#火箭##发动机##太空#
在人类制造的所有机器之中，运载火箭可能是运转起来最震撼人心的。当火箭发动机点燃后，瞬间喷发出炽热的火焰，同时发出雷霆万钧般震耳欲聋的巨响，方圆数千米之内的大地都随之震颤，然后冲腾起巨大的烟雾，总之是一系列极端的感官刺激。平地蹿起的火箭驾着那团火焰直插云霄，当它逐渐划过天际最终消失在视野中时，仿佛神话中太阳神阿波罗出行时乘坐的战车。自百万年前人类开始学会如何用火，除却用核反应点燃的火，火箭发动机大概就是玩火的极致了。一般而言，火箭发动机分为液体和固体两大类型，固体火箭相对简单，可以看做一个 大号的炮仗，液体火箭则是非常复杂的机器，它开启了人类的航天时代。
分级燃烧循环到底是一种什么样的工作方式？ 它的技术特点和难点究竟在什么地方？本章将全面地讨论分级燃烧循环。本章还将涉及一些旷日持久的争论，一个是高压补燃煤油机和氢氧机孰优孰劣，另一个是美国和苏联的液体火箭发动机技术谁更领先。对于普通读者来说，这些争论似乎更有趣一些，但脱开技术其实根本无从谈起。由于美国在20世纪90年 代初引进了苏联的RD-180高压补燃煤油机，而苏联也研制出了与航天飞机主发动机(SSME )相匹敌的RD-0120，多年以来很多人一直认为在液体火箭发动机方面苏联领先于美国。由于中国通过引逬俄罗斯的RD-120,也进入到高压补燃煤油机的行列中，许多人在争论中往往带上 了主观情绪。诚然，以RD-170系列和NK-33 为代表的高压补燃煤油机的确是精华之作， 但从液体火箭发动机的整体技术水平而言美国并不弱于苏联，即便是分级循环，美国的起步也非常早。
原理与起源：分级循环横空出世
燃气发生器循环要将室压做高存在难以克服的困难，随着室压的提升比冲损失会更大，最终抵消室压提升带来的好处。推力由 20吨提高到100吨，室压从5兆帕提高到9兆帕比冲损失还只有0.8%到1.7%。，当室压提高到十几甚至几十兆帕，损失就会变得十分巨大。在涡轮废气排放的情况下，如果推力室采用液-液燃烧，室压最大只能做到80~85个大气 压，换算下来不到10兆帕。但如果参照喷气发动机加力燃烧室（后燃器）的工作方式， 将涡轮废气导入推力室中补充推进剂进行二次燃烧，则有可能将室压提高到230-250个大气压，这意味着能够达到23.3-25.3兆帕。 这是因为涡轮废气已经是气态的了，推力室内可以形成更高效的气-液燃烧，如果推进剂补入前能够充分汽化，形成汽-汽燃烧， 效果还要更好。这就是分级燃烧循环的基本工作原理，即燃气发生器变成了预燃器进行 一次燃烧，涡轮后废气补入推进剂后进行二次燃烧。
第二部分中我们曾经谈到过推进剂混合比这个重要参数，也了解到燃气发生器循环是一种开式循环，燃气发生器的低混合比会拖累发动机混合比，因为燃气发生器的混合比要比推力室低。从混合比角度来理解，分级燃烧循环的优势也十分明显。由于涡轮废气被注入推力室，所有推进剂最终都要通过主燃烧室，循环也由开式变为闭式，预燃室就不会像燃气发生器一样拖累发动机混合比，不会有推进剂被浪费掉，这对于发动机的比冲也是有很大好处的。这里需要补充强调的是，不能以有无直接外排的涡轮废气排放管来判断分级燃烧循环，因为利用涡轮废气对喷管延伸段进行气膜冷却的机型中，涡轮废气并未进入到主燃烧室中，不可能起到分级燃烧的作用，混合比同样也是会有损失 的。所以，涡轮废气直接外排的必然不是分级燃烧循环，但涡轮废气不直接外排的未必是分级燃烧循环。
在国内文献中，分级燃烧循环常被约定俗成地称为高压补燃发动机，这种说法其实有些问题。第一，分级燃烧循环未必高压， 只是由于结构复杂往往导致发动机增重，对于小推力发动机来说不一定合算，因此技术上倾向于向大推力、大室压、高比冲方向发展，造成绝大多数分级燃烧循环机型都是高室压。第二，分级燃烧循环既可做成补燃方案，也可做成补氧方案，这构成了分级燃烧循环的两大基本流派，国内文献统称为补燃多有不妥。补燃和补氧方案的区别在于预燃室的工作方式，工程上通常用余氧系数a来表示，a是预燃室混合比和推进剂理论最佳混合比的比值。补燃循环预燃室是富氧燃烧，即高a；补氧循环预燃室是富燃燃烧， 即低a。无论是哪种方案，主燃烧室内都至少是气-液燃烧，其中的气就是指预燃室的 燃气，这正是实现推力室高压工作的关键所在。如果采用液氢燃料，只要在冷却夹套中将其全部汽化，甚至还可以在主燃烧室内形成气-气燃烧。
需要指出的是，在上述两种分级燃烧循环中，全部燃料（高a）或全部氧化剂（低 a）都全部进入预燃室，这样做的原因是避免主燃烧室出现复杂的液-气-液燃烧，否则将使主燃烧室头部进一步复杂，对稳定燃烧带来不利影响，并増加技术风险。当然，这意味着预燃室需要较大的体积，为了简化设计可以将单个预燃室拆开成几个，最经典的液氧/煤油高压补燃发动机RD-170系列就采用了这一设计，四个推力室的RD-170/171有两个预燃室，而双推力室的RD-180和单推力室的RD-191则简化为一个。如果要采用煤油作为燃料，富氧补燃要优于富燃补氧，因为预燃室导出的燃气燃烧充分，含碳量可以控制在非常少的水平上，这样就最大限度地避免了出现积碳问题。对于设计上要求复用的发动机非常有利。对于氢氧发动机来说不存在积碳问题，两种工作方式都可以采用，但采用富燃补氧可以控制预燃室工作温度。
低a分级燃烧
高a分级燃烧
