淺談「電子號」火箭的新型發動機循環方式——讓商業航天變得更容易
作者說
1月21日，Rocket Lab公司自主研製的「電子號」運載火箭發射成功。這款小型運載火箭的成功在航天業界引發了大量的關注，這當然不是因為他區區幾百千克的運力或是「一周一發」的宏圖願景，
而是因為這款火箭的發動機採用了一種新型循環方式，為未來火箭發動機的設計指明了一條全新的道路，有可能大幅度降低小型火箭發動機的設計和製造難度
。本文原載微信公眾號「理念世界的影子」，應原作者要求，正文略有改進。
新型發動機循環——讓商業航天變得更容易
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Elon Musk（伊隆·馬斯克）是誰？SpaceX, Tesla，強勢擠入天下地下的運輸領域，地球人都知道！
Tom Muller（湯姆·穆勒）是誰？SpaceX公司推進系統副總裁，Merlin發動機締造者，航天愛好者都知道。
Peter Beck是誰？沒聽說過。（Rocket Lab公司創始人兼CEO、CTO）
Lachlan Matchett是誰？不知道，名字拼起來挺古怪的，幹什麼的？
重型獵鷹火箭首飛成功後，到處掀起了學習的浪潮，大家都在探討：誰是中國的SpaceX？我們離Musk有多遠？
我們離馬斯克有多遠，誰都不知道；誰是中國的SpaceX，誰都不知道。
太遠太遠了，一時半會兒看不清。
但也許有個小目標是可以實現的，要不要？
2018年1月21日，美國Rocket Lab公司自主研製的「電子號」運載火箭第二次發射試驗，成功將3顆立方體衛星送入了預定軌道。
「電子」運載火箭首次成功發射的全程錄像，當然還是建議你看完全文再來
Peter Beck
、「電子」號運載火箭和本文主角「盧瑟福」火箭發動機又是私營公司！我們自然關心，他們的發動機是從哪兒來的？以下摘自Rocket Lab官網：
Lachlan Matchett is responsible for all propulsion activities at Rocket Lab. This includes all orbital propulsion systems including the
Rutherford
sea level and vacuum engines. Lachlan was responsible for theinitial design
of the Rutherford engine and has managed the development of the enginefrom concept through flight qualification and production
.Matchett作為Rocket Lab公司發動機部門的負責人，雖然一手創造了本文主角——「盧瑟福」（Rutherford）火箭發動機，但
與TR-106發動機負責人，自家車庫造機小能手Muller（SpaceX公司發動機部門負責人）自帶光環相比，Matchett太青澀了。經歷簡單，紐西蘭坎特伯雷大學機械工程本科，電子工程碩士，進Rocket Lab公司負責發動機開發至今
。真懷疑他工作之前是否見過發動機，現在還要造發動機，而且居然成了。帥哥今年只有27歲！肯定是天才，嘆服之餘，咱們也看看天才用的方法，有沒有地方值得借鑒。
發動機性能影響因素
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在同等推進劑，同種效率下，發動機性能受兩個因素限制。
因素一：推力室
室壓越高，推力室比沖越高
理想火箭發動機比沖基本上與噴管排氣速度成正比，為噴管進出口壓比p1/p2，進口絕對溫度T，以及生成氣體比熱比k、摩爾質量M的函數。下圖中，實線族為進出口壓比為40時的比沖曲線，虛線族為進出口壓比為15時的比沖曲線。再固定分子量、比熱比，比沖和壓力關係見下下圖。可以看出，壓比越高比沖越高。因此，比沖隨室壓的增加或出口壓力的降低而增加。
因素二：
水往低處流
推進劑流動均是從高壓向低壓流動
，如希望有高推力室壓力，在不存在提壓裝置的情況下，需要發動機入口壓力更高，貯箱壓力更高。沒有任何提壓裝置的動力系統即擠壓式動力系統，而規模較大的液體火箭動力系統，均採用泵壓式動力系統。
