【狗叫航天科普01】电泵燃烧循环发动机浅谈

每当卢瑟福发动机擎举着电子火箭从美如画的新西兰玛希亚半岛发射升空，伴随着巨大的轰鸣声，你应该联想到以下内容写不下去了，淦

电动泵供发动机是一种双组元火箭发动机，其中的燃料泵是电动的，因此所有的输入推进剂都在主燃烧室中直接燃烧，没有一种燃料被转向驱动泵。这不同于传统的火箭发动机需要一股推进剂去推动涡轮的设计。电动循环发动机使用电动泵将推进剂从低压燃料箱加压至高压燃烧室，燃烧室室压通常为0.2至0.3MPa至10至20MPa。这些泵由电动马达驱动，由电池组供电。早在上世纪，电动泵就已用于Agena的推进系统。截至此文写成，唯一使用电动推进剂泵系统的火箭发动机是卢瑟福发动机。2018年1月21日，它推举着电子号成为了第一个进入轨道的使用电泵燃烧循环的火箭。

电泵燃烧循环的优点很明显便宜、容易制造、比冲高。在JNO里电泵氢氧机居然能达到478s的比冲，在一个燃料兑空气的游戏里已经算是神的存在了。电泵燃烧循环结构简单，对材料的要求低，因此便宜，容易制造；而工质被设计全部进入燃烧室反应产生推力，这是它比冲高的原因。电泵区别于传统涡轮泵的区别就在于能量源，无论是燃气发生器还是分级燃烧循环等等诸如此类传统火箭发动机 ，有一部分工质或加热或点燃，形成高温高压流体去推动涡轮泵，从而决定了发动机的推力，比冲等一系列性能。分级燃烧和膨胀循环在工质加热或被预燃后再被补燃使其充分燃烧，几乎可以达到完全利用；而开式膨胀和燃气发生器循环形成的废气无法再次利用，充起数只能用来冷却发动机部件，使其的性能无法比肩分级和闭式。

不只如此，但电泵发动机还可以做到涡轮泵和燃烧室解耦，涡轮泵便于电控调节，可以深度节流。没有高温涡轮和燃气发生器也是它结构更加可靠，高温下的各种密封问题在这里也得到了思路清奇的解决方案。

但是事物都有两面性，电泵燃烧循环的缺陷也十分显著。

没有了涡轮泵，使其无法从工质得到能量推动涡轮泵旋转，使它必须配套一组电池来维持电泵旋转，而这一部分电池也会为火箭带来一定的死重，尤其是对电子这样的小型火箭则是致命的打击。对此，电子号在接近点火结束前会抛掉一部分电池来减少死重，提升运力；并大规模使用碳纤维技术，减少由储箱结构带来的多余的重量。而电动涡轮泵达不到能匹敌燃气涡轮泵的转速，也使电泵发动机的性能得不到充分的发挥。

电泵燃烧循环历史久远，早在上世纪60年代，美国人就将电泵推进系统安在阿金纳上面级上，发挥了重要作用废话。

而随着高速电机和高能量密度（HED）电池技术的发展，基于电动泵的循环系统逐渐成为研究热点。目前，美国电子火箭使用的卢瑟福发动机采用电动泵加压。在基于电动泵的系统中，使用电机、泵和控制器代替基于涡轮泵的系统中使用的涡轮和泵。电机由电能驱动，直接连接到泵上，为推进剂加压。在调节过程中，控制器用于调节电机和泵的速度，从而进一步改变推进剂的流量和出口压力。与基于涡轮泵的膨胀机循环发动机相比，基于电动泵的系统操作过程简单。基于涡轮泵的系统和基于电动泵的系统主要由空间互连的推力室、涡轮/电动泵、阀门和输送管组成。

总而言之，在电泵燃烧循环看似多快好省的背后则是商业航天以低成本高可靠性为目的的宗旨，电子号的成功则是这一宗旨的体现。最后希望我国商业航天能够攻坚克难突破技术难关，不愧为向上的力量！

参考文献

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

感谢知乎大佬Kyokuto ncc21382 此文有部分引用其二位观点

部分资料来源

Rocket Engine Cycles | Everyday Astronaut

https://space.skyrocket.de/

图

@EGIKNUXX