液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)【航天科普1】
發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭的心臟，而循環(huán)方式?jīng)Q定了“心臟”的結(jié)構(gòu)
作者注：
本文章為了方便動(dòng)圖制作，所以所展示的發(fā)動(dòng)機(jī)加壓方式均為COPV加壓，使用的全部是錐形噴管，鐘形噴管工作方式與之同理
本文章使用了來(lái)自Everyday Astronaut的循環(huán)方式動(dòng)圖，在此附上原文鏈接：https://everydayastronaut.com/raptor-engine
擠壓循環(huán)
擠壓循環(huán)可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單的發(fā)動(dòng)機(jī)方法。推進(jìn)劑受高壓氣體擠壓，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，發(fā)動(dòng)機(jī)也沒(méi)有渦輪泵。?
擠壓循環(huán)最主要的優(yōu)點(diǎn)是避開(kāi)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的渦輪泵，可以大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本和復(fù)雜程度。但其缺點(diǎn)也很明顯：由于在火箭儲(chǔ)箱內(nèi)產(chǎn)生高壓將推進(jìn)劑“壓”入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，所以給予的壓力必須在火箭儲(chǔ)箱承受的壓力范圍內(nèi)，因此限制了COPV（Composite Overwrapped Pressure Vessel，復(fù)合材料纏繞壓力容器）或自加壓產(chǎn)生的壓力大小。這也導(dǎo)致，在一般情況下，擠壓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力要比除燃燒室壓力外，大小與其他各項(xiàng)指標(biāo)類似的泵循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力更小。
但這種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)十分輕便簡(jiǎn)單，易于制造，非常適合經(jīng)驗(yàn)不足而正在研發(fā)小型火箭的研發(fā)商。使用擠壓循環(huán)的最著名的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就是AJ-10-118K了，也就是Delta 2的二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。它雖然是同循環(huán)方式的真空發(fā)動(dòng)機(jī)中性能的佼佼者，但由于芯一級(jí)使用的RS-27(A)性能較差,再加上二級(jí)相對(duì)整箭來(lái)講"過(guò)小”，導(dǎo)致Delta 2的運(yùn)力并不算高。
燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)
燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)指的是使用少量推進(jìn)劑驅(qū)動(dòng)渦輪，從而驅(qū)動(dòng)氧化劑泵和燃料泵的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)方式。
在燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，COPV早已向燃料罐進(jìn)行加壓（這里有很多輔助方式，包括電動(dòng)啟動(dòng)、吹氣啟動(dòng)等等），部分燃料和氧化劑流入燃?xì)獍l(fā)生器，這時(shí)點(diǎn)火裝置啟動(dòng)。在燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火成功后，主體燃料早已進(jìn)入燃燒室，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，只剩點(diǎn)火。燃燒室點(diǎn)火裝置隨即啟動(dòng)，（也可以使用發(fā)射臺(tái)點(diǎn)火裝置，兩者并無(wú)太大異同，往后不再贅述）從而形成初步推力。以此循環(huán)，從而漸漸達(dá)到100%推力，可控閥門等部件開(kāi)始工作，限制燃料與氧化劑流入預(yù)燃室，然后可以在限定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)推力了。
燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單的泵循環(huán),其也被大多數(shù)私人航天企業(yè)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所使用。例如以下4個(gè)例子:
但燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)有個(gè)致命的缺點(diǎn)——比沖要比其他性能指標(biāo)和“個(gè)頭"大小相似的發(fā)動(dòng)機(jī)要低。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)渦輪需要讓少量推進(jìn)劑在燃?xì)獍l(fā)生器中燃燒，而大部分渦輪不能長(zhǎng)時(shí)間承受無(wú)冷卻情況下的高效燃燒。所以必須讓燃?xì)獍l(fā)生器中進(jìn)行"低效”燃燒。也就是說(shuō),讓燃料和氧化劑偏離最佳燃燒混合比,從而達(dá)到降溫的目的,但這也使本應(yīng)比分級(jí)燃燒循環(huán)更高的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的比沖驟然下降。
