神器又双叒一项创新突破：火箭可回收“神器”—针栓式喷注器试车成功火箭|突破|推力|神器|回收|创新

来源 LANDSPACE蓝箭航天
近日，蓝箭航天液氧甲烷针式喷注器试车取得圆满成功，这也是国内第一个通过充分热试车验证的液氧甲烷针栓式喷注器。

文章插图

众所周知，要成功研发一枚可回收运载火箭，首先要拥有一型可以大范围调节推力的火箭发动机，而针栓喷注技术，则是发动机实现深度变推力的核心技术之一。

自从上世纪七十年代问世以来，针栓喷注技术一直被广泛应用于月球下降发动机上。SpaceX公司成立后，CTO 汤姆·穆勒将针栓式喷注器技术首次运用在运载火箭主发动机-梅林系列发动机上，这也是梅林发动机的主要创新之一。10多年来，由于梅林发动机喷注器简洁的结构，良好的燃烧稳定性，易于实现变推力，为Spacex猎鹰火箭多次回收复用提供了强有力的动力支持。

与传统直流式及离心式喷注器相比
针栓式喷注器具有以下特点：

实现深度变推力，助力火箭回收

通过移动针栓，可同时改变氧化剂及燃料流通面积，稳定各工况下氧化剂及燃料喷注压降，理论上可实现额定推力到零的变推力，为火箭可回收提供动力解决方案。

结构简洁，成本低

针栓式喷注器有由壳体、心筒、中心杆及平头四个零件组成，而直流式及离心式喷注器喷嘴数量从几十个到数百个，从而大幅降低成本。

良好的燃烧稳定性

在公开资料中，针栓式喷注器从未出现燃烧不稳定性这一发动机世界性难题。

将针栓式喷注器运用在液氧甲烷发动机上，也是蓝箭航天的工程师们一直在攻克的技术难题。但是，液氧甲烷针栓喷注器在国内属于全新的领域，甲烷工作在超临界状态，类似于“液-汽”喷注，难度极大。

此外，在工作过程中甲烷温度的升高，会导致密度从440kg/m3降低至20kg/m3，喷注速度从30m/s提高至140m/s，产品喷注雾化状态会发生急剧改变，因此该参数选择稍不合理燃烧效率较低，甚至发生烧蚀。

文章插图

前期烧蚀情况

经过蓝箭工程师们的努力，终于攻克了种种困难，最终取得了标志性成果。本次试车，产品累计点火230s，其中长程试车200s，产品燃烧效率达97?上，最大振动20g，试车过程中参数平滑，未发生烧蚀，达到工程实用水平。另外，本次试车还进行了燃料路超低喷注压降（0.1MPa）试车，未发生燃烧不稳定现象，再次证明了针栓式喷注器良好的燃烧稳定性。

文章插图

试车后喷注器情况

文章插图

试车曲线
本次试车成功标志着：
蓝箭航天在国内率先掌握了液氧甲烷发动机深度变推力核心技术，该技术可使天鹊发动机推力变化范围大幅扩大，为朱雀二号火箭可回收提供更优秀的解决方案；
蓝箭航天将该技术移植于天鹊80吨液氧甲烷发动机喷注器上，将大幅降低发动机成本；
该技术作为现有航天技术的有益补充，为星球着陆下降级发动机提供了另一种技术选择。
科普小贴士

【 神器|又双叒一项创新突破：火箭可回收“神器”—针栓式喷注器试车成功】针栓喷注器——发动机深度变推力神器

针栓式喷注器起源于一些早期试验室装置，1960年，TRW开始研制针栓式喷注器，其设计专利直到1972年才公开发表。在其后40年间，TRW至少有60种发动机进行了热试车，推力范围从22N到290t，其中最著名的发动机是阿波罗载人登月下降级发动机LMDE，其推力变化范围4.7t~0.47t。

与直流撞击式、离心式喷注器不同的是，前两种喷注器介质流通面积固定，推力变比的极限在2.5:1，范围再扩大低工况由于喷注压降的降低，会出现低频不稳定燃烧；而针栓式喷注器可通过移动喷注器的部件，同时改变氧化剂及燃料的喷注面积，控制住各个工况燃料及氧化剂的喷注压降，因此是深度变推力发动机喷注器技术方案的最佳选择。