火箭发动机的全流量分级燃烧循环什么缺点都没有吗？ 第1页
1
luxiair 网友的相关建议:
全流量分级燃烧作为性能最强的液体火箭发动机种类有着众多优点，单论纸面数据可以说碾压同类液体发动机。
在这个回答里，从工程难度从简到难介绍几种循环。
燃气发生器循环
既然这个题是关于SpaceX的，就拿另一个SpaceX的劳模火箭和发动机举例子。上图的液氧煤油发动机「梅林」就是一个标准的典型燃气发生器循环发动机。喷嘴旁边的粗管子就是它的排气管，看这喷的黑烟就是富油不充分燃烧造成的。
一部分氧气和一部分煤油（别的发动机也可以是别的燃料）被泵入燃气发生器，燃烧生成高温高压燃气，这部分燃气推动涡轮，涡轮又带动泵工作。泵将燃料泵入燃气发生器，以及主燃烧室，在主燃烧室生成的高温高压燃气进入主喷管产生推力。
因为燃气发生器的排气进入涡轮后直接于外界相连，也就是说涡轮的背压很低，这就保证了涡轮压比可以做到相对比较高。
下图为欧洲主力火箭Ariane5的芯级主发动机液氢液氧发动机火神2的涡轮泵。（因为没找到梅林的涡轮泵照片）
涡轮泵能对氧化剂和燃料所加的压决定了火箭发动机主燃烧室压力，也就直接决定了火箭发动机的一个最重要的核心指标——比冲，而流量又决定了发动机推力。虽然轴功率以万马力为单位，但是还需要保证高可靠性。火箭发动机的开发成本超过一半都是这个涡轮泵，同时还占了火箭发动机制造成本的大部分。
但是就如照片所显示，一部分燃料和氧化剂被烧掉后排出，并没有进入主燃烧室形成推力，有不小的浪费，尤其是为了降低燃气温度保护涡轮，额外的燃料被喷入燃气发生器，作用约等于冷却剂，火箭上珍贵的燃料就这样被浪费，总体效率还有提高空间。
如果把燃气发生器出来的由推过涡轮的废气打入主燃烧室再次参与燃烧产生推力，这不就不浪费了吗？
分级燃烧循环
燃气发生器也就改名叫预燃烧室了，一部分燃料和氧化剂在通过预燃烧室后又进入主燃烧室，两次燃烧，所以这种循环就叫分级燃烧循环。一小部分燃料和氧化剂进入预燃烧室，产生的燃气推动涡轮，涡轮带动泵体，废气再进入主燃烧室与大部分燃料和氧化剂混合，最终全部燃烧从喷管喷出产生推力，没有不产生推力的排气管。
为了不浪费燃料，也是要付出代价的。在燃气发生器循环中，燃气发生器和主燃烧室相对分离，在设计时，工程师有多一个自由度，这两个东西可以各自缩放。但是在分级燃烧循环中，预燃烧室和主燃烧室相互绑定，不能各自独立缩放。
在工作中，又需要更多的管线输送燃气，以及更多的反馈控制循环，大大增加了系统复杂性。
上图和下图都是航天飞机的主发动机SSME和NASA大宝贝SLS主发RS-25，分级燃烧循环液氢液氧发动机。
因为燃气涡轮的下游是高压的主燃烧室而不是低压甚至真空的外界，所以涡轮压比较小，工作效率较低。为了达到高燃烧室压力以实现大比冲，涡轮被压榨到极致，工作环境非常苛刻。
怎样才能同时改善涡轮工作环境还提升燃烧室压力呢？
可以降低涡轮的工作温度，同时又以高流量来保障涡轮功率！
而涡轮流量提升的极限是哪里呢？最大只能是全部燃料和氧化剂全部经过预燃烧室和涡轮，换句话说就是全流量。
全流量分级燃烧循环
这种发动机循环有两个预燃烧室和两个涡轮，一边贫油燃烧再推一个涡轮带动燃料泵，另一侧则是富油燃烧推动另一个涡轮带动液氧泵。
最终这两个涡轮的排气再于主燃烧室汇合参与最终燃烧并从喷管喷出形成推力。
全流量分级燃烧循环可以说是液体火箭的终极形态了，道理这么简单为啥并没有装在全世界所有火箭上呢？
因为全流量，才可以让燃气温度很低，改善了涡轮工作环境同时还保证了涡轮泵功率。然而因为预燃烧室过于富油和过于贫油且温度低，两侧预燃烧室的燃烧稳定性都很差，很难得长时间稳定燃烧的火焰，让发动机在额定工况下长时间稳定工作。而燃烧不稳定性是火箭发动机的大敌。