例如美國(guó)SpaceX Falcon 9 Block.5一級(jí)使用的Merlin 1D++和蘇聯(lián)N-1運(yùn)載火箭一級(jí)使用的NK-15相比，海平面比沖低了15s，真空比沖甚至低了20s。
注:假設(shè)開(kāi)式循環(huán)的燃?xì)獍l(fā)生器中燃料與氧化劑達(dá)到了最佳混合比，燃燒室、燃?xì)獍l(fā)生器的壓力等數(shù)據(jù)相同，那么燃?xì)獍l(fā)生器中會(huì)產(chǎn)生可觀的推力,在驅(qū)動(dòng)渦輪從而帶動(dòng)推進(jìn)劑泵的同時(shí)提供推力，這要明顯比分級(jí)燃燒循環(huán)中預(yù)燃室的燃燒只給渦輪和推進(jìn)劑的流速加速要高效的多。也就是說(shuō),在其他條件均相同時(shí)，如果燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)中的燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)的推進(jìn)劑按照靠近最佳混合比的混合比和與主燃燒室相同的壓力下進(jìn)行燃燒，那么就"相當(dāng)于"把渦輪放到了主燃燒室內(nèi)。但由于渦輪使用的合金無(wú)法在無(wú)冷卻的情況下長(zhǎng)時(shí)間承受這種高溫高壓，所以目前所有燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)的燃燒都是大幅偏離最佳混合比，且壓力不高。這就直接造成了-部分推進(jìn)劑沒(méi)有使用就被排放掉,既降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖,也間接影響了火箭的儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)增加了火箭的“死重”。因?yàn)槠x最佳混合比代表著火箭需要多帶一些氧化劑/燃料直接在燃?xì)獍l(fā)生器排放掉。這些“多”(這里的“多”指的是雖然多余卻必不可少)的推進(jìn)劑也間接增加了火箭的起飛質(zhì)量,只不過(guò)這些重量在飛行時(shí)不斷被“拋掉”罷了。
但這并不代表燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)。
雖然燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的廢氣"拖垮”了整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖,但是這些"廢氣”并不是毫無(wú)用處。雖然燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)的燃燒嚴(yán)重偏離最佳混合比,但是其也會(huì)產(chǎn)生一定的推力,這就可以在燃?xì)獍l(fā)生器廢氣噴口處做一些"手腳”,讓廢氣排放噴口的末端具有TVC ( Trust Vector?Control，推力矢量控制)能力，這也使類似Delta IV Medium這種只有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，沒(méi)有控制翼和偏置引擎的運(yùn)載火箭擁有了控制滾轉(zhuǎn)的能力，從此和螺旋升天說(shuō)"拜拜”。
其次，燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)由于大幅偏離最佳混合比導(dǎo)致的不充分燃燒，致使廢氣溫度相對(duì)較低,這并不是什么壞消息,這些廢氣還可以用來(lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī),典型的案例就是F-1發(fā)動(dòng)機(jī)和Merlin 1DVac++的噴管氣膜冷卻，利用這些較低溫的廢氣來(lái)冷卻噴管,達(dá)到充分利用這些廢氣的目的。
燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)是目前使用十分廣泛的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)方式的其中之一，一般來(lái)講，使用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造相對(duì)其他的泵循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更加簡(jiǎn)單、便宜。馬斯克甚至曾在Twitter.上說(shuō),使用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的Merlin發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本甚至可以低到大約100w美元。
電泵循環(huán)
電泵循環(huán)這類發(fā)動(dòng)機(jī)完美解決了擠壓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室室壓過(guò)低的問(wèn)題,使其推力相對(duì)更高。但致命的缺點(diǎn)就是：增加了死重。
眾所周知，火箭的干質(zhì)對(duì)火箭運(yùn)送的有效載荷質(zhì)量是直接相關(guān)聯(lián)的?；鸺囊患?jí)每減少約6kg的質(zhì)量，火箭的LEO運(yùn)載能力就會(huì)增加約1kg (具體情況需要看火箭的構(gòu)型、一級(jí)的燃燒時(shí)間與指標(biāo)、是否可回收等等，但除SSTO外，其他的火箭/多級(jí)空射火箭等均無(wú)法達(dá)到1:1的比值) ；而末級(jí)每減少1kg的不變干質(zhì)量(此不變干質(zhì)量不包括飛行過(guò)程中丟掉的質(zhì)量) ,就會(huì)使火箭在任何可到達(dá)的軌道上增加1kg的有效載荷。
但電泵擠壓循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)卻"反其道而行之”。
大家都知道，驅(qū)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的方式是消耗一小部分推進(jìn)劑。而有人就要說(shuō)了:“既然電泵循環(huán)省去了這些推進(jìn)劑,不應(yīng)該是強(qiáng)化了火箭的性能嗎?"
