别不可思议！用石蜡驱动火箭还挺实用

时间: 2024-06-21 15:45:47 |   作者: 新闻中心

  随着慢慢的变多的新势力进入航天领域，航天界的新鲜事可真是屡见不鲜。近日，又有一家来自德国的火箭初创公司成功“出圈”了。此公司计划采用大家熟知的用来制造蜡烛的原材料石蜡作为火箭燃料，生产一种新型的混合火箭推进系统，并将其用于亚轨道火箭和微型运载火箭上。这听起来是否有些不可思议？其实，这样的形式还挺实用的

  这家来自德国的火箭初创公司叫混合动力公司，目前拥有60名员工，是一支由来自德国、其他欧洲国家和印度的员工组成的国际团队。

  事实上，混合动力公司创始团队开发和测试火箭的时间能追溯到10多年前。那是2006年，当时的首席执行官马里奥·科博尔德还在斯图加特大学做研究工作，他与现在领导的管理团队在学校里参与了一项固液混合火箭发动机的开发项目。这个由4名发明家组成的团队于2016年发射了一枚以固液混合火箭发动机作为动力的、名为“英雄3”的探空火箭，达到了32.3公里的飞行高度，创造了固液混合动力火箭的飞行高度世界纪录。此后，他们4人在德国航空航天中心位于兰波尔豪森的发动机试验设施化学推进中心做测试工程师，开展混合推进和涡轮泵研发技术工作。

  2018年，他们从欧盟委员会拿到一笔250万欧元的拨款，用以推进其研发技术工作。与此同时，慕尼黑技术大学教授、德国科技公司IABG董事会主席鲁道夫·施瓦茨提供了进一步投资。这4位创始人离开德国航空航天中心，创建混合动力公司，专门从事固液混合动力火箭的研发工作。

  2020年7月15日，混合动力公司参加了一个由德国航空航天中心牵头组织的小型运载火箭有奖竞赛项目。2020年11月3日，混合动力公司与另外两家公司一起成为第一轮优胜者，获得欧空局50万欧元的资助，用于一型三级固液混合动力运载火箭的设计和地面开发。这是一项三阶段的竞争性发展计划，优胜者将获得由德国联邦经济事务和能源部以及欧空局“助推”计划提供的总额高达2500万欧元的资金。

  尽管在2021年的最终竞赛中，混合动力公司并未获得胜利，但这个年轻的研究团队并没有因而气馁，依然保持其愿景，即提供多次、可靠且低成本的太空运输渠道。

  虽然受到新冠疫情的干扰，但目前混合动力公司已完成其SR75亚轨道单级火箭首发前的总装集成工作，并获得了2023年12月1日～2024年11月30日之间在苏格兰萨克萨沃德航天港进行首次飞行试验的许可。

  混合动力公司所开发的运载火箭基于固液混合火箭动力，这是一种不同于传统液体火箭动力系统和固体火箭动力系统的独特火箭发动机。

  传统的液体火箭动力系统，其氧化剂和燃料分别以液体的形态贮存于各自的贮箱之中。在工作时，它们流入液体火箭发动机燃烧室内，发生化学反应，产生高温度高压力燃气，通过喷管喷出后产生推力。

  传统的固体火箭动力系统，其氧化剂和燃料以固体的形态混合在一起，形成宏观上均质的推进剂固体药柱。它们直接贮存于固体火箭发动机的燃烧室内。在工作时，固体药柱表面被点燃，产生高温度高压力燃气，通过喷管排出产生推力。

  固液混合动力系统则兼顾了液体动力和固体动力的特点。固液混合动力系统的氧化剂一般为液体形态，贮存于氧化剂贮箱内；其燃料则一般是固体形态，被制作成固体药柱，浇铸在火箭发动机燃烧室内。工作时，液体氧化剂被喷射进入燃烧室内的燃料药柱表面，与药柱表面受热分解产生的燃料气体发生化学反应，产生高温度高压力燃气，用喷管喷出，产生推力。

  由于固液混合火箭发动机的氧化剂和燃料是分开贮存的，它比固体火箭的安全性更好。另外，由于氧化剂的喷注是可控的，使得固液混合火箭相比于固体火箭，获得了更为灵活的开关可控特性。除此以外，相对于液体火箭动力系统，固液混合火箭能够正常的使用继承自固体火箭的燃烧室、喷管等热结构，总系统更简单、可靠、廉价。

  混合动力公司正在研制的基于固液混合火箭发动机的SL1运载火箭是一型三级运载火箭，能把400公斤有效载荷送入距离地面500公里的太阳同步轨道。

  值得注意的是，尽管该火箭的每一级都使用了多台火箭发动机，但其每一级的氧化剂贮箱仅有一个，使用涡轮泵将液氧送入分离的多个混合燃料火箭燃烧室。火箭的每一级推进系统都非常相似，只是改变了发动机和涡轮泵的数量以及喷管膨胀比。这样，在大规模发射生产阶段来临时，混合动力公司便于组织批量化的生产线，进而减少相关成本、提高质量。

  混合动力公司采用固液混合火箭发动机的一大特色，就是使用了固体石蜡基燃料和液氧的混合推进剂模式。其中，石蜡作为人类所知的最古老的燃料之一，有望为固液混合火箭发动机带来前所未有的优势和希望。

  尽管固液混合火箭发动机有着一系列优点，但是几个缺点大大制约了它的应用步伐。

  一是燃料的退移速率低，导致难以获得更大的推力。传统固体燃料的低退移速率一直是困扰工程界的难题，为维持足够高的燃烧室压强，产生足够大的推力，固体燃料装药一般都会采用多孔构型，以增大燃烧表面积。这使得发动机直径加大，发动机工作结束后的残药较多，并且装药易于产生内部断裂，造成药块飞出等事故。

  而石蜡燃料在发动机工作时，其表面会熔化形成一层液体薄膜，在液体表面气流的作用下，进而雾化形成液滴，进入气相。液滴的引入极大增强了燃料的质量输运，从而大幅度的提升了表面退移速率。石蜡燃料的退移速率达到了传统固体燃料的3倍以上，使得固液混合火箭发动机可以很容易获得更大的推力。

  二是燃烧效率不高，导致比冲较低。测量石蜡基燃料的燃烧效率，能够达到85%～90%。通过在装药后部增加10%～15%装药长度的后燃烧室，燃烧效率可达到92%。测量石蜡基燃料与不同氧化剂组合下的比冲，在液氧条件下，线秒，已经与液氧煤油发动机比冲相当。若使用95%浓度过氧化氢作为氧化剂，比冲降低约10%。用一氧化二氮作为氧化剂，比冲则会降低约12%。

  固液混合火箭发动机还有一个缺点，就是容易遭受低频不稳定的影响，原因可能是燃烧室与液体氧化剂喷注系统耦合，也可能是内部流动的典型边界层燃烧行为。对于液氧来说，喷注系统的耦合性特别强，因为液氧从低温状态汽化需要的热量特别多，这就造成了所谓的氧化剂汽化滞后。汽化滞后会导致燃烧室压强振荡，峰值高达燃烧室平均室压的50%。混合动力公司开发了一种独特的液氧喷注系统，解决了初期试验中遇到的燃烧室低频压强振荡问题。

  未来，混合动力公司还设定了一项目标：到2030年，实现推进过程中的碳中和。这就从另一方面代表着，他们使用的石蜡燃料将利用空气中的二氧化碳合成而来。这值得人们期待。