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探秘全流量补燃循环技术与“猛犸”系列发动机的卓越优势

在航天推进系统的技术演进历程中,全流量补燃循环技术的工程应用是液体火箭发动机领域实现跨越式发展的关键节点。星梭科技依托其

在航天推进系统的技术演进历程中,全流量补燃循环技术的工程应用是液体火箭发动机领域实现跨越式发展的关键节点。星梭科技依托其“猛犸”发动机,力图打破国外在先进航天动力技术上的垄断,更希望能通过系统性技术创新,为我国深空探测与重型运载能力建设提供坚实的工程支撑。

全流量补燃循环技术:航天推进系统的革命性突破

全流量补燃循环(Full-Flow Staged Combustion Cycle)作为液体火箭发动机领域的第四代循环技术,其技术突破本质上源于对化学能 - 机械能转化效率的极致追求。相较于目前广泛应用的燃气发生器循环,全流量补燃循环通过独特的双预燃室架构,实现了推进剂化学能向机械能转换效率的显著提升,可使发动机比冲提升10%以上。

该技术采用液氧和甲烷推进剂的双组元独立预燃机制,在两个独立预燃室中分别将液氧与甲烷按照不同的混合比进行预燃烧;产生的富氧燃气与富燃燃气大大增强了涡轮的做功能力,随后进入主燃烧室进行二次燃烧,显著提高推力室压力和发动机性能。这种设计有效规避了传统循环中存在的燃气旁通损失,通过闭环能量回收系统实现推进剂化学能的最大化利用。在国际空间站补给任务模拟中,采用该技术的发动机较传统型号可使有效载荷提升 25%-30%,充分验证了其在提升运载效率方面的显著优势。

比冲作为衡量火箭发动机性能的核心指标,在全流量补燃循环技术的赋能下实现了突破性提升。以“猛犸”一号发动机为例,其地面比冲达到 326s(较国内现有成熟型号提升 12%),真空比冲可达 354s,这一参数已接近 SpaceX 猛禽发动机的性能指标,体现了我国在高性能航天发动机领域实现关键技术自主可控的信心。

工作原理:

猛犸系列全流量补燃循环发动机的工作原理是将大部分的燃料和小部分的氧化剂供给富燃预燃室进行初步燃烧,产生的富燃燃气用于驱动燃料涡轮;剩余小部分燃料和大部分氧化剂供给富氧预燃室进行初步燃烧,产生的富氧燃气用于驱动氧化剂涡轮。从燃料涡轮排出的富燃燃气和从氧化剂涡轮排出的富氧燃气进入燃烧室中进一步燃烧,并通过喷管产生推力。全流量补燃循环发动机预燃室内产生驱动涡轮的燃气流量大,在所有的火箭发动机循环系统中,全流量补燃循环系统涡轮工质的做功能力强,可以在部分补燃循环发动机的基础上进一步提高燃烧室压力,进而提升发动机比冲等性能。

在全流量补燃循环发动机燃烧室中,液体推进剂转化为燃烧产物过程是极其复杂的物理化学过程,包括燃料和氧化剂的掺混和加热、化学反应等。在全流量补燃循环发动机富燃预燃室和富氧预燃室中,甲烷是从冷却通道中流入的,已变成气体状态,作为氧化剂的液氧则是液体状态。因此,在预燃室中既存在着液滴的雾化、加热和蒸发过程,又存在着气体的掺混、加热和化学反应过程。