什么是全流量循环发动机？浅谈火箭发动机的循环方式

“星舰”是 SpaceX 的明星产品，作为支持的“猛禽”发动机也很不一般，是第一个投入实用的全流量循环发动机。其开发难度非常大，至今还没有同类型的发动机上天。
在同级别发动机中：推力面积比最高，1.3m喷管直径能提供200多吨推力；室压最高，达330个大气压；价格便宜，造价低于220万刀。具有高可靠性和低成本的优势，是完全为重复使用优化的发动机。要想了解什么是全流量循环发动机，就要从液体火箭发动机的循环方式开始。
火箭发动就是把推进剂送入燃烧室混合燃烧，然后通过喷嘴喷射出去。推进剂的输送必须非常稳定，否则就会导致推力和燃烧的不稳定，烧毁发动机甚至发生爆炸事故。为了追求更高的效率和推力，推进剂燃烧、喷射当然是越快越好。

挤压循环

最简单的办法是以很高的压力储存燃料，这就是“挤压循环”，用高压气体挤压推进剂、把它送入燃烧室。
因为不需要复杂部件、结构简单，这也是最可靠的循环方式，如航天飞机的轨道机动发动机、阿波罗服务舱的发动机。当然缺点也很明显，推进剂存储压力不能太大、气体容量有限等，导致推力不大、工作时间有限等。
想要把更多的燃料挤进发动机，干脆就使用大功率的涡轮泵把燃料挤进燃烧室，涡轮通过1个轴给2个泵（燃料、氧化剂各1个）提供动力，从而把推进剂泵入燃烧室。基本上，各种火箭发动机的区别就在于用何种方法来驱动燃料涡轮泵，以及驱动泵之后的能量如何利用。

膨胀循环

比较简单的是“膨胀循环”，燃料在燃烧前被主燃烧室余热加热，通过冷却通道时、相变成气态，产生的气压差驱动涡轮泵转动，如长征五号F火箭的芯二级YF-75D氢氧火箭发动机。
结构简单、重量低、可靠性高、启动平稳等是主要优点，但由于没有足够的喷嘴面积来加热燃料、驱动涡轮泵，因此单纯的膨胀循环发动机的推力最多300千牛。

燃气发生器循环（开式循环）

如果用某种方式产生气体然后驱动燃料涡轮泵，就诞生了燃气发生器循环（也叫开式循环）。
最初的燃气发生器循环实际上使用的是简单的化学气体发生器，如催化分解过氧化氢，著名的R-7运载火箭就使用过氧化氢燃气发生器。
此后燃气发生器进行了改进，直接把部分推进剂送入燃气发生器燃烧室内点燃，产生的燃气驱动涡轮泵，这个小燃烧室被称为“预燃室”。这样就无需携带额外的燃料，而火箭燃料燃烧时可达到上千摄氏度，最佳的燃料、氧化剂比例会有最高的效率、最多的能量，但也会产生极大的热量。
为了保证温度不会高到让涡轮泵熔化，预燃室内的燃烧比就要稍微低于最优比，燃料过量叫“富燃”、氧化剂过量叫“富氧”。因此燃气发生器内的燃烧必然是不充分的，会有大量燃烧不充分的废气排放。
有的发动机会直接从燃气发生器下面接排气管，可以增加推力、提供额外的姿态控制能力，如 SpaceX 的梅林液氧煤油发动机。
有的会把废气管道环绕喷嘴排放，用来冷却发动机，如土星5号火箭的 F-1 液氧煤油发动机。
因为驱动涡轮泵的推进剂还没有完全燃烧就排放掉，浪费了一部分推进剂、损失了一部分推力。还有一种奇特的开式循环叫“抽气循环”，会从燃烧室抽取一部分燃气驱动推进剂涡轮，如NASA的 J-2S 火箭发动机、蓝色起源的 BE-3 火箭发动机，这种发动机的涡轮必须能耐受更高的温度。

分级燃烧循环（也叫闭式循环）

如果把燃气发生器的废气送入燃烧室完全燃烧呢？这就是分级燃烧循环（也叫闭式循环），部分推进剂先在预燃室内燃烧并驱动涡轮泵，然后废气再导入燃烧室进行充分燃烧。
这种循环燃烧更充分、能够大大提高推力，但是也伴随而来了新的问题。为了保护涡轮泵，预燃室采用了“富燃”或“富氧”燃烧，而之前的发动机推进剂大多是液氧煤油，煤油不完全燃烧的碳原子会形成聚合物，称为结焦。积碳会黏在所有其经过的表面、导致涡轮泵迅速老化过热，燃烧室的推进剂是通过一个个密密麻麻的小孔喷射进来的，结焦也会堵塞喷射孔、进而导致发动机爆炸。
那就只能让煤油“富氧”燃烧，富氧燃烧时会产生高温、并且对金属有强烈的腐蚀作用，因此涡轮的材料必须能够承受这种恶劣条件。对于半个世纪之前来说这种合金材料几乎是不可能的，但苏联人真的做到了，如早期的NK-15/33发动机。氧化剂全部通过预燃室，结合适量燃料进行“富氧”燃烧，然后全部进入主燃烧室燃烧，没有浪费任何推进剂。后来衍生的RD-180发动机则卖给了美国公司，用于著名的宇宙神五号火箭。
而美国人则另辟蹊径，为了避免结焦，选用了氢来替代煤油作为推进剂，氢燃烧没有结焦，但又带来了新的问题。首先是氢的密度非常小，无法与氧共用一个涡轮来驱动，所以需要两个预燃室，全部采用“富燃”燃烧，驱动不同功率的涡轮泵，分别推动液氧和液氢。
其次是氢的密度太低、太轻了，会从细小缝隙中泄漏出去，一旦富燃的氢通过涡轮泵轴泄漏到液氧中，就会引发大爆炸，为此工程师们不得不设计一个复杂的密封装置，终于研发出了著名的RS-25发动机。燃料全部通过两个燃烧室进行“富燃”燃烧，早期曾用于航天飞机，还将继续用于SLS火箭，RS-25发动机仍然是人类制造的最好发动机之一，有着较高的推重比和高效率。