實(shí)則不然。燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)需要使用小部分推進(jìn)劑來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪,從而帶動(dòng)推進(jìn)劑泵的運(yùn)轉(zhuǎn)。而電泵循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)需要電來(lái)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)劑泵,但普通火箭根本就沒(méi)有那么多電量供發(fā)動(dòng)機(jī)的電機(jī)使用，所以必須額外附帶高密度電池供發(fā)動(dòng)機(jī)的電機(jī)使用。但現(xiàn)在的電池死重大，能量密度對(duì)于火箭來(lái)講還是太小，且電量多少對(duì)電池質(zhì)量的大小影響不大,所以導(dǎo)致“電泵火箭越大越拉跨" ,這也可能是Rocket Lab遲遲沒(méi)有推出新的大型火箭的原因之一罷。
Rocket Lab為了解決這一難題，想出了一個(gè)辦法:二級(jí)半路丟電池。也就是說(shuō)，電子號(hào)運(yùn)載火箭的二級(jí)把電池分成了一些電池模塊,其中有兩個(gè)模塊在發(fā)動(dòng)機(jī)旁外置且添加分離機(jī)構(gòu)。電子號(hào)的二級(jí)會(huì)先使用這兩個(gè)電池模塊的電量，用完后,切換至內(nèi)部電池模組用電,兩個(gè)電池模塊分離，從而達(dá)到減少死重的目的。
當(dāng)然，電泵的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的：更好的節(jié)流能力。使用電泵可以更好地控制推進(jìn)劑流量，從而控制推力的大小，這對(duì)于VTVL來(lái)講是非常友好的。但是，類似電子這種小火箭如果使用VTVL，那么對(duì)運(yùn)力的損耗會(huì)非常大，但上面也提到了，“電泵火箭越大越拉跨”，兩者互相矛盾，所以純電泵火箭雖然有這個(gè)優(yōu)勢(shì)，但又被其劣勢(shì)所“打垮”了。
電泵火箭的運(yùn)作原理也非常簡(jiǎn)單，就是把燃?xì)獍l(fā)生器換為了電機(jī)來(lái)帶動(dòng)推進(jìn)劑泵，其他的地方?jīng)]有什么本質(zhì)的區(qū)別。
分級(jí)燃燒循環(huán)
在預(yù)燃室中進(jìn)行第一次燃燒，再在主燃燒室中進(jìn)行第二次燃燒，造就了分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。
分級(jí)燃燒循環(huán)可以看作是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的一個(gè)進(jìn)階衍生物，解決了燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)推進(jìn)劑利用率較低的問(wèn)題（主要是指不再排放廢氣，提高了推進(jìn)劑的使用率），這也使發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖有了一定幅度的上漲。但分級(jí)燃燒循環(huán)隨之帶來(lái)的就是復(fù)雜的結(jié)焦（富燃分級(jí)燃燒循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)）和氣蝕（富氧分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)）問(wèn)題，因?yàn)檫@兩個(gè)問(wèn)題而引發(fā)的事故也并不是沒(méi)有。但解決這兩個(gè)問(wèn)題的辦法有很多。其中解決前者的方法之一就是使用質(zhì)量更好的煤油。蘇聯(lián)/俄羅斯大部分的發(fā)動(dòng)機(jī)都必須使用RG-1燃料（煤油燃料的一種，其純度要比RP-1高，硫含量更少），而用其他國(guó)家的煤油就“跑不動(dòng)”，強(qiáng)行測(cè)試甚至?xí)斜ǖ奈ｋU(xiǎn)。而后者通常需要采用更強(qiáng)大的合金，來(lái)抵御少量燃料與液氧燃燒帶來(lái)的超強(qiáng)氧化性。
