这个原理其实就像我们生活中常见的液化气钢瓶一样,由于液化气钢瓶内部的压力高达几十个大气压,而外界的压力却很低,所以液化气钢瓶仅仅依靠自身内部的压力,就可以将其所贮存的绝大部分燃气输送进我们的液化气灶。
上面这种依靠推进剂储罐自身压力将推进剂压入燃烧室的循环方式是一种最简单的气压式循环,我们可以将这种循环方式称为自压式循环,这种循环方式的的缺点显而易见,不仅加压能力非常有限,而且随着推进剂储罐内的推进剂的减少,储罐内的压力会随之急剧减小,当推进剂储罐内的压力和发动机燃烧室压力相等时,推进剂就无法再被送入发动机了,发动机工作也就随之停止了。
由于自压式循环的缺点太过明显,火箭研究者们很快就发明了一种效率更高的气压式循环,也就是我们所说的“挤压式循环”。
“挤压式循环”最大的进步之处在于,这种循环方式不再单纯依靠推进剂储罐本身的内部压力来给推进剂加压,而是在推进剂储罐之外设置了一个装着氮气或者惰性气体的高压气瓶,高压气瓶通过阀门和推进剂储罐相连。
挤压式循环发动机工作时,只需要将高压气瓶和推进剂储罐之间的阀门打开,高压气瓶中的高压气体就会流入推进剂储罐,使储罐内的压力升高,于是储罐中的推进剂就在高压气体的推挤下,被压进了发动机燃烧室。
由于挤压式循环用有独立的外部增压源,所以推进剂储罐内的压力可以保持相对稳定,增压效果的衰减速度不像自压式循环那么剧烈。再加上其结构简单,可靠性高的特点(相比泵压式火箭来说),使挤压循环火箭成为许多刚刚入手火箭设计的研究团队的首选入场券。本位面德国的a-1、a-2和a-*********压方式。
那么为什么戈达德博士和海伦娜要不约而同地抛弃这种简单可靠,且在之前的a-1、a-2和a-*********?原来,气压式循环归根结底是依靠推进剂储罐自身或者外部的高压气体作为压力源给推进剂加压的。,虽然挤压式循环要比自压式循环先进不少,但还是不可避免地撞上了气压式循环的“天花板”。
挤压式循环火箭的发动机在工作时,推进剂储罐内的压力必须高于发动机燃烧室,而高压气瓶里的压力又必须高于推进剂储罐,这样才能形成压力梯度,保证推进剂被正常压入燃烧室。随着火箭规模的扩大和燃烧室压力的提高,这会带来两个严重的问题:
第一个问题是死重太大,挤压式火箭的推进剂储罐和高压气瓶必须做得非常坚固,这就大大增加了火箭的结构重量,而且随着火箭规模的增大,推进剂加注量的增多,为了保证一直给储罐加压,无法参与燃烧的高压氮气或者惰性气体又必须带得很多,这就进一步推高了火箭的死重。
第二个问题是增压效果有限,我们知道,要提高火箭发动机的工作效率(也就是单位推进剂所能产生的冲量,简称“比冲”),除了提高火箭各部件的工作效率(包括合适的喷管)之外,最简单的方法就是提高推进剂的燃烧压力。而这恰恰是挤压式循环的软肋,因为如果你提高了燃烧室内推进剂的燃烧压力,你就必须设计更坚固的推进剂储罐和压力更高、体积更大的高压气瓶来与燃烧室内的压力对抗。达到某个临界值后,你将会尴尬地发现,发动机比冲提高给火箭带来的性能增益无法抵消死重增加的不利影响。
正是因为上面这两个固有缺陷,所以气压式循环火箭的性能天花板着实不是很高,戈达德博士和海伦娜都认为不应该再在挤压式循环的火箭上花费太多的精力(其实海伦娜认为挤压循环今后在火箭上面级以及姿控发动机上还是可以挽救一下的。)。经过a-1、a-2和a-3火箭的技术积累,海伦娜认为是时候在火箭领域开启一场涡轮泵压革命了!
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