但是这世界上有人就是爱吃螃蟹，马斯克的大火箭BFR搭配的发动机猛禽Raptor就是甲烷液氧发动机，采用了全流量分级燃烧循环。以马斯克的执行力和SpaceX的工程速度，还是搞了这么久，期间大改过几次参数，可见这种发动机有多难降伏。
SpaceX是一家私人企业，马斯克并没有太多透露过Raptor项目遇到的困难，但是想象在这条路上工程师遇到了多少设计和制造困难，我估计主要是它特殊的预燃烧室和特殊的涡轮泵。
航天路上总是充满荆棘坎坷，那我们为什么还要探索太空？
因为它就在那里呀。
1
相关话题
埃隆马斯克的技术牛逼吗？如何评价观察者网科工力量10月17日的视频《26颗卫星报废，谁在给马斯克的商业航天撑腰？》？
如果私人企业实现太空移民，是否能够建立一个国家？
GPS 卫星的功率有多大？
如果一个物种的星球第一宇宙速度大于它们能承受的最高加速度，这个物种还会有航天科技吗？
美国国家航空航天局宣布推迟载人登月计划至 2025 年，为什么推迟？能成功吗？
首飞成功的长征五号 B 火箭有多先进，用了哪些黑科技？
火箭发动机的全流量分级燃烧循环什么缺点都没有吗？
嫦娥五号上升器从月面点火入轨，实现我国首次地外天体起飞，意味着什么？技术难度有多大？
如何看待 8 月 10 日翎客航天自主研发的可回收试验火箭成功回收？这波操作什么水平?
相关的话题
如何看待 SpaceX CEO 马斯克当选美国工程院院士，是实至名归吗？为什么作为一个美国商人的伊隆马斯克可以造出许多国家难以望其项背的大推力火箭？
如何评价观察者网科工力量10月25日的视频称「美国航天企业SpaceX缺乏安全性可靠性」？
如何看待世界首富马斯克被称为「金融圈带货一哥」？他带火的产品是真有市场还是因为名人效应？
土星五号那么大推力才能将阿波罗送到月球，而嫦娥只需长征就可以到达月球附近，是因为飞船质量不同吗？
学航空航天专业的如何在北京买到房？
未来十年，中国航天将会有哪些值得期待的大事件？
如何看待我国空间站计划两年内建完？你有哪些期待？
SpaceX「公理 1 号」任务成功发射，首次将 4 名游客送往国际空间站，有哪些亮点？
为什么说美国宇航局的旅行者二号已进入星际空间？这意味着什么？
以现在的技术嫦娥5号只能带回来2KG土，那么几十年前阿波罗号怎么把人运回来？
蓝色起源（BlueOrigin）“新谢泼德3号”二次发射成功能否让其成为抗衡或超越SpaceX的存在？
火星的经度如何确定？
能建一个大型电磁轨道炮来发射卫星吗？
如何评价阿联酋的首个深空探测器「希望号」成功进入火星环绕轨道，有哪些意义和启示？
中国航天工作者如何看待太空探索技术公司（spaceX）的技术?
如何看待日本成功发射Epsilon-5型火箭?
怎样用最生动的语言和图片解释引力弹弓效应？
杨利伟降落地球后，为何再也没重返太空？ 如果杨利伟重返太空，为何不被喷成和年轻人抢机会？
SpaceX 2022 年初「星舰」发射计划受阻，可能是哪些因素导致的？
假如未来物理学不再出现重大突破，人类有可能以不超出现在科技水平太多的方式进行星际殖民吗？
航空航天器械不允许拧错一个螺丝钉，这不恐怖吗？
如何看待航天博士刘从新「战死沙场」？
如何看待 SpaceX 星舰 SN8 试飞失败，升空后着陆爆炸？有哪些突破和意义？
中国航天会和太空探索技术公司（SpaceX）竞争吗？有能力与它竞争吗？
为什么航天待遇这么差，还有人乌泱乌泱的来？
马斯克称电动汽车续航里程过高没意义，你同意他的看法吗？
为什么航天待遇这么差，还有人乌泱乌泱的来？
如果你是卫星设计师，你最想用卫星去实现什么功能？
中国航天工作者如何看待太空探索技术公司（spaceX）的技术?