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研究种类： Rocket
原文作者: Claire Percival
贡献者：xinyang309@DAOrayaki
原文: Engine Cooling – Why Rocket Engines Don’t Melt
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引擎燃烧室内的高温气体可以达到约3500K，这已经是太阳表面温度的一半，可以轻松熔化大多数材料。这个温度是保证发动机正常工作所必须的，但为什么没有烧坏发动机呢？通过这篇文章，你会了解发动机冷却技术如何保护火箭的发动机不被熔化。
火箭发动机各部分温度和主燃烧室的温度对比示意图。(Credit: Everyday Astronaut)
1散热器
燃烧室的顶部是喷注器。这里，燃料和氧化剂以超高压被泵入，在腔体内混合后开始燃烧。只要泵送不中止，推进剂就会持续燃烧产生推力。问题是，金属做成的腔体，何以在高温气流冲刷下，没有熔化呢？
发动机喷注器表面渲染图。推进剂被混合后在燃烧室内燃烧并释放不可思议的热能。(Credit: Everyday Astronaut)
选项之一，把腔壁做得非常厚，这样高温气流无法完全穿透金属层，使之熔化。这里，腔壁起到散热器的作用，相当于大型的导热体，能在一段时间内对抗高温，直到整个金属导体达到熔点。使用特殊材料，比如铬镍铁合金或其他合金，可以满足这一要求，经受住高温考验。
然而，散热器有几大缺陷。其一是重量，当我们建造火箭时，限制重量是极其重要的，但是额外的厚重腔壁，将不可避免增加很多重量。其二，因为金属整体最终会到达熔点，所以发动机的工作时间有限。
只使用散热器的发动机渲染图。除了能承受燃烧高温的足够厚的壳体外，没有使用其他冷却手段。(Credit: Everyday Astronaut)
这就意味着，散热器方案不太适用于需要连续工作数分钟的主推进引擎。不过，这也许可以用在机动推进引擎上面。相比主推进引擎，机动推进引擎工作时间要远短得多，而且常常是脉动式的，每次启动前，都留有时间，使得发动机有机会冷却。
2燃料氧化剂比率
还有一个防止发动机熔化的选项是，使用富油或者富氧的组合来运行发动机——同样也能降低主排气口温度。我们使用燃料/氧化剂质量比值来表示。
如果有人想让推进剂充分燃烧殆尽，你需要按照它们的化学计量比来烧才行。化学计量比是指，所有的燃料和氧化剂充分反应燃烧，不留下任何残余。这意味着每个分子中的全部原子，都和其他原子充分反应、完全燃烧。这样做的结果是，你能最大化地释放出化学键中的热量。在一些情况下，完全燃烧很棒，但对火箭发动机来说，情况并非如此。
化学计量比下燃料和氧气质量比例的图表，产生的极高温度足以摧毁发动机。(Credit: Everyday Astronaut)
正常来说，火箭发动机的燃料氧化剂比率稍稍偏离化学计量比。发动机的主燃烧室倾向于运行在富油状态，这会带来更低的热负荷，以及更高的效率。
你也可以使用预燃室或燃气发生器的富油方法来冷却，这很重要，因为在涡轮转动的时候，冷却是很困难的。根据使用材料不同，涡轮能承受的热量不同，燃料氧化剂比率也要适当调整。涡轮可以设计成适应富油或者富氧燃烧，美国航天飞机的主发动机就是富油设计，苏联的NK-33发动机，则使用富氧闭环预燃室技术。
3烧蚀冷却
烧蚀冷却是最简单有效的冷却发动机的方式之一。这种方法下，使用的材料能被气化剥离，并带走热量。通常会使用熔点极高的碳复合材料。
这是大多数飞船隔热罩都会使用的方案。当一艘飞船返回大气层时，会产生极高的温度，隔热罩可以吸收、并通过气化带走这些热量，防止热量进一步穿透飞船。
碳复合层作为烧蚀层，起到隔离主燃烧室和金属腔壁的作用，同时吸收热量并升华。(Credit: Everyday Astronaut)
