俗話說(shuō)水往低處流,，而類似的，只要是流體,，不管是液體還是氣體,，自由流動(dòng)的話都只能是從壓強(qiáng)高的地方往壓強(qiáng)的地方流,。當(dāng)然,，水也能從低往高處流,，比如用個(gè)水泵來(lái)抽的話。同樣,，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)里面,，也可以用渦輪泵來(lái)實(shí)現(xiàn)讓燃料/氧化劑從低壓流向高壓，或者說(shuō)實(shí)現(xiàn)增壓過程,。

　　比如上圖中,，1（燃料箱）-〉2（泵前）和3（泵后）-〉4（熱交換器）-〉5（渦輪前）-〉6（渦輪后）-〉7（主燃燒室）-〉8（噴管）的過程中，壓強(qiáng)都是逐步降低的,，只有在2-〉3的過程中，渦輪泵把液態(tài)氫的壓強(qiáng)大大提高,。另外,，燃燒室和噴管的氣體壓強(qiáng)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖就越高,。如果沒有這個(gè)渦輪泵的話,，儲(chǔ)存罐就得承受很大的內(nèi)部壓強(qiáng)，那樣,，安全性差,，結(jié)構(gòu)重量也大,。因此除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、推力小,、比沖也低的擠壓循環(huán)(Pressure Fed Cycle)外,，渦輪泵是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中不可缺少的核心部分。

　　不管怎么樣,，能量守恒定律總是要遵守的,。渦輪泵實(shí)現(xiàn)了從2-〉3的增壓，實(shí)際上也就是增加了燃料/氧化劑的能量,。這些能量不可能憑空變出來(lái),，因此要靠驅(qū)動(dòng)渦輪的燃料（或者燃?xì)猓?-〉6提供，相對(duì)應(yīng)的,，5-〉6的過程中,，燃料的壓強(qiáng)下降，溫度也下降了,。

　　而驅(qū)動(dòng)渦輪的燃料（或燃?xì)猓┑哪芰恳膊荒軣o(wú)中生有,，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的所有能量來(lái)源歸根到底都是靠燃料和氧化劑發(fā)生燃燒反應(yīng)，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,。那么驅(qū)動(dòng)渦輪的氣體的能量只能從燃燒反應(yīng)中獲得,。在分級(jí)燃燒循環(huán)(Staged Combustion Cycle)和燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)(Gas-Generator Cycle)中，是靠預(yù)燃燒器產(chǎn)生的熱燃?xì)鈦?lái)驅(qū)動(dòng)渦輪,，等于是直接利用預(yù)燃燒器的燃燒熱,。而膨脹循環(huán)中，并沒有預(yù)燃燒器這個(gè)部件,，而是利用主燃燒室和噴管的高溫,，讓燃料在熱交換器中吸收燃燒熱。比如使用液氫的時(shí)候,，液氫在熱交換器中吸收熱量后氣化為氣體,，并且受熱膨脹，然后被用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪,。

　　相較于其他循環(huán)方式,，膨脹循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的：

　　1．        結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。膨脹循環(huán)省掉了預(yù)燃燒器這個(gè)部件,，大大簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造,，因此提高了可靠性。

　　2．        因?yàn)闆]有使用預(yù)燃燒器,，驅(qū)動(dòng)渦輪的是純粹的燃料,，沒有燃燒生成的水蒸氣，因此在低溫下可能出現(xiàn)的結(jié)冰問題（渦輪泵一邊是可以高到上千度的酷熱,，一邊是可以低到零下二百度的極冷）也不存在,。這樣一來(lái),，膨脹循環(huán)的多次點(diǎn)火性能好，符合上面級(jí)的要求,。

