【斌哥论箭】发动机循环预冷——让新一代运载火箭发射更从容！

我国新一代运载火箭的“新一代”应该说在动力系统上表现得可谓极为充分和淋漓尽致！四型主力发动机不仅全为新研制，涵盖了常说的三种动力循环方式（燃气发生器循环、补燃循环、膨胀循环），且为全低温发动机（液氢/液氧组合和液氧/煤油组合）。...



我国新一代运载火箭首飞在即，备受国内外的广泛关注！作为两型全新研制以全低温为显著特点的液体运载火箭，在如此众多关注之中，我理解至少饱含着两种期盼：其一，历经几十载，我们潜心锤炼的新一代运载火箭，通过优化设计、采用大量新技术后获取的新能力到底如何？其二，面对如此大体量低温系统的爆发式应用，我们对于发射组织过程的驾驭情况又是如何？纵观国外低温火箭发射中推迟频繁发生的现实，就不难理解：前者是能力，后者同样是能力！火箭不应是温室里花朵，而更应是风雨中的雄鹰！这里的“雄鹰”指的就是火箭要具备强的适应环境的能力！

在如此众多的适应环境的新设计中，相对于以往国内在役型号，全面低温的特点使得其中有一项技术就显得格外引人侧目，且尤为熠熠生辉──预冷技术！本文就对此项技术进行简要描述。

说预冷，就不得不先谈一下火箭动力系统！

从一般的认识来看，每每提到运载火箭的动力系统，我们大多数人脑海里很自然闪现出来的就是那熊熊烈焰中推着火箭拔地而起、腾飞天际的发动机！没错！那颇具撼天之力的发动机肯定是动力系统的一部分，而且是决定火箭整体性能以及能否成功飞行的重要部分！但事实上，除了发动机外，液体运载火箭动力系统还有一个同样非常重要的分系统，常称为增压输送系统。

那它是干什么的呢？

用一句比较拗口的话来说：增压输送系统实际就是保障发动机在该正常工作的时候能够正常工作的系统（当然，发动机自身工作不正常不计入此列！），或者，换句话说，发动机能否正常工作，除了自身的因素外主要就是由这个系统来决定！要知道，发动机工作一般也就几百秒，但增压输送系统在整个发射阶段、飞行阶段自始至终在工作，而且是各方各面的工作！下面再具体点儿：

发动机工作需要用到的推进剂，增压输送系统会协同地面的推进剂加注系统平稳、顺畅地将推进剂运送到火箭贮箱中，并进行停放冷却至适合发动机工作需要的温度；发动机工作需要用到的各种气体，增压输送系统会协同地面供配气系统分门别类、稳定供应；发动机工作需要的环境温度，增压输送系统会协同地面供配气系统通过送入热/冷气体（取决于发动机需要的环境）来保障；发动机工作需要供给推进剂，增压输送系统会通过输送管路和箱底出流装置源源不断送入；发动机正常工作需要保证的入口压力，增压输送系统会通过所设置的专项增压分系统来连续保证……

当然，低温发动机正常起动工作需要的温度条件，也是由增压输送系统来完成，这就是今天讨论的预冷系统！除了工作之外，相信我们每一个人都会有自己的一份爱好，有些人喜欢运动，踢踢球、跑跑步，有些人喜好文艺，弹弹琴、跳跳舞等等。或者出于为了让这份爱好发挥得更为充分、精彩些，或者出于对自己身体方面的保护，在之前我们往往都会进行一些提前的准备，譬如踢球的时候需要拉拉腿，活动一下筋骨以防运动损伤；唱歌的需要喊喊嗓子以免临场失声等等。我们基本上都将上述这些活动都叫做热身！

其实，火箭的发射也一样，为了让其能够顺利的飞行，同样也需要对其热热身、暖暖场，以确保发射时其状态可控，具备执行任务的条件。对于低温火箭而言，预冷就是这众多热身运动中非常独特且非常重要的一个！

这预冷成为了热身，这一冷一热主要还是取决低温发动机正常工作的需要！何谓预冷？顾名思义，就是预先冷却! 那么，为什么发动机需要预冷？原来在低温推进剂加注完成后，相对于低温推进剂，实际上此时处于常温状态的发动机就是一个热状态。如果按此状态下，将诸如液氧、液氢这样的低沸点推进剂送入发动机后，必将由于遇热而急剧汽化阻塞发动机，使得发动机根本就无法正常起动工作，也就更谈不上保障火箭成功起飞了！所以，对于全世界的所有低温发动机而言，为了确保其正常工作，都需要进行预冷！

是整个发动机都需要预冷？当然也不是，只需要对影响发动机起动工作的部分进行预冷！从当前的液体火箭发动机型式来看，主要也就是涡轮泵（涡轮驱动的泵，一般为离心泵）了！一般来讲，对涡轮泵预冷目的主要有两个：其一，保障涡轮泵充分冷却以减少汽化对离心泵的影响；其二，对于需要高速旋转的离心泵转子（主要轴承）进行预冷，以确保正常加载工作。