但這分級(jí)燃燒循環(huán)并不是一點(diǎn)好處也沒(méi)有。以富氧分級(jí)燃燒循環(huán)為例，由于使用了富氧預(yù)燃室，其預(yù)燃室渦輪溫度會(huì)相對(duì)更低，溫控難度也相對(duì)較小。
以富氧單渦輪分級(jí)燃燒循環(huán)舉例。一般情況下，在點(diǎn)火前，儲(chǔ)箱會(huì)加壓至飛行壓力（飛行壓力指火箭在飛行的時(shí)候儲(chǔ)箱內(nèi)的壓力，一般情況下儲(chǔ)箱內(nèi)壓力波動(dòng)不大），在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始點(diǎn)火流程后，發(fā)動(dòng)機(jī)打開(kāi)閥門并啟動(dòng)，帶動(dòng)推進(jìn)劑泵以輸送推進(jìn)劑（一部分發(fā)動(dòng)機(jī)使用吹氣啟動(dòng)，當(dāng)然也有“自啟動(dòng)”等其他啟動(dòng)方法）。推進(jìn)劑流入發(fā)動(dòng)機(jī)（其實(shí)在大部分使用冷推進(jìn)劑的火箭發(fā)射前的時(shí)候，小部分推進(jìn)劑就已經(jīng)流入發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)防突如其來(lái)的大量推進(jìn)劑損壞發(fā)動(dòng)機(jī)）。其中所有的氧化劑和少量燃料會(huì)流入預(yù)燃室，剩余大部分燃料會(huì)直接/間接流入主燃燒室，氧化劑在流經(jīng)預(yù)燃室后，也將會(huì)到達(dá)主燃燒室，然后點(diǎn)火。
這其中最著名的例子就是以蘇聯(lián)/俄羅斯的RD-180為代表的富氧單渦輪分級(jí)燃燒循環(huán)，以美國(guó)的RS-25（Space Shuttle Main Engine，SSME）為代表的富燃雙渦輪分級(jí)燃燒循環(huán)和美國(guó)BE-4為代表的富氧單渦輪分級(jí)燃燒循環(huán)了。
注:其實(shí)類似RS-25這樣的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)非常嚴(yán)峻的難題:氫泵和氧泵的轉(zhuǎn)速差過(guò)大。所以大部分單純的同軸泵就無(wú)法滿足這一條件，必須加個(gè)部件才能解決這個(gè)問(wèn)題，沒(méi)錯(cuò)，就是“變速箱”。它的工作原理與汽車變速箱類似，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速不同。當(dāng)然，RS-25使用了另外一種方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，就是雙富燃預(yù)燃室。也就是說(shuō)，在一個(gè)富燃預(yù)燃室的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)富燃預(yù)燃室，分別驅(qū)動(dòng)氫泵和氧泵，從而解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)然了，解決泵轉(zhuǎn)速差大問(wèn)題的方法并不是只有這兩個(gè)，比如RS-68就使用了雙廢氣排放口驅(qū)動(dòng)氫泵和氧泵的方法。
但氫氧分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的困難不僅僅如此，還有最頭疼的——燃料從泵里泄露。要知道，氫作為已知的相對(duì)分子質(zhì)量最小的原子，泄露那是輕而易舉，雖然看著無(wú)所謂，但在氫氧分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際操作中，是一個(gè)十分致命的危險(xiǎn)的因素。
