氣相提並論卻是完全錯誤的，所有的天然氣都是混合物，其中混有大量的雜質，而這些雜質都是必須要去除的。世界各地開採的天然氣，其甲烷體積分數和質量分數都不相同，一般混有不等的丙烷等其他烴類，而加註進火箭的必須是高純度甲烷。在所有雜質中最需要去除的是硫，而幾乎所有的天然氣中都含有一定量的硫。而硫具有腐蝕性，研究表明，只要甲烷推進劑中含有1ppm（百萬分之一）的硫，就會導致再生冷卻結構的銅合金腐蝕，因此必須要將含硫量控制到很低的水平。如果對1ppm沒有概念的話，可以比較一下最常見的RP-1煤油，其含硫量只要求不超過50ppm，而蘇聯為了研製高壓補燃煤油機，也只不過就是將含硫量控制到了20ppm以下，而甲烷如果做成火箭推進劑還要再降低兩個數量級。　　這裡順便要提一下的是液氫的來源。大家都知道，電解水可以獲得氫氣和氧氣，而電解飽和氯化鈉水溶液可以獲得氫氣、氯氣和氫氧化鈉。用這兩種方法都可以獲得氫氣，經過壓縮後就可以獲得液氫，這也是製備液氫燃料的傳統方式。但是隨著石化和煤化工業的發展，這兩種高耗能的方式已經不受歡迎。在裂解石油和生產烯烴過程中可以收得一定的氫（主要用於各種煉化和石化產品的加氫精制），而利用水煤氣反應凈化除一氧化碳後也可以獲得氫，這兩種方式可以用更低的成本獲得更大量的氫。其實，石油與天然氣的煉化一體化和煤化工（包括利用高爐氣）也能生產甲烷，這是直接分離精製天然氣之外的另一大甲烷來源。但總而言之，天然氣要加工成合格的火箭燃料是很複雜的，至少要經過凈化脫硫程序。當然，除了純甲烷發動機，國外也的確有液化天然氣（LNG）發動機的研製，但這種液化天然氣絕對不能和市售鋼瓶裝的那種產品相提並論。　　國產甲烷機究竟還有多遠？　　雖然新聞報道宣告，甲烷發動機的首次試驗全面驗證了該發動機的關鍵技術，標誌著我國在發展先進火箭推進技術方面取得了重大突破，但這更多地只能看作一種鼓舞士氣的宣傳，而非真實的科研進度。更直接一點，從來就沒有一次試車便告成功的發動機，此前的50噸級氫氧機和120噸級煤油機不是，現在的60噸級甲烷機同樣也不是。事實上，火箭發動機研製過程中，絕大部分成本都耗費在了試車過程中，在那一縷青煙中無數金錢被消耗掉，用燒錢來形容一點都不為過。從國內外的普遍經驗來看，從歷史上來看，整個火箭發動機研製成本的大約75%花費在「試驗/失敗/修改」（TFF）這一過程中，台架試驗並不僅僅是燒掉了那麼多高能燃料那麼簡單，需要更具試車中暴露出的各種問題反覆優化工作參數和改進發動機設計。一旦出現預期之外的技術問題就需要修改設計，而每一個經過修改的設計都要重做試驗以證明有效，這些都會帶來成本。如果技術問題短期內無法被克服，輪番更換不同的解決方案不僅會使試車遷延日久，砸進去的金錢會像流水一樣，而這些研製過程中發生的成本，最終會攤到採購成本和發射費用上去。一些成本高昂的經典發動機，例如「土星」V的F-1、太空梭的SSME等，都是因為在試車時暴露出各種預想之外的嚴重問題，然後對發動機進行了許多大改動所致。　　另外，很多初中級航天愛好者並不了解液體火箭發動機技術，點火技術是一個非常重要的技術環節，非自燃推進劑都需要設置專門的點火裝置。更重要的是，甲烷在點火特性上有很多特殊點，簡單地說就是甲烷機不容易點著，需要在設計上採取一些特殊的手段。在歐美研製甲烷發動機的過程中，點火特性是第一個需要跨越的技術門檻。對於燃氣發生器循環而言，燃氣發生器和推力室都需要點火裝置，它們的要求也是不完全相同的。從甲烷發動機的點火技術來看，我國也的確進行了比較深入的研究，探索了化學點火劑點火、電火花點火、火藥點火等不同方案。從這個意義上說，60級甲烷發動機首次試車便告成功，當然是非常可喜可賀的事情，這表明其點火裝置設計基本上是成功的，但離新聞中所說的「全面驗證關鍵技術」相差得還非常遠，並不是好像新型號已經唾手可得了。而且即使是點火裝置，在後續的試車中也可能更換其他方案，以進一步比較不同方案之間的優劣，因此點火這一頁也不能就說已經徹底翻過去了。　　60噸級甲烷機有多先進？　　甲烷發動機近年來得到了許多國家的重視，美國、俄國、歐空局、日本等都有相關的研究報道，但是絕大多數推力都在200kN以下。出現這種情況的原因是，美國、歐空局、日本都擁有氫氧下面級發動機，目前還在繼續對氫氧機進行完善。而國內本次試驗是國際上首次60噸級液氧/甲烷發動機試驗，其工作參數在目前世界同類發動機試驗中是最高的，表明我國液氧甲烷發動機研究居於國際領先水平，也成功探索了基於現有氫氧發動機平台研製低溫液氧甲烷發動機的新途徑。從噸位上來看，60噸級甲烷機可能是在YF-77基礎上改造而來的，利用甲烷的性能略微提升了推力，但估計比沖會有較大幅度的下降。從公開文獻來看，日本當年在LE-7氫氧機上是做過改用甲烷的試驗的，其推力應該大於目前中國正在試車的60噸級發動機，但是LE-7後來並未把這條路繼續走下去。俄羅斯目前正在研製有2400kN的甲烷機，其推力在200噸以上，並且正在和法國斯奈克瑪公司展開合作研製「伏爾加」（Volga）發動機，計劃用於歐空局未來運載火箭準備項目（FLPP），該項目還計劃在上面級上採用甲烷發動機。2009年7月，歐空局開始試驗「伏爾加」發動機演示器。
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