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火箭發(fā)動機(jī)里的經(jīng)濟(jì)適用男,液氧甲烷發(fā)動機(jī)( 六 )

甲烷云知道


甲烷發(fā)動機(jī)燒的是天然氣嗎？學(xué)過中學(xué)化學(xué)的人都知道，天然氣中的主要成份一般是甲烷，甲烷可以從儲量豐富的天然氣中獲取，因此成本相對其他推進(jìn)劑具有優(yōu)勢 。但將航天級液態(tài)甲烷和液化天然氣相提并論卻是完全錯誤的，所有的天然氣都是混合物，其中混有大量的雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)都是必須要去除的 。世界各地開采的天然氣，其甲烷體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)都不相同，一般混有不等的丙烷等其他烴類，而加注進(jìn)火箭的必須是高純度甲烷 。
在所有雜質(zhì)中最需要去除的是硫，而幾乎所有的天然氣中都含有一定量的硫 。而硫具有腐蝕性，研究表明，只要甲烷推進(jìn)劑中含有1ppm（百萬分之一）的硫，就會導(dǎo)致再生冷卻結(jié)構(gòu)的銅合金腐蝕，因此必須要將含硫量控制到很低的水平 。如果對1ppm沒有概念的話，可以比較一下最常見的RP-1煤油，其含硫量只要求不超過50ppm，而蘇聯(lián)為了研制高壓補(bǔ)燃煤油機(jī)，也只不過就是將含硫量控制到了20ppm以下，而甲烷如果做成火箭推進(jìn)劑還要再降低兩個數(shù)量級 。
這是被取消的“星座”計劃中“牛郎星”登月艙的下降段模組，實(shí)際上NASA計劃在“牛郎星”的下降級和上升級發(fā)動機(jī)上都采用液氧/甲烷方案這里順便要提一下的是液氫的來源 。大家都知道，電解水可以獲得氫氣和氧氣，而電解飽和氯化鈉水溶液可以獲得氫氣、氯氣和氫氧化鈉 。用這兩種方法都可以獲得氫氣，經(jīng)過壓縮后就可以獲得液氫，這也是制備液氫燃料的傳統(tǒng)方式 。
但是隨著石化和煤化工業(yè)的發(fā)展，這兩種高耗能的方式已經(jīng)不受歡迎 。在裂解石油和生產(chǎn)烯烴過程中可以收得一定的氫（主要用于各種煉化和石化產(chǎn)品的加氫精制），而利用水煤氣反應(yīng)凈化除一氧化碳后也可以獲得氫，這兩種方式可以用更低的成本獲得更大量的氫 。其實(shí)，石油與天然氣的煉化一體化和煤化工（包括利用高爐氣）也能生產(chǎn)甲烷，這是直接分離精制天然氣之外的另一大甲烷來源 。
但總而言之，天然氣要加工成合格的火箭燃料是很復(fù)雜的，至少要經(jīng)過凈化脫硫程序 。當(dāng)然，除了純甲烷發(fā)動機(jī)，國外也的確有液化天然氣（LNG）發(fā)動機(jī)的研制，但這種液化天然氣絕對不能和市售鋼瓶裝的那種產(chǎn)品相提并論 。雖然新聞報道宣告，甲烷發(fā)動機(jī)的首次試驗(yàn)全面驗(yàn)證了該發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)志著我國在發(fā)展先進(jìn)火箭推進(jìn)技術(shù)方面取得了重大突破，但這更多地只能看作一種鼓舞士氣的宣傳，而非真實(shí)的科研進(jìn)度 。
更直接一點(diǎn)，從來就沒有一次試車便告成功的發(fā)動機(jī)，此前的50噸級氫氧機(jī)和120噸級煤油機(jī)不是，現(xiàn)在的60噸級甲烷機(jī)同樣也不是 。事實(shí)上，火箭發(fā)動機(jī)研制過程中，絕大部分成本都耗費(fèi)在了試車過程中，在那一縷青煙中無數(shù)金錢被消耗掉，用燒錢來形容一點(diǎn)都不為過 。從國內(nèi)外的普遍經(jīng)驗(yàn)來看，從歷史上來看，整個火箭發(fā)動機(jī)研制成本的大約75%花費(fèi)在“試驗(yàn)/失敗/修改”（TFF）這一過程中，臺架試驗(yàn)并不僅僅是燒掉了那么多高能燃料那么簡單，需要更具試車中暴露出的各種問題反復(fù)優(yōu)化工作參數(shù)和改進(jìn)發(fā)動機(jī)設(shè)計 。
一旦出現(xiàn)預(yù)期之外的技術(shù)問題就需要修改設(shè)計，而每一個經(jīng)過修改的設(shè)計都要重做試驗(yàn)以證明有效，這些都會帶來成本 。如果技術(shù)問題短期內(nèi)無法被克服，輪番更換不同的解決方案不僅會使試車遷延日久，砸進(jìn)去的金錢會像流水一樣，而這些研制過程中發(fā)生的成本，最終會攤到采購成本和發(fā)射費(fèi)用上去 。一些成本高昂的經(jīng)典發(fā)動機(jī)，例如“土星”V的F-1、航天飛機(jī)的SSME等，都是因?yàn)樵谠囓嚂r暴露出各種預(yù)想之外的嚴(yán)重問題，然后對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了許多大改動所致 。

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