同样的原理也可以用于冷却火箭发动机。在燃烧室和喷管内壁也有一层碳复合材料。当推进剂燃烧时，碳材料层会缓慢剥离。该方法不需要移动部件，并且自动调节。这使之成为非常有效、可靠的发动机冷却方案。
但该方法也有自身的限制，最明显的就是，采用这种冷却方案的发动机无法重复利用。一旦腔壁烧蚀材料烧光，一些发动机甚至无法通过全测，更别说投入使用。这当中最著名的，要属阿波罗登月发动机了。因为直到它在月球上被点火、准备带宇航员回家之前，它都无法作为一个整体来提前测试一遍。
烧蚀冷却发动机，随着烧蚀层不断消失，颈部不断扩大，性能逐步降低。(Credit: Everyday Astronaut)
其他烧蚀冷却发动机的例子，包括SpaceX的第一个梅林发动机，梅林1A——用在猛禽1代前两次飞行中，以及联合太空联盟的德尔塔四代发动机，RS-68A。我们很容易看出RS-68A使用了烧蚀冷却，因为它使用的是氢氧燃料，所以正常来说，只会排出和航天飞机一样的透明水汽。然而，RS-68A排出的气体是亮橙色的，这是因为气化剥离的碳，不断和大气中的氧气作用而形成的。
有一种小型发动机，反应控制推进器，也使用了烧蚀腔壁，这种发动机的推进剂和自身寿命都很有限。这意味着工程师只需设计合适厚度的腔壁，帮助它完成使命即可。
4再生式冷却
再生式冷却是防止火箭发动机熔化的最常见的方法。这种方法通过让部分或全部的推进剂，在经喷注器喷射前，流经燃烧室壳体和喷管。虽然喷管和火箭发动机的壳体看着很薄，燃料可以流经并使其保持冷却。
再生式冷却发动机将推进剂泵入发动机壳体的细长管道，吸收通过主燃烧室和喷管金属内壁传导的热量。(Credit: Everyday Astronaut)
这种方法的发明是一个重大突破，因为它使得火箭发动机能在更大程度上重复利用。早先版本的再生冷却发动机，包括一个主腔室和一条环绕在发动机外面的管道，管道设计给冷却剂或燃料通过。之后的版本，很多直接把管道设计为燃烧室壳体。当中的一个例子是RL-10发动机，用的是传统的钎焊管结构。
如今更通用的做法是，在喷管壳体里切一个冷却槽，然后使用铜或镍的合金封住，作为内壁。铜和镍合金有高热传导系数，能把热量更好地传导给冷却剂。
降落中的SN8星舰，由于燃料不足，导致富氧燃烧（接近化学计量比），烧掉了发动机内壁的铜，产生绿色火焰。(Credit: Everyday Astronaut)
这个方法，意味着燃料在到达腔室前可能会沸腾。这个过程有时候可以用于带动涡轮泵，用膨胀循环的方式保持发动机泵机运行。这个循环，利用了燃料从液态变成气态的热膨胀产生的能量，使泵机旋转。
大多数发动机利用燃料作为冷却剂，但氧化剂也是一个可选项。将低温推进剂用于冷却，能使火箭在内部温度极高的情况下，外壁温度却极低。
再生式冷却的挑战之一是，管内的压强必须高于燃烧室的压强。这是因为，在这种设计之下，管道最终导向喷注器，而压力总是从高向低处流动，所以喷注器处的压强必须要高于燃烧室的压强。
当薄薄的腔壁被作用于超高压时，不难想象泄漏发生的可能。幸运的是，因为管内压强高于燃烧室，如果出现缝隙，就当是额外的气膜冷却了。
5气膜冷却
气膜冷却是接下来一个常用的发动机冷却方法。气膜冷却是指，在燃烧室和喷管表面、以及高温燃烧气体之间，喷射一层流体。该流体可以是气态或者液态，所以液态或气态的推进剂就可以充当。这么做的目的是在腔壁和高温燃烧气体之间，用温度低得多的流体建起一堵墙，起到隔热的作用。
气膜冷却的发动机，最外圈的喷注器喷出富油推进剂，在燃烧室和腔体之间，由于缺乏氧化剂没有燃烧的燃料成为隔离层。(Credit: Everyday Astronaut)
气膜冷却的最简单方式是，让最外圈的喷注器，喷射较高浓度的燃料或氧化剂。由于主流的燃烧室采用富油设计，通常使用燃料来充当这一角色。于是，外圈一层多出的燃料不会有充足的氧化剂与之反应，也就意味着，最外圈的这一层富油燃烧，可以将中间燃烧气体的高温抵挡在腔壁以外。