　　3．        因?yàn)橹苯邮褂檬軣崤蛎浐蟮娜剂蠚怏w驅(qū)動(dòng)渦輪,，因此溫度比燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)和分級(jí)燃燒循環(huán)中一般使用的富燃燃?xì)猓ㄌK聯(lián)的煤油機(jī)中更是用危險(xiǎn)的富氧燃?xì)猓┑偷枚啵热缛毡綣AXA的LE-5B的渦輪前溫度只有428K,，也就是攝氏150多度,，連一般鍋爐的級(jí)別都不到，對(duì)一般的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直可以說(shuō)是很涼爽了,。這樣一來(lái),，渦輪泵的設(shè)計(jì)難度減小，可靠性則提高了很多,。這樣一來(lái),，可重復(fù)使用的難度也得以降低。

　　4．        因?yàn)闆]有預(yù)燃燒,，使用含碳燃料的時(shí)候很頭痛的富燃燃?xì)獾姆e碳問題也就不存在了,。因此，采用膨脹循環(huán)的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)很容易改成液態(tài)甲烷/液氧發(fā)動(dòng)機(jī),。液氫的沸點(diǎn)溫度太低,，比固態(tài)氧的熔點(diǎn)都低。而甲烷的沸點(diǎn)則和液氧相近,，相比之下比液氫方便很多,。

　　5．        閉式膨脹循環(huán)中，所有燃燒過程都在主燃燒室中完成,，燃料和氧化劑都不浪費(fèi),，因此可以實(shí)現(xiàn)盡可能高的利用率。相應(yīng)的,，美國(guó)設(shè)計(jì)的使用閉式膨脹循環(huán)的RL-10B-2是已投入實(shí)用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中比沖最高的,，真空比沖達(dá)到462.3秒。（分級(jí)燃燒循環(huán)的SSME是452.5秒,，RD-0120則是455秒）

　　但是,，膨脹循環(huán)的弱點(diǎn)也很明顯，就是一般來(lái)說(shuō),，推力不夠大,。這個(gè)毛病同樣也要?dú)w因于沒有預(yù)燃燒器。渦輪泵的能量來(lái)源要靠燃燒熱,，渦輪前氣體能量越高，渦輪泵就越有勁,，能輸送更多的燃料和氧化劑,，而且能產(chǎn)生更高的壓強(qiáng),。使用預(yù)燃燒器的時(shí)候，忽略熱傳導(dǎo)的散失的話,，可以說(shuō)高溫燃?xì)馕樟怂腥紵裏?，可謂勁道十足（當(dāng)然副作用就是溫度火燙）。而膨脹循環(huán)中,，氣體只能靠熱交換器吸熱,，效率和直接燃燒相比要低很多，帶來(lái)的結(jié)果就是驅(qū)動(dòng)渦輪的時(shí)候能量不夠高,，那么渦輪泵的驅(qū)動(dòng)能力也就有限得很,。何況從燃燒室到噴口，為了不損失推力,，不可能像普通的熱交換器那樣讓高溫燃?xì)庾唿c(diǎn)彎彎繞繞,，因此吸熱只能說(shuō)是雁過拔毛而已。

　　這樣一來(lái),，渦輪泵能驅(qū)動(dòng)的燃料和氧化劑的流量受限制,，壓強(qiáng)也受限制，當(dāng)然推力也就上不去,。一般來(lái)說(shuō),，推力超過十噸的膨脹循環(huán)就算推力很可觀的了，因此采用膨脹循環(huán)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都是中小推力,，用于推力要求不高的上面級(jí)倒是正好,。

　　但是總還是有人看中了膨脹循環(huán)的種種優(yōu)點(diǎn)，并且想搞出更大推力的膨脹循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái),，讓它派更大用場(chǎng),，由此產(chǎn)生了開式膨脹循環(huán)。

　　開式膨脹循環(huán)的目標(biāo)很明確,，就是為了在膨脹循環(huán)的基礎(chǔ)上增大推力,，那么就要想辦法突破渦輪驅(qū)動(dòng)能力不足的瓶頸，盡可能從驅(qū)動(dòng)渦輪的氣體中多榨一些能量出來(lái),。渦輪能量來(lái)自于渦輪前后(5->6)的氣體能量差,，因此提高渦輪前的氣壓，或者降低渦輪后的氣壓,，都能多獲取能量,。提高渦輪前氣壓的最直接的辦法就是提高熱交換器的效率。這個(gè)辦法不能說(shuō)沒效果,，但是雁過拔毛的效果總歸有限,，再想提高難度很大。

