在SpaceX 的新型猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)是一款以甲烷為燃料的全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，它的研發(fā)難度非常大，此前從未有過(guò)類(lèi)似的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)飛行！

所以為了更好地理解猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，我們將概述幾種常見(jiàn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)類(lèi)型，然后將猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)與其他一些常見(jiàn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較，例如 SpaceX 目前的主力發(fā)動(dòng)機(jī)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛機(jī)的 RS-25 發(fā)動(dòng)機(jī)、RD-180 發(fā)動(dòng)機(jī)、藍(lán)色起源的 BE-4 發(fā)動(dòng)機(jī)和 F-1 發(fā)動(dòng)機(jī)。

對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)感興趣的建議可以看看。

SpaceX不僅采用了瘋狂的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，還將使用液態(tài)甲烷作為燃料。

我們還會(huì)詳細(xì)講解所有不同的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)類(lèi)型，以便您了解全流量分級(jí)燃燒循環(huán)是什么，它是如何工作的，以及它與其他循環(huán)有何不同。

所以，希望讀完本文后，我們能夠了解猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊之處，它與其他火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比有何不同，為什么它使用甲烷，并最終揭曉猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)是否會(huì)成為新一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之王……

如果你和我一樣，可能曾經(jīng)盯著這樣的圖表看好幾個(gè)小時(shí)，每次都看得頭昏腦脹。為了避免這種情況，我特意制作了一些非常簡(jiǎn)化的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)圖，供大家參考，希望能幫助大家理解這些概念。

/*壓力供氣式發(fā)動(dòng)機(jī)

火箭基本上就是推進(jìn)劑，外面裹了一層外殼固定住推進(jìn)劑，尾部有個(gè)裝置能把推進(jìn)劑高速發(fā)射出去。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，推進(jìn)劑發(fā)射速度越快越好。

最簡(jiǎn)單的辦法就是把推進(jìn)劑全部?jī)?chǔ)存在高壓罐里，然后在罐的一端裝上閥門(mén)和噴嘴，把推進(jìn)劑加速成可用的推力。搞定！不需要什么復(fù)雜的泵，也不需要什么復(fù)雜的系統(tǒng)，只要打開(kāi)閥門(mén)，發(fā)射就行了。

這被稱(chēng)為壓力供給式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，主要有幾種類(lèi)型：冷氣壓力供給式、單組元壓力供給式和雙組元壓力供給式發(fā)動(dòng)機(jī)。由于它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠且反應(yīng)迅速，因此常用于姿態(tài)控制系統(tǒng)。

但是，壓力供氣式發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)很大的限制因素。壓力總是從高壓流向低壓，因此發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的壓力永遠(yuǎn)不能高于推進(jìn)劑儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力。

為了在高壓下儲(chǔ)存推進(jìn)劑，儲(chǔ)罐需要足夠堅(jiān)固，因此也需要更厚更重?？梢钥紤]復(fù)合材料纏繞壓力容器（COPV）。它們能夠儲(chǔ)存壓力高達(dá)近10,000磅/平方英寸（約700巴）的氣體。

盡管如此，它們能夠儲(chǔ)存的推進(jìn)劑和壓力仍然有限。當(dāng)需要將有效載荷送入軌道時(shí)，這種限制就難以有效擴(kuò)展。

所以，聰明的火箭科學(xué)家很快意識(shí)到，為了盡可能減輕火箭的重量，他們其實(shí)只有一件事可做：增加焓。

焓本質(zhì)上是體積、壓力和溫度之間的關(guān)系。燃燒室內(nèi)的壓力和溫度越高，效率就越高；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的物質(zhì)越多，推力就越大。

所以，為了向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)注入更多推進(jìn)劑，可以提高儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力，或者直接用大功率泵將推進(jìn)劑噴射到燃燒室。

但是，每秒輸送數(shù)百升燃料的泵需要大量的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)，而且我指的是真的非常多的能量。那么，如果我們用一個(gè)小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)準(zhǔn)渦輪機(jī)，讓它高速旋轉(zhuǎn)呢？這樣就可以將火箭推進(jìn)劑的部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，然后用這些動(dòng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)這些強(qiáng)大的泵。

但是，仍然會(huì)遇到一些限制因素，比如高壓總是會(huì)轉(zhuǎn)化為低壓，以及高溫會(huì)熔化物質(zhì)……所以，在竭盡全力榨取發(fā)動(dòng)機(jī)每一分動(dòng)力的同時(shí)，必須控制好所有這些因素。

我們有燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)、部分流量分級(jí)燃燒循環(huán)，最后我們將研究全流量分級(jí)燃燒循環(huán)……