除了氫氣本身的緣故，最重要的是在渦輪泵這個(gè)地方常規(guī)的密封方法根本不能用，除了氫氣本身的緣故，最重要的是在渦輪泵這個(gè)地方常規(guī)的密封方法根本不能用，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵轉(zhuǎn)軸速度高達(dá)每分鐘上萬(wàn)轉(zhuǎn)，氫氣就可以從轉(zhuǎn)軸的縫隙中跑到氧泵里面去。但為什么一定是氫氣泄露不是氧氣泄露呢？因?yàn)闇u輪部分的壓力比泵的壓力高，SSME的解決辦法就是在可能泄露的地方注入比渦輪壓力還高氦氣，這樣泄露方向就是氦氣流向氫氣和氧氣部分。
不得不說(shuō)，分級(jí)燃燒循環(huán)締造出了眾多性能優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)——RD-170家族液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，YF-100系列液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，RS-25液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)等，這些發(fā)動(dòng)機(jī)各有各的特色，在發(fā)動(dòng)機(jī)的一些性能上也有一些領(lǐng)先的地方。
閉式膨脹循環(huán)
在閉式膨脹循環(huán)中，燃料燃燒前通常被主燃燒室甚至噴管的余熱進(jìn)行加熱。當(dāng)液態(tài)燃料通過(guò)在燃燒室壁里的冷卻通道時(shí)，變成氣態(tài)且體積大幅增加。這些氣態(tài)燃料再推動(dòng)渦輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)。從而使推進(jìn)劑高速進(jìn)入推力室燃燒產(chǎn)生推力。鐘罩形的發(fā)動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有足夠的噴嘴面積來(lái)加熱燃料來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，因此單純的膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的最高推力為300KN。膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)都必須使用低溫燃料，例如液氫、甲烷、丙烷等，這些燃料可以輕易達(dá)到沸點(diǎn)。
開(kāi)機(jī)時(shí)，首先讓燃料流動(dòng)，所有燃料流經(jīng)噴管，然后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)渦輪葉片，然后到燃燒室。（黃色管路）與此同時(shí)，氧化劑早已加速流入燃燒室，然后進(jìn)行點(diǎn)火，這時(shí)溫度急劇升高，導(dǎo)致包圍在噴管外的管路內(nèi)部燃料升溫，燃料大量氣化，體積膨脹，從而更快的驅(qū)動(dòng)渦輪葉片，以此循環(huán)，達(dá)到最大推力。?
開(kāi)式膨脹循環(huán)
這種工作循環(huán)是傳統(tǒng)膨脹循環(huán)的改進(jìn)。排放循環(huán)中，只有一小部分推進(jìn)劑用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪并拋棄，并沒(méi)有注入燃燒室。排出渦輪廢氣使通過(guò)渦輪的氣壓降最大化，從而提高了渦輪泵的輸出功率。但犧牲了發(fā)動(dòng)機(jī)推力及效率。 著名的開(kāi)式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)就是日本的LE-9，把開(kāi)式膨脹循環(huán)玩出了花，性能反而不差。
這與閉式膨脹循環(huán)唯一的不同就是，本應(yīng)該進(jìn)入燃燒室的小部分氣態(tài)燃料卻直接排出了。這樣有什么好處嗎？?