擠壓式
泵壓式
擠壓式系統的高壓由整個貯箱承受，而泵壓式系統通過渦輪泵這一點的提壓，將
對
全局的需求集中到局部或單點區域
。再集中力量對局部單點技術攻關並取得突破，從而大幅提升整個動力系統性能。歷史上，曾經出現了三次大的突破(個人看法，如觀點不同請不吝賜教或冷靜對待)，這幾次突破均與渦輪的能量來源有關。發動機性能越來越高的同時，也越來越複雜。而近些年，一種新的能量來源進入了我們的視野。
發動機性能三次突破
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第一次突破——外部過氧化氫驅動渦輪
無論是齊奧爾科夫斯基書中的草圖(1903)，還是戈達德的專利(1914,專利號1103503)都留下了泵的位置。泵的完整實現則源自V-2，現代火箭的鼻祖。
布勞恩設計V-2導彈時，發現將推進劑輸送到發動機時，承受高壓的貯箱將變得非常重，可供選擇的方法是用一種靠輕型蒸汽渦輪機驅動的渦輪泵，但對渦輪泵的高要求（高流量高壓、簡單輕便、啟動快、運行穩定）看上去有點令人生畏。布勞恩參觀了一個泵生產廠並將他的指標交給廠家，原想工廠的設計人員會抗議他無法實現的要求。然而，設計人員說他要求的是消防隊員用的泵，現存的泵就基本滿足布勞恩的需要。
在布勞恩的設計中，驅動泵的蒸汽渦輪機不難製造，過氧化氫就可以產生一股強勁的高壓熱流去驅動渦輪機，它結構簡單，啟動速度快，效率也不低，完全可行，而且看起來很完美。
科羅廖夫的R-7中，格魯什科的RD-107和RD-108發動機使用的就是這種方式，但又稍有不同。V-2採用了高錳酸鉀溶液作為催化劑，而且採用氮氣擠壓兩種溶液，在RD-107/108中採用了固體催化劑，雙氧水則採用渦輪泵分出的動力驅動，集成度更高。不先進一點怎麼能是格魯什科的產品呢？
第二次突破——自持開式循環
驅動渦輪泵除採用外部能源外，為什麼不能用發動機自身使用的推進劑？
北美航空公司在設計Navaho的發動機XLR-43-NA-3時，採用了推進劑燃燒的燃氣驅動渦輪泵，以省去過氧化氫。採用這種設計的發動機稱為「燃氣發生器循環」發動機。"燃氣"是相對於雙氧水說的，因為工質是推進劑燃燒產物而不是分解產物。由於燃燒產物經渦輪噴嘴膨脹後排到發動機外，稱為開式循環。
在巡航導彈研製的初期，美軍也曾嘗試過用目前技術仍然有著技術難題的超音速巡航導彈，這便是納瓦霍，西方歷史上最具神秘色彩的一種飛行器。美軍先後共投入了7億美元用於納瓦霍的開發研製，雖然後來由於彈道導彈的服役和納瓦霍本身的技術缺陷，納瓦霍並沒有投入使用，但在美軍第一代4種巡航導彈中，納瓦霍是最具有意義的一種，為納瓦霍發展研製的大推力液體助推火箭除了成功地運用於後來的美軍第一代彈道導彈－雷神，宇宙神，紅石以及丘比特外，還為美國的大型空間運載火箭的研製做出了重要的貢獻，而專門為納瓦霍研製的高精度慣性導航系統則直接應用於美國第一艘核潛艇鸚鵡螺號的在北冰洋冰蓋下的導航，美國海軍後期發展的A3J－1也採用這種高精度的慣性導航系統。北美在研製納瓦霍中積累了大量的關於超音速飛行器的研製經驗，隨後成功地開發了AGM－28大犬超音速空地導彈，而且納瓦霍的研製壯大了北美的火箭動力系統飛公司，為其研製終極轟炸機XB－70以及XF－108打下了堅實的基礎。所以，美軍的官方文件直接將納瓦霍認定為
美軍空間領域的里程碑
。未找到XLR-43-NA-3的圖，下圖為XLR-83-NA-1，由三台XLR-43-NA-3推力室並聯，但燃料由酒精改為煤油，每個推力室採用單獨的渦輪泵，三個推力室共用一個燃氣發生器。
此循環的本質特徵是"自持"
，推動渦輪泵的工質來自燃氣發生器，而燃氣發生器的工質又是渦輪泵後引出的一小股。這在邏輯上產生了精妙之處，發動機怎麼啟動？只能是依賴外部能源快速啟動(通過外部能源先讓渦輪轉起來)或箱壓下慢速啟動(箱壓下推進劑擠入發生器，驅動渦輪轉一點，帶動推進劑多進入一點，從而緩慢地到達額定工況)。由於自持的特徵，系統耦合程度加強，此時多次啟動就再也不像擠壓式系統那樣，是件自然而然的事情了。
第三次突破——自持閉式循環