/*渦輪泵和分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

先從燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)（也稱(chēng)為開(kāi)式循環(huán)）說(shuō)起。這可能是軌道火箭上最常見(jiàn)的液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型之一。它肯定比壓力供給系統(tǒng)復(fù)雜得多，但至少與閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它相當(dāng)簡(jiǎn)單。

實(shí)際上，這里面有幾十個(gè)閥門(mén)、錯(cuò)綜復(fù)雜的電線和細(xì)小的管道、用來(lái)給燃料箱加壓的氦氣、流經(jīng)噴嘴和燃燒室進(jìn)行冷卻的燃料，以及預(yù)燃器和燃燒室的點(diǎn)火源……

燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的工作原理是利用渦輪泵將燃料和氧化劑泵入燃燒室。渦輪泵主要由幾個(gè)部分組成：

一個(gè)稱(chēng)為預(yù)燃器的微型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、

一個(gè)連接到軸上的渦輪，

以及一個(gè)或兩個(gè)將推進(jìn)劑泵入燃燒室的泵。

你可能會(huì)聽(tīng)到有人把渦輪泵組件稱(chēng)為動(dòng)力包，因?yàn)樗_實(shí)是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)源。在開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)中，預(yù)燃器燃燒后的廢推進(jìn)劑會(huì)被直接排放到發(fā)動(dòng)機(jī)外，不會(huì)產(chǎn)生任何顯著的推力。這使得系統(tǒng)效率較低，因?yàn)橛糜隍?qū)動(dòng)渦輪泵的燃料和氧化劑基本上都被浪費(fèi)掉了。

渦輪泵的奇妙之處在于它存在一個(gè)“先有雞還是先有蛋”的悖論，這使得它的啟動(dòng)相當(dāng)困難。因?yàn)轵?qū)動(dòng)渦輪泵的預(yù)燃器需要高壓燃料和氧化劑才能工作……所以，

預(yù)燃器需要渦輪泵運(yùn)轉(zhuǎn)才能達(dá)到其自身的工作壓力，而渦輪泵又需要預(yù)燃器點(diǎn)火才能運(yùn)轉(zhuǎn)……但預(yù)燃器又需要渦輪泵，如此循環(huán)往復(fù)。

壓力總是從高壓流向低壓，所以渦輪泵的壓力必須高于燃燒室壓力。這意味著通往預(yù)燃器的進(jìn)氣口實(shí)際上是整個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中壓力最高的點(diǎn)，下游所有位置的壓力都較低。

看看SpaceX的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，它使用RP-1（火箭推進(jìn)劑1號(hào)）和液氧作為燃料。注意預(yù)燃器排氣口冒出的煙有多黑……

為什么火箭推進(jìn)劑燃燒室的尾氣排放會(huì)如此濃重，而主燃燒室?guī)缀鯖](méi)有可見(jiàn)的廢氣呢？這是因?yàn)榛鸺七M(jìn)劑的溫度會(huì)非常高……高達(dá)數(shù)千攝氏度。為了防止溫度過(guò)高熔化渦輪機(jī)和整個(gè)渦輪泵組件，必須確保其溫度足夠低，才能持續(xù)運(yùn)行。以最佳燃料和氧氣比例運(yùn)行效率最高，能量釋放也最大，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生驚人的熱量。

為了保持較低的溫度，預(yù)燃器可以以低于最佳比例運(yùn)行，即燃料過(guò)量（燃油過(guò)濃）或氧化劑過(guò)量（氧氣過(guò)濃）。RP-1發(fā)動(dòng)機(jī)燃油過(guò)濃時(shí)，你會(huì)看到一些未燃燒的燃料以黑色煙塵的形式出現(xiàn)。高壓下的未燃燒碳分子會(huì)結(jié)合并形成聚合物，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為結(jié)焦。這些煙塵會(huì)粘附在所有接觸到的物體上，可能會(huì)堵塞噴油器，甚至損壞渦輪機(jī)本身！這就是為什么煤油發(fā)動(dòng)機(jī)每次使用完都需要清理。

如果你不想浪費(fèi)那些高壓推進(jìn)劑怎么辦…由于燃料過(guò)濃，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度更低，這豈不是意味著大量未燃燒的燃料被白白浪費(fèi)掉了？如果能把那些高溫廢氣直接導(dǎo)入燃燒室呢？歡迎來(lái)到閉式循環(huán)！

/*閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

閉式循環(huán)或分級(jí)燃燒循環(huán)利用通常會(huì)損失的廢氣，并將其連接到燃燒室，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，幫助增加壓力，進(jìn)而提高效率。

試試梅林發(fā)動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。我們把廢氣直接排進(jìn)燃燒室??！哦不?。?！我們弄進(jìn)去一大堆煙灰，把噴油嘴都堵住了。看來(lái)今天上不了太空了。