渦輪泵壓力絕對(duì)不會(huì)低于燃燒室壓力。
這句話在這兩種膨脹循環(huán)中就是完美的體現(xiàn)。 大家也都知道，液體總是由壓強(qiáng)高的地方流向壓強(qiáng)低的地方。而壓差越大，液體流量、流速也就越大。反觀閉式膨脹循環(huán)，氣態(tài)燃料重新回到燃燒室，致使燃燒室的壓力增加，這樣渦輪泵與燃燒室的壓差也便減小。而開(kāi)式直接排到空氣或真空中，增加了壓差，燃料流速加快，反而導(dǎo)致渦輪泵壓力稍有增加，導(dǎo)致開(kāi)式膨脹循環(huán)的推力比閉式膨脹循環(huán)大得多。 開(kāi)式膨脹循環(huán)雖然海平面比沖下降了10%，但推力大幅度提高，甚至適用于火箭的起飛級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。
閉式分體膨脹循環(huán)
這種循環(huán)是閉式循環(huán)的一種變體。增加了一條通向燃燒室的主管路，大部分燃料直接通往主燃燒室，少部分燃料參與膨脹，其他的原理與閉式膨脹循環(huán)相同。
這種發(fā)動(dòng)機(jī)目前沒(méi)有一家機(jī)構(gòu)或公司嘗試制造，甚至在NASA官網(wǎng)也僅僅只有一篇論文介紹這種循環(huán)。 但 以上三種膨脹循環(huán)都有一個(gè)致命問(wèn)題：需要氮?dú)獗么禋馊缓蟾艚^燃料驅(qū)動(dòng)渦輪葉片和氧化劑泵，因?yàn)樯厦娴腞S-25也已經(jīng)講過(guò)，一根軸可能會(huì)要“命”（特別是大部分氫氧機(jī)使用膨脹循環(huán)的各種變體），所以需要隔絕以防爆炸。
閉式雙體膨脹循環(huán)
閉式雙體膨脹循環(huán)是閉式分體膨脹循環(huán)的一種變體，所有燃料驅(qū)動(dòng)燃料渦輪葉片，一小部分氧化劑驅(qū)動(dòng)氧化劑渦輪葉片，兩者分工合作。
這樣雖然沒(méi)有比沖、推力的提升，但是解決了一個(gè)“上頭”的問(wèn)題：隔絕同軸的氧化劑和燃料。 目前也僅有一家公司使用這個(gè)循環(huán)——藍(lán)色起源，藍(lán)色起源在他們未來(lái)的著陸器“Blue?Moon”和國(guó)家隊(duì)Human Landing System上使用了閉式雙體膨脹循環(huán)的BE-7液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。
閉式雙分體膨脹循環(huán)
這種循環(huán)就是閉式分體膨脹循環(huán)和閉式雙體膨脹循環(huán)的結(jié)合體，即主燃料與主氧化劑直通燃燒室，又有部分燃料和氧化劑參與受熱膨脹，驅(qū)動(dòng)各自的渦輪泵。
閉式燃?xì)獍l(fā)生器增壓膨脹循環(huán)
這種循環(huán)方式是閉式循環(huán)的升級(jí)體，但不同點(diǎn)是，使用極少部分燃料和氧化劑給燃?xì)獍l(fā)生器，燃?xì)獍l(fā)生器燃燒的高溫廢氣在熱交換機(jī)中加熱驅(qū)動(dòng)渦輪泵的燃料，從而增加渦輪泵轉(zhuǎn)速，從而提升推力。剩下的廢氣從噴管內(nèi)壁排出，形成氣膜冷卻，降低噴管的溫度。
抽氣循環(huán)
這種循環(huán)的工作方式描述起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單，其實(shí)就是從燃燒室抽取廢氣來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪葉片，從而帶動(dòng)渦輪泵工作。當(dāng)然這只是一個(gè)簡(jiǎn)化圖，有一些細(xì)節(jié)沒(méi)有標(biāo)注。?
這種循環(huán)方式減少了燃料的消耗，但排出燃燒室的廢氣變少，從而一定程度上減小了發(fā)動(dòng)機(jī)推力，但這完全可以通過(guò)增大發(fā)動(dòng)機(jī)體量等方式解決。?
燃燒分接循環(huán)是世界上罕見(jiàn)的循環(huán)方式，這種循環(huán)方式僅有一家公司使用過(guò)——還是藍(lán)色起源，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)方式被藍(lán)色起源用在新謝潑德亞軌道火箭的BE-3泵后擺發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于抽氣循環(huán)出色的渦輪轉(zhuǎn)速控制能力，BE-3發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流范圍也大大提高，為100%-20%。
全流量分級(jí)燃燒循環(huán)
全流量分級(jí)燃燒循環(huán)（Full flow staged combustion，F(xiàn)FSCC）是分級(jí)燃燒循環(huán)的一種衍生版本，分別通過(guò)一個(gè)富燃預(yù)燃室和一個(gè)富氧預(yù)燃室驅(qū)動(dòng)大部分推進(jìn)劑和大部分氧化劑，剩余少量推進(jìn)劑通過(guò)管道互相交換，分別與另一端的燃料或氧化劑混合并燃燒，以驅(qū)動(dòng)渦輪泵。這種設(shè)計(jì)下，渦輪的工作溫度比分級(jí)燃燒循環(huán)更低，因而發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命得到延長(zhǎng)，效率也更高。而且燃燒室壓可以更大，ti更大的比沖。目前這種采用循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)是正在研制的集成動(dòng)力驗(yàn)證器。?
