每當(dāng)盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)擎舉著電子火箭從美如畫的新西蘭瑪希亞半島發(fā)射升空，伴隨著巨大的轟鳴聲，你應(yīng)該聯(lián)想到以下內(nèi)容寫不下去了，淦

電動(dòng)泵供發(fā)動(dòng)機(jī)是一種雙組元火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其中的燃料泵是電動(dòng)的，因此所有的輸入推進(jìn)劑都在主燃燒室中直接燃燒，沒有一種燃料被轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)泵。這不同于傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需要一股推進(jìn)劑去推動(dòng)渦輪的設(shè)計(jì)。電動(dòng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)使用電動(dòng)泵將推進(jìn)劑從低壓燃料箱加壓至高壓燃燒室，燃燒室室壓通常為0.2至0.3MPa至10至20MPa。這些泵由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由電池組供電。早在上世紀(jì)，電動(dòng)泵就已用于Agena的推進(jìn)系統(tǒng)。截至此文寫成，唯一使用電動(dòng)推進(jìn)劑泵系統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)。2018年1月21日，它推舉著電子號成為了第一個(gè)進(jìn)入軌道的使用電泵燃燒循環(huán)的火箭。

電泵燃燒循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)很明顯便宜、容易制造、比沖高。在JNO里電泵氫氧機(jī)居然能達(dá)到478s的比沖，在一個(gè)燃料兌空氣的游戲里已經(jīng)算是神的存在了。電泵燃燒循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，對材料的要求低，因此便宜，容易制造；而工質(zhì)被設(shè)計(jì)全部進(jìn)入燃燒室反應(yīng)產(chǎn)生推力，這是它比沖高的原因。電泵區(qū)別于傳統(tǒng)渦輪泵的區(qū)別就在于能量源，無論是燃?xì)獍l(fā)生器還是分級燃燒循環(huán)等等諸如此類傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī) ，有一部分工質(zhì)或加熱或點(diǎn)燃，形成高溫高壓流體去推動(dòng)渦輪泵，從而決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，比沖等一系列性能。分級燃燒和膨脹循環(huán)在工質(zhì)加熱或被預(yù)燃后再被補(bǔ)燃使其充分燃燒，幾乎可以達(dá)到完全利用；而開式膨脹和燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)形成的廢氣無法再次利用，充起數(shù)只能用來冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)部件，使其的性能無法比肩分級和閉式。

不只如此，但電泵發(fā)動(dòng)機(jī)還可以做到渦輪泵和燃燒室解耦，渦輪泵便于電控調(diào)節(jié)，可以深度節(jié)流。沒有高溫渦輪和燃?xì)獍l(fā)生器也是它結(jié)構(gòu)更加可靠，高溫下的各種密封問題在這里也得到了思路清奇的解決方案。

但是事物都有兩面性，電泵燃燒循環(huán)的缺陷也十分顯著。

沒有了渦輪泵，使其無法從工質(zhì)得到能量推動(dòng)渦輪泵旋轉(zhuǎn)，使它必須配套一組電池來維持電泵旋轉(zhuǎn)，而這一部分電池也會(huì)為火箭帶來一定的死重，尤其是對電子這樣的小型火箭則是致命的打擊。對此，電子號在接近點(diǎn)火結(jié)束前會(huì)拋掉一部分電池來減少死重，提升運(yùn)力；并大規(guī)模使用碳纖維技術(shù)，減少由儲(chǔ)箱結(jié)構(gòu)帶來的多余的重量。而電動(dòng)渦輪泵達(dá)不到能匹敵燃?xì)鉁u輪泵的轉(zhuǎn)速，也使電泵發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得不到充分的發(fā)揮。

電泵燃燒循環(huán)歷史久遠(yuǎn)，早在上世紀(jì)60年代，美國人就將電泵推進(jìn)系統(tǒng)安在阿金納上面級上，發(fā)揮了重要作用廢話。

而隨著高速電機(jī)和高能量密度（HED）電池技術(shù)的發(fā)展，基于電動(dòng)泵的循環(huán)系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前，美國電子火箭使用的盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)采用電動(dòng)泵加壓。在基于電動(dòng)泵的系統(tǒng)中，使用電機(jī)、泵和控制器代替基于渦輪泵的系統(tǒng)中使用的渦輪和泵。電機(jī)由電能驅(qū)動(dòng)，直接連接到泵上，為推進(jìn)劑加壓。在調(diào)節(jié)過程中，控制器用于調(diào)節(jié)電機(jī)和泵的速度，從而進(jìn)一步改變推進(jìn)劑的流量和出口壓力。與基于渦輪泵的膨脹機(jī)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，基于電動(dòng)泵的系統(tǒng)操作過程簡單?；跍u輪泵的系統(tǒng)和基于電動(dòng)泵的系統(tǒng)主要由空間互連的推力室、渦輪/電動(dòng)泵、閥門和輸送管組成。

總而言之，在電泵燃燒循環(huán)看似多快好省的背后則是商業(yè)航天以低成本高可靠性為目的的宗旨，電子號的成功則是這一宗旨的體現(xiàn)。最后希望我國商業(yè)航天能夠攻堅(jiān)克難突破技術(shù)難關(guān)，不愧為向上的力量！

參考文獻(xiàn)

Comparison between the dynamic characteristics of electric pump fed engine and expander cycle engine - ScienceDirectVolume 124,?May 2022, 107508?ChuangZhou?NanjiaYu?GuobiaoCai?JueWang

Studies on Electric Pump-Fed Liquid Rocket Engines for Micro-Launcher?April 2018Conference: Space Propulsion 2018

感謝知乎大佬Kyokuto?ncc21382 此文有部分引用其二位觀點(diǎn)

部分資料來源

Rocket Engine Cycles | Everyday Astronaut

https://space.skyrocket.de/

圖

@EGIKNUXX