　　另一條路則是降低渦輪后氣壓。然而在閉式循環(huán)中（無(wú)論是膨脹循環(huán)還是分級(jí)燃燒循環(huán)）,，渦輪后的氣體都要壓入主燃燒室中進(jìn)行燃燒,，因此壓強(qiáng)必須比主燃燒室的壓強(qiáng)高?？紤]到一般來(lái)說(shuō),，為了提高推力和比沖，主燃燒室的壓強(qiáng)是唯恐不夠高,，10M Pa（相當(dāng)于100個(gè)大氣壓）的壓強(qiáng)是家常便飯,，那么渦輪后的壓強(qiáng)就不可能低。

　　對(duì)應(yīng)的辦法就是改用開式循環(huán),。例如燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)中,，渦輪后氣體就不再送到主燃燒室，而是直接排放到外界,。外界無(wú)非是從大氣海平面到真空,，壓強(qiáng)最多就是一個(gè)大氣壓0.1M Pa。那么渦輪后壓強(qiáng)也可以很低,，和主燃燒室的壓強(qiáng)比幾乎可以算是0,。這樣，就可以把驅(qū)動(dòng)渦輪的氣體的能量幾乎全部榨取出來(lái),。從這個(gè)思路出發(fā),，就產(chǎn)生了膨脹循環(huán)的變種——開式膨脹循環(huán)，分流一部分燃料經(jīng)過受熱膨脹后驅(qū)動(dòng)渦輪,，然后把這部分燃料直接排放到外界中,。

　　那么，開式膨脹循環(huán)相較于膨脹循環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)就很明顯（類似于燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)和分級(jí)燃燒循環(huán)的比較,，比如RS68相對(duì)于SSME）,，缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)渦輪的燃料沒有燃燒就直接排放掉了，等于說(shuō)這些燃料中蘊(yùn)含的燃燒熱都損失了,，從而效率降低,，損失了比沖。

　　而優(yōu)點(diǎn)也很明顯：由于渦輪能量增大,，推力可以增加,。而且各部分壓強(qiáng)都可以減小一些，可靠性也增強(qiáng)了,。顯然,，價(jià)錢也會(huì)便宜很多。

　　按德國(guó)論文所述,，日本JAXA在開式膨脹循環(huán)上處于領(lǐng)先地位,。到目前為止，世界上經(jīng)過飛行測(cè)試的開式膨脹循環(huán)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)只有日本的LE-5A和LE-5B兩種，在H2和H2A火箭上得到了成功使用,。

　　LE-5B是LE-5A的改進(jìn)型,，實(shí)際上除了推力有所提高外，其他指標(biāo)全都下降了,，但是部件數(shù)減少很多，可靠性大大提高,。從推力上來(lái)說(shuō),，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力也就是十多噸，燃燒室壓強(qiáng)只有40個(gè)大氣壓不到,，比沖較高,，氫氧混合比只有5.0，膨脹循環(huán)的好處體現(xiàn)在渦輪前氣溫可以說(shuō)是相當(dāng)?shù)汀?/p>

　　在這個(gè)基礎(chǔ)上,，日本計(jì)劃發(fā)展的LE-X可以說(shuō)是全面提高,。真空推力增大到十倍以上，達(dá)到140噸,，燃燒室壓強(qiáng)增加到3倍,，接近120個(gè)大氣壓，氫氧混合比也提高到5.9,。比沖有所下降,，但仍然有430秒。LE-X的推力已經(jīng)可以充當(dāng)火箭的第一級(jí)或者助推級(jí),。

　　上圖是LE-X的原理圖,，和LE-5A/B相比變化不大。液氫只有一部分被分流到熱交換器中被加熱,，加熱膨脹氣化后的氫氣被再次分流,。氫氣一部分用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪，然后未經(jīng)燃燒直接排放到噴管中,，另一部分則和未經(jīng)加熱的液氫混合后進(jìn)入燃燒室,。

