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  • 1 # 筆不意馳

    我對火箭發動機領域的知識積累不足,不過你計算過重量麼?包括電池的重量和電機的重量。估計是電池和電機的重量太大吧。

  • 2 # 彧蔚

    首先先說一下現階段已經有藉助電池驅動渦輪泵工作的液體火箭出現,而這就是紐西蘭早在2017年就成功發射的“電子號”電動火箭,該火箭最令外界驚歎的就是其使用了電池驅動電機工作的渦輪泵,所以這也驗證了電池推動輸送燃料的渦輪泵是可行方案。一直以來大推力液體火箭發動機雖然有著比衝更高、且具備多輪停機能力等優勢,但是相比結構更為簡單的固體火箭發動機而言,液體火箭發動機雖然優勢很多,但是研發成本高、研發難度大限制了很多國家,特別是能夠直接影響火箭推力大小的渦輪泵更是“重中之重”。衡量一枚液體火箭發動機的效能高低,核心還是看發動機的推重比和比衝兩大關鍵引數,比衝的大小核心和使用的燃料和燃燒室內壓有關,而火箭發動機的推重比高低就直接和火箭發動機的設計研發有關了,特別是渦輪泵的工作效率直接決定了單位時間內進入燃燒室工作的燃料量的多少和壓力有多大,所以長期以來研發成功了渦輪泵也就等於是研發成功了液體火箭發動機,因為以液體火箭發動機的構造來說,主要就分為渦輪泵/燃燒室和噴管三大部件。所以對於大推力、高效能的液體火箭發動機來說,決定液體火箭發動機的比沖和推重比的關鍵就是渦輪泵,所以這就要求渦輪泵的輸送流量要更大,比如現代大推力液體火箭發動機使用的渦輪泵轉速輕輕鬆鬆超過十幾萬轉/分鐘,泵送功率更是可以達到幾萬千瓦,要知道秦山核電站一期機組的功率也就是30萬千瓦時。舉個簡單的例子吧,當年美國執行登月計劃的土星五號超重型火箭使用的F-1液氧煤油火箭發動機使用的渦輪泵,可以在短短几分鐘內將整個西湖水全部打上珠峰那麼高,所以從中可見渦輪泵的功率有多高。所以這麼高的渦輪泵功率對於驅動源產生了更高的要求,最早液體火箭發動機剛出來的時候,初期還是藉助外部蒸汽動力驅動渦輪泵啟動並逐漸產生壓力,後來逐漸開發出使用發動機自產的高溫燃氣驅動技術並應用至今。有些高溫燃氣來自專用的預燃室,雖然結構簡單,但是會浪費部分燃料所以也被稱為“開式迴圈”。有些則直接從燃燒室和噴管等高壓空間內抽取屬於閉式迴圈,像美SpaceX公司的獵鷹火箭使用的發動機就是效能落後的開式迴圈方式,而中國則使用了更加先進的分級燃燒閉式迴圈方式。而使用電池驅動的渦輪泵雖然迴歸到了早期的外部動力驅動,但是結構複雜的渦輪泵增壓系統依然是缺少不了的,不過卻不用設計那麼複雜的自適應增壓系統了,這就有點像傳統的液發像是使用化油器的發動機,而電池驅動的則像是電噴發動機,首先會帶來更高效的動力控制和更為平滑的動力曲線,同時因為沒有了驅動渦輪泵工作的預燃室所以整個液髮結構更為簡單/沒有了堵塞爆炸的風險。

    雖然從理論和小型火箭的實際發射來說,使用電池驅動的渦輪泵優點很多,但是現階段來說卻存在以下幾大問題:

    一、要想用電池替代傳統的渦輪泵自增壓系統,首先得需要研發製造一個輸出功率可以達到幾萬千瓦的同時,體積和質量要更輕的電機出來,但是這裡面就牽涉的多了,美國高了十多年的電磁彈射器到今天還問題不斷,可想而知研發一個質量輕、體積小巧、功率幾何倍大電機有多難。二、如何讓電池組提供兆瓦級別的電能的同時,電池同樣做到質量輕、體積小巧、電能幾何倍大?那麼要驅動渦輪泵為燃燒室輸送巨量燃料,對電池組的功率密度和能量密度提出了更高的要求,簡單來說能量密度就是指電機長時間工作所需的總能量大小,而功率密度則是指任意時刻成功驅動泵運轉的瞬時功率大小。所以對於驅動火箭發動機渦輪泵高效運轉的前提就是電池組能否保證在整個發射階段的爆發力和耐久力,同時還有電池短時間超負荷放電時的過熱問題。總結來說,雖然電池驅動的渦輪泵結構有所簡單,而且相比傳統的自適應渦輪泵優點多多,算是未來液發發展方向之一。但是介於現階段電池組功率密度的限制,無形中也就限制了以電池組驅動的液體火箭發動機能否研發出推力更大的核心所在了,畢竟現階段唯一一款電動渦輪泵的電子號發動機最大推力只有2噸,2噸的推力放在火箭發動機上真的是沒有多大的驚濤駭浪,畢竟現階段各國使用的液發海平面推力早已超過100噸。

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