靠近腔壁的燃料，因氧化剂缺乏，大部分不参与反应，实际上沿着腔壁形成一层薄膜，隔绝了燃烧气体。然而，这层薄膜也可能因为相变从液态变为气态，形成蒸汽边界层，然后继续吸收热量，因为从液态到气态的相变过程，会不断吸热一定的热量。
再生式冷却发动机在像颈部这样的热点区域也采用了气膜冷却，将颈部的推进剂喷射出来以降低热负载。(Credit: Everyday Astronaut)
也有使用再生冷却，同时通过在管壁上钻孔，释放少量液体燃料形成气膜冷却的做法，通常用于热点区域，比如发动机的颈部。
使用燃料作为冷却剂的一个优势是，当我们使用基于RP-1的碳基燃料时，腔壁会附着一层焦化的碳层。在富油燃烧时，很多没充分燃烧的碳会形成烟灰。你在梅林发动机的燃气发生器产生的尾气就能看到。SpaceX在这个燃气发生器上使用了富油燃烧，以保证涡轮不因温度过高而熔化。结果就是，整个排气管都是黑不溜秋的。这层烟灰也会附着在燃烧室的内壁。当然，如果烟灰粘附在喷注器或者冷却孔，是不太妙，但是粘附在燃烧室内壁的烟灰可以充当额外的隔热层。
Firefly公司的CEO Tom Markusic脸上挂灰。这来自Reaver发动机内壁上作为隔离层的烟灰——也能帮助降低热负载。(Credit: Everyday Astronaut)
梅林发动机的燃气发生器产生的废气也可以用于气膜冷却一些喷管。这里说的是真空版的梅林发动机，因为海平面版梅林发动机，废气是直接排放的。真空版的梅林为了适应真空环境，涡轮机废气被泵入喷管扩展件。由于喷管过了颈部之后扩大，而排放的气体通过路程越长，温度逐渐冷却，压强随之变低。当废气被泵入时，它需要在喷管里通过足够长的距离，所以压强比燃烧室排放气体的压强更高，但同时涡轮机废气形成的气膜冷却也可以使喷管与高温隔离，因为过了颈部之后，再生式冷却通常不采用了。
除了真空板的梅林发动机，这种设计也出现在土星5号、F-1和J-2这些使用了涡轮机废气形成的气膜，来使得喷管下半部分冷却的发动机上。其中，J-2在涡轮排气歧管之下部分依然使用了再生式冷却，而F-1在涡轮排气歧管处就已经停用再生式冷却，因为气膜冷却对于防止喷管熔化已经足够了。
从F-1发动机运行时可以明显看出效果。亮橙色的火焰的前部并不是从喷管尾部开始出现，而是在喷管和火焰之间有一层黑色部分，这就是涡轮机废气形成的气膜冷却。因为使用了高比例的富油燃烧，燃料无法立即接触到氧气，而是等到离开发动机，开始和大气中的氧气接触的时候，才燃烧并喷发。
6辐射冷却
SpaceX的真空版梅林发动机和火箭实验室（Rocket Lab）的真空板卢瑟福发动机，运行时喷出的是明亮的红光，这是因为金属受热并将温度辐射到太空中。由于太空中没有大气层，没有气体来传导或对流热量。这时，发动机可以采用辐射方式把热量从喷管带走，因为辐射不要求介质，就像太阳光可以穿过宇宙真空，以辐射方式带来热量。
真空优化版的梅林和卢瑟福发动机，使用的都是一种很薄的金属，通常是铌合金或类似的合金，足以承受高热负荷。这种喷管延长器的缺点是薄且易碎。不仅如此，铌对氧气非常活泼，所以这种发动机其实只能在真空环境下使用，制作工艺也更复杂。
7总结
我们只需要看着真空版梅林发动机，就足以总结发动机的冷却方法，因为所有方法它几乎都有采用：
燃气发生器使用了散热器和高比例富油排放。之所以这么做，是因为其他冷却方式无法应用于旋转的涡轮泵。因此，工程师必须采用耐高温金属，同时降低排气温度，才能满足要求。
再生式冷却用于冷却燃烧室内壁，喷管的颈部和第一部分。气膜冷却也有应用。燃气发生器的废气，在再生式冷却管道终止的地方，从喷管扩展件喷出，形成了气膜冷却。不止如此，喷管扩展件通过使铌合金烧成亮橙色，将额外的热量辐射出去。
真空优化版的梅林发动机似乎没有使用烧蚀冷却，但是由于二级火箭仅使用一次，发动机其实也可以使用烧蚀冷却，如果有必要的话。
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