　　液氫和液氧各用一個(gè)渦輪泵，加熱后的氫氣先驅(qū)動(dòng)氫泵,，然后再驅(qū)動(dòng)氧泵,。

　　需要燃燒的液氫和部分加熱后的氫氣進(jìn)行混合是為了提高燃燒前的溫度，達(dá)到超臨界態(tài),。這是在LE-5A上遇到了燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象后作出的改進(jìn),。因?yàn)闅涞姆悬c(diǎn)太低，導(dǎo)致有時(shí)候燃燒室的氧噴嘴被凍結(jié),。這個(gè)混合加熱可以消除這種問題,。當(dāng)然，如果使用的是沸點(diǎn)和氧接近的甲烷作為燃料，這種氧噴嘴被凍結(jié)的問題就不會(huì)發(fā)生,。

　　相比之下,，德國(guó)方案（主要是型號(hào)SE-21D）采用了和JAXA有些區(qū)別的設(shè)計(jì)思路。

　　象這個(gè)原理圖所示,，德國(guó)方案中也采用了兩個(gè)渦輪泵分別驅(qū)動(dòng)液氫和液氧,。但是加熱后的氫氣是分成兩部分分別驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)泵，而不是日本方案中的同一股氫氣先后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)泵,。另外,，氫泵分成前后兩級(jí)，第一級(jí)加壓后的一部分液氫分流后被第二級(jí)泵再次加壓,，然后被送到熱交換器進(jìn)行加熱膨脹,。這樣一來(lái)，有利于進(jìn)一步提高渦輪驅(qū)動(dòng)氫氣流的壓強(qiáng),，從而加大渦輪泵的驅(qū)動(dòng)能力,。渦輪廢氣則從單獨(dú)的噴口排出。

　　和LE-X相似,，在進(jìn)入燃燒室前,，也把一部分加熱后的氫氣導(dǎo)入，對(duì)氫進(jìn)行了混合加熱,。

　　下圖則是發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算模型,，包含了各部分的參數(shù)。

　　因?yàn)槟繕?biāo)是用于可重復(fù)使用的助推級(jí),，德國(guó)方案中的性能指標(biāo)并不是很高,，比如燃燒室的壓強(qiáng)只有60多個(gè)大氣壓，遠(yuǎn)低于LE-X,。燃料的總混合比也只有4.87,。導(dǎo)致的結(jié)果是真空比沖只有407秒，也大大低于LE-X（略低于RS-68的410秒）,。

　　德國(guó)方案中,，液氫經(jīng)過第一級(jí)泵后升壓到8.749M Pa，第二級(jí)泵則把分流出來(lái)的約1/6的氫升壓到12.11M Pa,，這也是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中的最高壓強(qiáng)值,。渦輪前壓強(qiáng)為8.311M Pa，溫度只有攝氏230多度,，渦輪后壓強(qiáng)降到只有0.3M Pa,，也就是大概3個(gè)大氣壓，溫度低于水的沸點(diǎn),。這樣一來(lái),，渦輪泵的難度就可以大大降低,，重復(fù)使用時(shí)的安全性比較可靠。

　　德國(guó)方案的設(shè)計(jì)思路可能類似于RS-68,，降低一些性能來(lái)?yè)Q取大推力和高可靠性,。方案中的推力對(duì)膨脹循環(huán)來(lái)說(shuō)是空前的，達(dá)到了220噸,，超過SSME,，完全可以用作中等推力火箭的第一級(jí)和助推級(jí)。

　　這是德國(guó)方案設(shè)想的應(yīng)用開式膨脹循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的阿麗亞娜改進(jìn)型火箭,。第一級(jí)使用改進(jìn)后的阿麗亞娜5的芯級(jí),，捆綁使用了兩個(gè)可重復(fù)使用的助推器，每個(gè)助推器安裝兩臺(tái)推力220噸的SE-21D,。預(yù)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的同步軌道運(yùn)載能力將超過12噸。