由於「燃氣發生器循環」發動機渦輪工作流體經渦輪噴嘴膨脹後排到發動機外，造成1%-5%的浪費(薩頓，火箭發動機基礎)，且室壓越大浪費越大。蘇聯功勛火箭工程師阿列克謝·伊薩耶夫（Alexey Isaev）於1949年首次提出了分級循環發動機的基本概念，即將燃氣發生器中的氣體送入燃燒室繼續燃燒，因此稱為閉式循環(閉式循環還包括膨脹循環等)。此時室壓可大幅提高，而且性能無浪費。
50年代末，伊薩耶夫的助手梅尼科夫（Melnikov）以分級循環原理為基礎，研製了11D33發動機(S1.5400)，用於科羅廖夫閃電號火箭的第三級，這也是蘇聯第一款真空多次啟動的發動機，發動機和火箭於1960.10.10首飛失敗，1961.2.4第三次飛行取得成功(href: https://en.wikipedia.org/wiki/S1.5400)。幾乎同時，庫茨涅佐夫開始為科羅廖夫的「全球導彈1號」（GR-1）研製NK-9閉循環發動機，後來庫茨涅佐夫以NK-9為基礎，引入分級循環方式研製了NK-15發動機，並成為N-1火箭一二級動力。切洛梅與科羅廖夫GR-1競爭的UR-500(後發展為質子號)則採用了格魯什科的常規推進劑分級燃燒發動機RD-253。
分級燃燒代表了目前泵壓式發動機設計的最高水平，功能高度集成，效率達到最高的同時，對材料要求、設計複雜程度也達到最高，發動機自身耦合程度達到最深。
以前蘇聯最強大的全流量分級燃燒循環RD-270（8D420）為例，以下摘自本號往期文章：從傳奇的蘇聯RD-270到SpaceX新一代猛禽發動機——淺談全流量分級燃燒循環的前生今世：從1967年10月～1969年7月，RD-270發動機進行了27次點火測試，但並沒有產生令人鼓舞的結果，所有的測試都有緊急情況出現。
軟體聯調難度非常大
，試驗了22台發動機，其中3台發動機進行了兩次試驗，一台進行了三次試驗。9次測試中，發動機終於進入了預想中的工作模式
，最高室壓達到25.5MPa（另一種說法，004號發動機室壓達到了約20MPa，但只在這種工作模式下持續了2秒）。可以肯定的是，發動機運行過程中不穩定的問題沒有解決
。
新的能量來源---電泵循環
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2018年1月21日，美國Rocket Lab公司「電子號」火箭第二次發射終獲成功。電子號火箭是世界上首個採用電驅動推進劑泵的運載火箭，也是全球首個採用3D列印發動機的火箭，意在為小衛星市場帶來高頻率的專用發射機會，消除目前搭載發射方式所受到的發射時間和發射軌道等種種限制。
「電子」號火箭是一款小型二級運載火箭，全長17米，直徑1.2米，起飛質量10.5噸，500km太陽同步軌道運載能力為150kg，也可以將比較重或較輕的衛星送入較低或較高的軌道，例如45°傾角近地軌道最大運載能力為225kg。
火箭一級採用9台盧瑟福發動機，二級採用1台真空型盧瑟福發動機。發動機均由鋰電池提供電能，每台採用各37kW電機分別驅動煤油和液氧泵到40000rpm，一級9台發動機使用18台電動機，所需電池功率超過1MW(href: https://en.wikipedia.org/wiki/Rutherford_(rocket_engine) )。
特別創新的循環方式，當然此種方式的固有缺點為電泵功率，以及電池的死重。
從電機和逆變器功率密度看(下圖)，74kW電機、逆變器總重大約重10~20kg。電機功率與銅線線徑有關，功率大要求線徑大。發動機工作時泵的功率十分驚人，如F-1發動機為46MW，RD-170為190MW，遠不是盧瑟福發動機區區74kW電機可比的。
對於分級燃燒發動機，發動機重量與火箭規模無關，為一固定常數。而電泵使用的電池用量與飛行時間成正比，也即推重比(含電池用量)為推進劑量的線性函數，而非一固定常數。是電泵循環無法規避的問題。
盧瑟福發動機採用了鋰聚合物電池(href: https://en.wikipedia.org/wiki/Rutherford_(rocket_engine))，以美國3M公司和加拿大Hgdro-Quebec公司共同開發的鋰聚合物電池為例(下表，來自https://baike.baidu.com/item/鋰聚合物電池/3740062?fr=aladdin)。則一台發動機74kW，從功率上至少需要74e3/315=235kg；一級發動機飛行時間120s，從能量上至少需要74e3*120/3600/115=21kg。也即鋰電池儲能的瓶頸在於功率密度低。整個看，按此功率密度，一級所需鋰電池重量至少在2噸以上，而箭體總重不過才10噸，看起來不太合理。