但這個(gè)問(wèn)題有幾種解決方案，讓我們來(lái)看看蘇聯(lián)是如何解決的。

他們制造的第一款可投入使用的閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是NK-15，最初是為N-1登月火箭設(shè)計(jì)的。后來(lái)他們將其升級(jí)為NK-33，之后又衍生出許多型號(hào)，包括如今阿特拉斯五號(hào)火箭使用的RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于NK-15和NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)和梅林發(fā)動(dòng)機(jī)一樣使用RP-1燃料，所以不能讓預(yù)燃室采用富燃模式，因?yàn)闀?huì)造成結(jié)焦問(wèn)題……因此

如果想用RP-1制造一臺(tái)閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，答案是讓預(yù)燃室采用富氧模式。然而，現(xiàn)在噴出的卻是超高溫高壓的氧氣，這足以把任何東西都燒成糊狀，而噴頭卻是精密加工、公差極高的渦輪葉片。

美國(guó)當(dāng)時(shí)認(rèn)為這根本不可能，所以基本上放棄了嘗試。他們認(rèn)為根本不存在能夠承受這種極端嚴(yán)苛條件的金屬合金，而且直到蘇聯(lián)解體后，美國(guó)工程師親眼見(jiàn)到并親自測(cè)試后，他們才相信蘇聯(lián)真的制造出了如此高效強(qiáng)勁的RP-1發(fā)動(dòng)機(jī)！但事實(shí)上，蘇聯(lián)人確實(shí)付出了巨大的努力，研制出了一種特殊的合金

在閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中，并非只是簡(jiǎn)單地將燃料和氧化劑在預(yù)燃器中燃燒以驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，而是將所有富燃推進(jìn)劑都送入渦輪。因此，在富氧循環(huán)中，所有氧氣都會(huì)進(jìn)入預(yù)燃器，而進(jìn)入預(yù)燃器的燃料量也恰到好處。你只需要足夠的燃料來(lái)為渦輪提供足夠的能量，使其能夠驅(qū)動(dòng)泵高速旋轉(zhuǎn)，從而在預(yù)燃器和燃燒室中產(chǎn)生足夠的壓力，最終將物體送入太空。

現(xiàn)在，高溫的氧氣被強(qiáng)制送入燃燒室，與液態(tài)燃料混合。它們相遇后爆炸，產(chǎn)生干凈高效的燃燒，幾乎沒(méi)有浪費(fèi)任何推進(jìn)劑！太棒了！

但是，和所有發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，燃燒室壓力不能高于泵壓力，所以泵實(shí)際上承受著很大

如果你以為美國(guó)是不是眼睜睜看著蘇聯(lián)獨(dú)占閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的寶座，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。美國(guó)的確花了更長(zhǎng)的時(shí)間，最終也研制出了閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，但它與富氧循環(huán)截然不同……

美國(guó)雖然也研發(fā)了閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，但他們選擇了富燃預(yù)燃器。等等……我們剛知道，富燃預(yù)燃器的尾氣會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵，幾乎會(huì)毀掉所有東西……

如果用的是RP-1或其他任何高碳燃料，那肯定會(huì)是這樣的結(jié)果……所以美國(guó)選擇了另一種燃料—?dú)錃?！好吧，現(xiàn)在我們避免了用高溫高壓氧氣噴射所有珍貴物品的麻煩，但現(xiàn)在又打開(kāi)了潘多拉的盒子…… 氫氣的密度遠(yuǎn)低于RP-1或液氧。事實(shí)上，氫氣的密度要低得多，因此需要一個(gè)巨大的渦輪泵才能將適量的氫氣輸送到燃燒室。

由于RP-1和液氧的密度和比例相對(duì)相似，它們可以使用單個(gè)預(yù)燃器在同一軸上運(yùn)行……但是氫氣需要更多的氫氣才能達(dá)到相同的氧氣質(zhì)量，因此，由于氫氣密度較低且需要更高的燃料比，氫氣和液氧的泵截然不同。

羅克達(dá)因公司的工程師們著手研發(fā)一種名為RS-25的發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)后來(lái)被用于航天飛機(jī)。他們意識(shí)到，由于兩種泵之間的巨大差異，他們不妨直接使用兩個(gè)預(yù)燃器，一個(gè)用于氫氣泵，一個(gè)用于氧氣泵。

但使用兩個(gè)獨(dú)立的軸又帶來(lái)了另一個(gè)新問(wèn)題?，F(xiàn)在，工程師們將高壓高溫的氫氣輸送到同一軸上，而且緊挨著液氧泵。如果部分氫氣從預(yù)燃器泄漏出來(lái)，就會(huì)引發(fā)液氧泵起火，后果不堪設(shè)想。

氫氣也很難控制，因?yàn)樗芏群艿停蛘哒f(shuō)很輕？它很容易從縫隙中滲漏出來(lái)。因此，工程師們必須設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的密封裝置，以防止高溫氫氣泄漏。