而截止目前，真正把這種循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)送上天的只有一家公司——SpaceX。
可以看出與富燃分級(jí)燃燒循環(huán)相比，相差最大的就是取消了直通燃燒室的主氧化劑管道，反而所有燃料和氧化劑都要通過(guò)兩個(gè)預(yù)燃室。
【1】富燃預(yù)燃室點(diǎn)火
富燃預(yù)燃室點(diǎn)火流程是這樣的（圖中所有閥門因空間問(wèn)題都沒(méi)有標(biāo)識(shí)）：首先打開(kāi)氦氣閥門，高壓氦氣進(jìn)入預(yù)燃室，此時(shí)并沒(méi)有點(diǎn)火，高壓氦氣吹動(dòng)燃料渦輪，燃料渦輪和軸帶動(dòng)的燃料泵高速旋轉(zhuǎn)，燃料經(jīng)過(guò)一個(gè)大流程進(jìn)入預(yù)燃室。（這張圖沒(méi)有標(biāo)識(shí)燃料泵和燃料走過(guò)的流程，但知道到達(dá)的是預(yù)燃室即可），與此同時(shí)，持續(xù)燃燒用的液氧開(kāi)始進(jìn)入燃燒室，這時(shí)點(diǎn)火用的液氧與甲烷的閥門打開(kāi)，到達(dá)點(diǎn)火區(qū)，電火花啟動(dòng)，兩者燃燒并且進(jìn)入預(yù)燃室，引起穩(wěn)定燃燒，形成“推力”，（這里的推力指的是推動(dòng)渦輪葉片的力）并且氦氣閥關(guān)閉，停止供應(yīng)氦氣。如果有需要節(jié)流，只需要限制甲烷和液氧的流量即可。但要注意的是，液氧供給的很少，所以只能和很少的甲烷燃燒，剩余的大量的甲烷繼續(xù)流向主燃燒室。
【2】富氧預(yù)燃室點(diǎn)火
富氧預(yù)燃室點(diǎn)火流程是這樣的（圖中所有閥門因空間問(wèn)題都沒(méi)有標(biāo)識(shí)）：首先打開(kāi)氦氣閥門，高壓氦氣進(jìn)入預(yù)燃室，此時(shí)并沒(méi)有點(diǎn)火，高壓氦氣吹動(dòng)氧化劑渦輪，渦輪和軸帶動(dòng)的泵高速旋轉(zhuǎn)，氧化劑直接進(jìn)入預(yù)燃室。（這是與富燃預(yù)燃室不同的地方），與此同時(shí)，持續(xù)燃燒用的甲烷開(kāi)始進(jìn)入燃燒室，這時(shí)點(diǎn)火用的液氧與甲烷的閥門打開(kāi)，到達(dá)點(diǎn)火區(qū)，電火花啟動(dòng)，兩者燃燒并且進(jìn)入預(yù)燃室，引起穩(wěn)定燃燒，形成“推力”，（這里的推力指的是推動(dòng)渦輪葉片的力）并且氦氣閥關(guān)閉，停止供應(yīng)氦氣。如果有需要節(jié)流，只需要限制甲烷和液氧的流量即可。但要注意的是，甲烷供給的很少，所以只能和很少的液氧燃燒，剩余的液氧繼續(xù)流向主燃燒室。
【3】主燃燒室點(diǎn)火
在主燃燒室會(huì)和以后，火花塞再次點(diǎn)火，這是大量的甲烷氣體和氧氣開(kāi)始劇烈燃燒，形成穩(wěn)定推力，點(diǎn)火順利完成（猛禽是氣氣燃燒引擎）。