由於手頭沒有彈道復現結果，只能給出如下推測：一是現有電池水平比表格所列(1997年研製)高出不少，電池重量沒有估算的那麼多；二是對比先鋒號火箭參數，電子號火箭以電池重量為代價換取了發動機比沖和發動機研製的簡單，的確達到了標稱的運載能力；三是電子號所報的運載能力虛高，是考慮了後續電池改進後的運載能力，理由是以150kg的運載能力，卻只發射3個總重約13kg的立方星，不符合常理。
「先鋒號」運載火箭為3級運載火箭，一、二子級為液體推進級，三子級為固體級。箭體呈細長形，細長比約為19.25，
結構質量比約為0.127
。箭體全長21.95m，最大直徑1.14m，起飛質量10.2t
，起飛推力120.13kN，推重比1.2，到達500km圓軌道的運載能力為25kg
。一子級發動機，級長13.41m，直徑1.14m，起飛質量8t，結構質量850kg，推進劑質量7.15t，
結構質量比0.106
。引擎為1台X-405液體發動機，採用液氧和煤油作為推進劑，地面總推力120.13kN，比沖2471N·s/kg
，工作時間145s。二子級發動機，級長5.79m，直徑0.81m，起飛質量1.975t，結構質量400kg，推進劑質量1.575t，
結構質量比0.203
。引擎為1台AJ10-37液體發動機，採用白色發煙硝酸和偏二甲肼作為推進劑，真空推力33.34kN，比沖2618N·s/kg
，工作時間112s。三子級發動機，級長1.52m，直徑0.46m，起飛質量200kg，結構質量25kg，推進劑質量175kg，
結構質量比0.125
。引擎為1台X-242固體發動機，採用鉀—高氯酸鹽混合物作為推進劑，真空推力11.77kN，比沖2256N·s/kg
，工作時間35s。整流罩長度2.14m，最大直徑為0.81m，結構質量15kg。
那麼後續電池存在進步空間嗎？以最近比較火的超級電容的例，從功率角度計算至少需要74e3/5000=15kg，而從能量角度計算至少需要74e3*120/3600/15=164kg，已比鋰電池有優勢。近些年超級電容進步飛速，如現在能量密度能到達報道所說的鉛酸電池水平(50Wh/kg)，則需要量可降為74e3*120/3600/50=50kg，效果已經十分可觀。
（
插播：
功率密度是指在任意時刻將泵驅動起來所需的瞬時功率，單位為kW，能量密度是指泵長時間運行所需要的總能量，單位為kWh。就像電器的功率是100W，指的是功率密度，10小時總耗電1度，指的是能量密度（單位：Wh/kg）。功率密度代表的是能驅動泵的爆發力，能量密度是指長時間運行的耐久力。
）據文獻報道，後續採用石墨烯製造出超級電容能量密度為現有超級電容的10倍以上，屆時電池重量可下降到10kg以下，採用電泵循環的運載能力顯著提高。
各種儲能的能量密度和功率密度見下圖和下表(來自互聯網文章，可信度尚有待考證)。
對電泵循環的研判
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機械只要具備電氣化能力，就具備了快速迭代發展，進一步發展壯大的可能性。此種方式的固有缺點為電泵功率，以及電池的死重，根據以上估算,也將隨著技術進步，效率明顯提升。竊以為，這種循環方式簡直就是為當前尚缺乏經驗的商業航天公司而量身定製的，理由如下：
類擠壓式設計取得閉式循環動力性能，舊狀態在新技術下煥發新生
將V-2發動機的循環方式視為第一代，燃氣發生器開式循環視為第二代，分級燃燒等閉式循環視為第三代。盧瑟福發動機定義了全新的循環方式---電泵循環，它集中了擠壓式簡單、泵壓式易使用、閉式循環高性能的特點，是對第一代循環方式的回歸和螺旋式前進，舊狀態在新技術下煥發新生。
一是系統設計、調試簡單。推進劑直接流過渦輪泵進入燃燒室，無複雜迴路，發動機簡潔程度幾乎可與擠壓式動力系統媲美。無第二、三代循環的副系統，液路無反饋迴路，系統啟動、關機匹配特性簡單。
二是發動機性能高。在對貯箱壓力要求上，擠壓式>分級燃燒循環>燃氣發生器循環=電泵供應循環；在發動機性能上，分級燃燒循環>電泵供應循環>擠壓式>燃氣發生器循環。電泵供應循環動力系統性能綜合較優。