下图是从互联网百度中搜到的用于美国Atlas V火箭芯一级的俄罗斯RD-180发动机系统原理图。该发动机使用液氧/煤油的推进剂组合，其中煤油为常温推进剂，不需要进行预冷。需要预冷部分就是图中右侧标为绿色部分，即液氧流路。

预冷的本质就是用低温介质把影响发动机正常起动工作的涡轮泵冷却下来。为达此目的，在早期的探索中甚至出现过用有别于箭上低温推进剂的额外低温介质（如液氮、液氦）来进行“体外”预冷，但最终实践的结果只是证明其不仅复杂，而且确实没有必要！所以，发展至今，现在的低温火箭主要都是用自身携带推进剂来完成该项工作。

作为全世界低温火箭都必须面临的共性问题，目前来看，发动机预冷主流方式有两种：排放预冷和循环预冷（当然还有浸泡预冷!只不过其因为过于被动，不易满足预冷条件，导致实际应用极少，且也可当作是单管路内自己内部的循环预冷吧！），原理示意见下图。从上图来看，两种方式的大致机理看上去似乎都一致，表象上都是将推进剂流过所需要冷却的装置，只不过循环预冷多了与贮箱相连的管路（实际上这也是循环预冷之名所在，形成了回路！）。但在这表面相似之下是一系列的不小差异，主要有:

差异之一：对预冷用推进剂的处理方式不一致。排放预冷直接将预冷后推进剂排放出箭体外；循环预冷则将推进剂再次返回箭上贮箱，系统上多增加了一段回流管路。增加了回路，实际箭上推进剂消耗情况就不一样了！

  差异之二：预冷用推进剂量明显不一样。由于对于冷却所需的推进剂流量缺乏预先认识，为稳妥起见，传统的排放预冷通常采用相对较大的流量来进行，大部分都是在液相为主状态下通过发动机需要冷却的装置，即主要通过显热的方式来带走热量；而循环预冷，尤其是自然循环预冷，倾向于通过消耗推进剂蒸发潜热来带走热量。由于显热和蒸发潜热的巨大差异，导致对于推进剂量的消耗存在差异。不过，需要说明的是，严格来说这种差别也不算是两种方法本身就必须有的差别，主要源于系统较为复杂使得排放预冷难以实现对用量的合理控制，尤其要兼顾非增压状态下的停放和增压下倒计时阶段。

差异之三：推进剂流动形成的机理存在明显差别。排放预冷是通过利用液体自重（自流预冷）或者贮箱增压形成外力（增压排放预冷）推动推进剂流动；循环预冷则是要么通过流路管路中密度差导致重力差（下图中两侧管路设置上使得回路上的漏热量大些或者注入气体，使得其中推进剂密度减小！从而，在图中I-I 截面上静态液柱压力存在差异无法平衡而形成流动），要么使用诸如泵之类的流体输送装置来主动形成流动（强迫循环预冷）。

两种看似相同预冷的方式，实则存在巨大差别! 这种差别反映在对实际发射过程的影响中就尤为突出。总体来讲，排放预冷推进剂消耗量大，射前操作相对较多，且对起飞前箭地连接器有较高的连接需求，一旦脱落发动机回温较快，严重影响发射推迟适应能力，但优点在于箭上系统简化。反之，循环预冷，由于基本通过箭体自身内部来实现，对推进剂的消耗极少，发射组织中需要人为干涉的操作极少，且简化，并对起飞前箭地连接器是否脱落无明显要求，推迟适应能力大大提供，但缺点在于箭上需要增设相应的回路系统。

下图是美国原准备研制的Ares I 火箭上面级的预冷系统图。从图中可以清楚看出，该级采用了液氢/液氧推进剂组合，且无论是液氢路，还是液氧路均采用了循环预冷系统。

纵观当今世界范围内的主要低温运载火箭，由于低温特点导致火箭出现推迟的可能性大幅增加，为此，循环预冷技术也得到了广泛的应用，尤其是在地面起飞级！因为：循环预冷——让火箭发射更从容！ 我国新一代运载火箭的“新一代”应该说在动力系统上表现得可谓极为充分和淋漓尽致！四型主力发动机不仅全为新研制，涵盖了常说的三种动力循环方式（燃气发生器循环、补燃循环、膨胀循环），且为全低温发动机（液氢/液氧组合和液氧/煤油组合）。与之匹配的增压输送系统在设计之中也采取了大量适应低温火箭特性的新技术，其中之一就是普遍选择了循环预冷技术！

CZ-7和CZ-5火箭为全低温液体运载火箭，起飞时需要工作的发动机分别达到6台和10台，其中的任何一台出现预冷不到位均不能执行正常发射任务。因此，这样的特点就必然需要从事动力系统研制的科技人员要重点考虑发射的可靠性和对推迟的适应能力，否则本已不胜复杂的低温动力系统对火箭发射的制约和影响将越发显著。把雄鹰化为温室花朵，岂能是动力所为？

经过多年的研制，且通过2015年所成功开展的多次动力系统试车验证来看，相信该项技术显然是已经通过验证考核！也期待该项技术在即将到来的首飞之中，让新一代运载火箭更为从容的起飞！

    关注 星际航行