火箭发动机里的经济适用男,液氧甲烷发动机( 六 )


甲烷发动机烧的是天然气吗?学过中学化学的人都知道,天然气中的主要成份一般是甲烷,甲烷可以从储量丰富的天然气中获取,因此成本相对其他推进剂具有优势 。但将航天级液态甲烷和液化天然气相提并论却是完全错误的,所有的天然气都是混合物,其中混有大量的杂质,而这些杂质都是必须要去除的 。世界各地开采的天然气,其甲烷体积分数和质量分数都不相同,一般混有不等的丙烷等其他烃类,而加注进火箭的必须是高纯度甲烷 。
在所有杂质中最需要去除的是硫,而几乎所有的天然气中都含有一定量的硫 。而硫具有腐蚀性,研究表明,只要甲烷推进剂中含有1ppm(百万分之一)的硫,就会导致再生冷却结构的铜合金腐蚀,因此必须要将含硫量控制到很低的水平 。如果对1ppm没有概念的话,可以比较一下最常见的RP-1煤油,其含硫量只要求不超过50ppm,而苏联为了研制高压补燃煤油机,也只不过就是将含硫量控制到了20ppm以下,而甲烷如果做成火箭推进剂还要再降低两个数量级 。
这是被取消的“星座”计划中“牛郎星”登月舱的下降段模组,实际上NASA计划在“牛郎星”的下降级和上升级发动机上都采用液氧/甲烷方案这里顺便要提一下的是液氢的来源 。大家都知道,电解水可以获得氢气和氧气,而电解饱和氯化钠水溶液可以获得氢气、氯气和氢氧化钠 。用这两种方法都可以获得氢气,经过压缩后就可以获得液氢,这也是制备液氢燃料的传统方式 。
但是随着石化和煤化工业的发展,这两种高耗能的方式已经不受欢迎 。在裂解石油和生产烯烃过程中可以收得一定的氢(主要用于各种炼化和石化产品的加氢精制),而利用水煤气反应净化除一氧化碳后也可以获得氢,这两种方式可以用更低的成本获得更大量的氢 。其实,石油与天然气的炼化一体化和煤化工(包括利用高炉气)也能生产甲烷,这是直接分离精制天然气之外的另一大甲烷来源 。
但总而言之,天然气要加工成合格的火箭燃料是很复杂的,至少要经过净化脱硫程序 。当然,除了纯甲烷发动机,国外也的确有液化天然气(LNG)发动机的研制,但这种液化天然气绝对不能和市售钢瓶装的那种产品相提并论 。虽然新闻报道宣告,甲烷发动机的首次试验全面验证了该发动机的关键技术,标志着我国在发展先进火箭推进技术方面取得了重大突破,但这更多地只能看作一种鼓舞士气的宣传,而非真实的科研进度 。
更直接一点,从来就没有一次试车便告成功的发动机,此前的50吨级氢氧机和120吨级煤油机不是,现在的60吨级甲烷机同样也不是 。事实上,火箭发动机研制过程中,绝大部分成本都耗费在了试车过程中,在那一缕青烟中无数金钱被消耗掉,用烧钱来形容一点都不为过 。从国内外的普遍经验来看,从历史上来看,整个火箭发动机研制成本的大约75%花费在“试验/失败/修改”(TFF)这一过程中,台架试验并不仅仅是烧掉了那么多高能燃料那么简单,需要更具试车中暴露出的各种问题反复优化工作参数和改进发动机设计 。
一旦出现预期之外的技术问题就需要修改设计,而每一个经过修改的设计都要重做试验以证明有效,这些都会带来成本 。如果技术问题短期内无法被克服,轮番更换不同的解决方案不仅会使试车迁延日久,砸进去的金钱会像流水一样,而这些研制过程中发生的成本,最终会摊到采购成本和发射费用上去 。一些成本高昂的经典发动机,例如“土星”V的F-1、航天飞机的SSME等,都是因为在试车时暴露出各种预想之外的严重问题,然后对发动机进行了许多大改动所致 。

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