三是易維護使用、易擴展。與第一代循環方式相比，電泵無加註過氧化氫、排放環節，發動機易使用；與第二、三代循環方式相比，由於電氣系統容易控制的突出優點，電泵循環可比較容易地實現多次啟動、工況調節等功能，可為火箭全局優化提供極大便利。
動力系統關鍵組件創新，為商業航天指明了發展方向
從SpaceX的Merlin發動機和盧瑟福發動機可以看出，商業航天使用的發動機在關鍵組件上均有所創新。Merlin發動機不追求單方面高性能，而是採取全局觀點，以新材料廣泛應用、高推重比和高膨脹比實現全箭性能優化，以燃氣發生器循環的快速迭代促進火箭迭代，以變推力和多次啟動實現芯級返回促進產業發展。而Rocket Lab在人員、資源保障力度遠不如SpaceX的情況下，另闢蹊徑，採用新型渦輪泵驅動方案，解決了最為關鍵的發動機問題。體現在如下方面：
一是技術風險可控、驗證成本可控。發動機循環方式簡單，對設計、材料要求均較低。與Tom Muller相比，Lachlan Matchett無太多，甚至全無發動機設計經驗，卻完成了發動機研製並取得飛行成功，既是個人拼搏成果，更是技術創新的勝利。
二是廣泛採用3D列印技術，生產效率極高，並為低成本、產品質量控制提供了新途徑。盧瑟福發動機大量採用3D列印技術，將發動機生產時間由月降到天的量級，降低了火箭成本。同時由於無太多靠人工保證環節，產品質量控制較為簡單，為商業航天公司節約了大量人力和物力成本。
三是性能提升由封閉在系統內部拓展到直接吸收外界成果。發動機系統集成度高、研製複雜，技術改進一般均由研製單位自行完成，難以直接應用最新技術成果。發動機性能提升呈現階躍式特點，即很長時間無進步，突然在型號立項研製牽引下快速進步。而盧瑟福發動機的核心和瓶頸，包括電池組和驅動電機，則可與全球最新科技成果無縫對接，既節約了研製成本，又可保證發動機性能的持續提升。
電泵循環無法達到燃氣的功率和能量密度，當前電池水平更限制了推進系統效率，目前僅適用於小型火箭或某些特殊場合
那麼，這種方式是不是具備成熟經驗的航天企業的發展方向呢？考慮其固有缺點，尤其是現階段儲電能力的限制，尚無法大規模使用，但也許可在
短時間
或
小空間
場合開展預研或研製，既規避了電泵循環能量和功率密度小的缺點，又充分利用了其配套簡單，控制靈活的優點，達到四兩撥千斤的效果。（
短時間指不在全程使用，此時可充分發揮超級電容功率密度大但能量密度小的特點，小空間指不用在主泵而是更小功率密度的場合，這是鋰電池適合發揮的場合
）
一是對於燃氣發生器或預燃室副系統推進劑，可採用電泵循環方式供給。副系統流量小，所需電池功率、能量，以及電機規模都很小，易於實現，而且可打破原迴路中的深度耦合環節，提高發動機控制靈活性。
二是對於發動機啟動、射前增壓、補壓等涉及到推進劑的一次性動作環節，可採用電泵循環方式輸送推進劑。由於工作流量不高，工作時間短，對電氣規模要求小，而且可利用電氣系統修改、調試方便的特點，靈活匹配全箭時序。
結束語
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當Musk開啟了SpaceX和Tesla兩個方向，並在天下和地下兩個運輸領域均取得顛覆的同時，觀察其演進道路，有個有趣的現象，就是顛覆全和動力系統創新相關。
在SpaceX公司，Musk的Merlin發動機應用了非常常規、甚至平庸的燃氣發生器循環，但通過將變推力用到極致，對整個行業進行了降維打擊(詳見
二向箔與降維攻擊---FH成功的技術邏輯鏈及對我們後續工作的啟示
)。
在Tesla公司，Musk選擇了電動汽車方式，規避了自身在傳統汽車發動機領域缺乏積累的劣勢，一舉打入汽車領域。通過電池管理系統核心技術研製，並公開專利拉攏傳統汽車企業共同參與電動汽車生態圈的建設，來解決當前電池瓶頸問題。
Electron火箭定義了火箭發動機領域創新的循環方式---電泵循環，大幅降低了技術門檻，一舉跨入自主研製並具備入軌能力的運載火箭廠商行列。技術上簡單類比一下，Rocket Lab就是火箭領域的Tesla。
與SpaceX這個大目標相比，商業航天公司有Rocket Lab這個小目標是可以實現的，是不是？
（全文完）
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