全流量分级燃烧循环

后来便发展出了最终极形态的全流量分级燃烧循环,这种循环设置了两个预燃室，一个富氧、一个富燃，富燃预燃室驱动燃料泵，富氧预燃室驱动液氧泵，再将废气同推进剂一起注入燃烧室燃烧，在这种循环中全部推进剂流量都参与燃烧驱动涡轮泵，故称为全流量循环（FFSCC）。
因为所有的燃料和氧化剂都会经过预燃室，可以随意控制驱动涡轮泵的推进剂比例，两个预燃室会极度富燃与极度富氧，可以让涡轮以更低的温度、更低的压力工作，能大大提升涡轮泵组件的寿命。
即便是富燃的燃料通过泵轴泄露，遇到的也是更多的燃料，因此不需要那些非常精细的密封装置。也不会采用煤油作燃料，因为富燃预燃室会有结焦问题。这种循环的热力学效率是最高的，但相对而言，发动机也是最复杂的，最早的工程实践机型是苏联的RD-270发动机，是采用四氧低二氮和偏二甲腓为推进剂的毒发，最后从未上过天。
目前最成功的尝试就是SpaceX的猛禽发动机了，是第一个投入实用的全流量循环发动机。

选择了液态甲烷作为燃料，那么为什么选择甲烷呢？

先是三种燃料的密度，煤油813克/升、液氢70克/升、液态甲烷居中422克/升。再看各燃料的氧化剂质量比，燃烧1克煤油需要消耗2.7克氧、燃烧1克氢需要6克氧、燃烧1克甲烷需要3.7克氧，根据液氧密度1141克/升。
然后就可以得出，每升液氧可以满足多少燃料燃烧，煤油是0.52升、液态甲烷是0.73升、液氢是2.7升。也就是说同样体积的液氧，液氢的燃料罐是煤油的5倍左右，液态甲烷罐却只比煤油罐大40%，而液氢罐则是液态甲烷罐的3.7倍。总之甲烷燃料罐的体积更加接近煤油的燃料罐体积，可以更小更轻，更小的燃料罐就有更轻的火箭。
衡量所有火箭发动机效率的标准是“比冲”，单位时间内消耗单位推进剂所产生的推力，比冲越高，干同样的事燃料消耗越少，所以比冲越高越好。理想煤油发动机比冲可以达到370秒，理想甲烷发动机为459秒，理想液氢发动机可以达到532秒。
接下来是每种燃料的燃烧温度，燃烧温度越低、对发动机寿命越好，煤油燃烧温度3670开、甲烷是3550开、液氢是3070开。接下来是每种燃料的沸点，煤油的沸点高达490开、比水还要高，液氢则接近绝对零度、仅20开，这种低温使其需要非常严格地考虑保温隔热措施，甲烷是111开，仍然需要有保温上的考虑，和液氧很接近。因此甲烷罐和液氧罐可以使用共底储箱、减轻火箭重量，而液氢和液氧的温度差距很大，以至于液氧会让液氢沸腾、液氢会让液氧凝固。
最后说一下价格，火箭煤油是高度精炼的航空燃油，而航空燃油是高度精炼的煤油，煤油是高度精炼的柴油，比较贵，而氢的精炼、储存、运输都有很高的的成本，甲烷就是天然气的主要成分，可以很便宜，与火箭成本相比的话，几乎相当于不要钱。
SpaceX 的终极目标是研发载人往返火星的星舰系统，而火星大气富含二氧化碳，将其与火星表面或地下水结合后，利用电解、萨巴蒂尔反应，火星大气就能变成甲烷燃料，无需携带供返回的燃料，可以在火星就地取材。
所以对于 SpaceX 来说甲烷更合适，密度相对较高、火箭尺寸更合理，效率相对较高、燃烧充分，燃烧温度相对较低，有助于延长寿命，适用于可复用发动机，而且甲烷很便宜，也很容易生产，可以在火星表面制取。

这是各主要发动机参数，可以看出猛禽发动机的推重比较高、比冲较高、室压最高，目前室压已经达到了33MPa（330个大气压），相当于海底三千多米的压力，推力目前是220吨，目标是250吨。
这是各主要发动机经济性参数，由于猛禽发动机的造价极低、综合性能优越，燃料便宜、高度可复用性等，导致其推价比最低、经济性最好。
总之猛禽发动机是非常适合SpaceX的，能够用于其高度可复用、廉价的星际运输系统。

电泵循环

火箭实验室公司的卢瑟福发动机，通过电子束熔化金属粉末层进行3D打印制造，是全球首款利用电动机系统驱动燃料进入燃烧室的火箭发动机，开创了一种新型的火箭发动机循环方式——电泵循环。
直接用蓄电池来驱动电机驱动涡轮泵，涡轮泵工况非常温和、发动机管路系统没有高温高压气体，设计难度低、可靠性高。
依靠其高性能和低成本，火箭实验室的“电子”火箭成为市面上最好的小型运载火箭之一。