這種密封件叫做吹掃密封件，它實(shí)際上是用氦氣加壓的，所以它是壓力最高的點(diǎn)。因此，如果密封件泄漏，只會(huì)泄漏惰性氦氣！

既然我們已經(jīng)討論完了雙燃燒器、燃油豐富的RS-25，這里是它的簡(jiǎn)化示意圖。我沒(méi)有把燃油泵畫(huà)成不同尺寸，因?yàn)槲抑幌胫攸c(diǎn)展示燃油流動(dòng)，力求簡(jiǎn)化說(shuō)明。

但需要注意的是，RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)預(yù)燃室都采用濃燃模式，只是它們驅(qū)動(dòng)的燃油泵不同。RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)至今仍被認(rèn)為是史上最佳發(fā)動(dòng)機(jī)之一，擁有相當(dāng)高的推重比和無(wú)與倫比的效率。

閉式循環(huán)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，具有極大的優(yōu)勢(shì)，還能比這更好嗎？那就是下面的全流量分級(jí)燃燒循環(huán)

/*全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

它基本上結(jié)合了我們剛才提到的兩種閉式循環(huán)方法。全流量分級(jí)燃燒循環(huán)采用兩個(gè)預(yù)燃器，一個(gè)運(yùn)行在富燃區(qū)，另一個(gè)運(yùn)行在富氧區(qū)。富燃預(yù)燃器驅(qū)動(dòng)燃油泵，富氧預(yù)燃器驅(qū)動(dòng)液氧。這意味著全流量循環(huán)需要解決氧化劑過(guò)濃的問(wèn)題，而這個(gè)問(wèn)題同樣可以通過(guò)開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度金屬合金來(lái)解決。

因此，SpaceX自主研發(fā)了一種名為SX500的超合金。據(jù)馬斯克稱(chēng)，這種合金能夠承受超過(guò)800巴的高溫富氧氣體。這或許是猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中最大的障礙之一。

幸運(yùn)的是，富燃側(cè)只負(fù)責(zé)泵送燃料，所以即使有少量高溫燃料從軸上的密封件泄漏，也只會(huì)接觸到更多燃料，不會(huì)造成太大問(wèn)題。由于富燃預(yù)燃器容易產(chǎn)生結(jié)焦問(wèn)題，全流量模式可能不適用于RP-1燃料，

該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，由于燃料和氧化劑都以高溫氣體的形式進(jìn)入燃燒室，因此燃燒更充分，溫度更高。此外，正如我們之前提到的，它也減少了對(duì)復(fù)雜密封系統(tǒng)的需求，從而減少了翻新次數(shù)。

但是，在全循環(huán)燃燒模式下，由于所有燃料和氧化劑都經(jīng)過(guò)預(yù)燃器，因此可以燃燒足夠的推進(jìn)劑來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪泵……

然而，燃料與氧化劑的比例會(huì)非常高，燃料和氧氣的濃度都會(huì)大幅降低，導(dǎo)致渦輪機(jī)的溫度顯著降低，這意味著渦輪泵組件的使用壽命會(huì)更長(zhǎng)。同時(shí)，這也意味著更多的燃燒發(fā)生在燃燒室，而預(yù)燃器的燃燒量會(huì)減少。

好像迄今為止，只有三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)演示過(guò)完整的分級(jí)燃燒循環(huán)……

20 世紀(jì) 60 年代，蘇聯(lián)研制了一種名為 RD-270 的發(fā)動(dòng)機(jī)，但從未試飛過(guò)。21 世紀(jì)初，Aerojet 和 Rocketdyne 合作研制了一種名為“集成動(dòng)力頭演示器”的集成動(dòng)力頭演示器，但同樣，它也從未通過(guò)測(cè)試臺(tái)的考驗(yàn)。

第三次嘗試研發(fā)全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)就是SpaceX的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)！

是的，馬斯克成功了。

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)只是這種奇特發(fā)動(dòng)機(jī)的第三次嘗試。它是第一臺(tái)真正投入使用并離開(kāi)測(cè)試臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)！但愿它也能成為第一臺(tái)進(jìn)入軌道的全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)際上，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾乎所有成就都將是史無(wú)前例的。

但這也就意味著SpaceX必須克服許多極其棘手的難題。他們不僅需要解決富氧循環(huán)的相同問(wèn)題，還必須精確控制燃料，以創(chuàng)造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有史以來(lái)最高的燃燒室壓力—270巴，最終打破了RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)約265巴的紀(jì)錄。而且他們還沒(méi)完，他們的目標(biāo)是300巴，這還是很難的。

由于猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法使用RP-1燃料進(jìn)行富燃預(yù)燃，你可能會(huì)認(rèn)為下一個(gè)最合乎邏輯的選擇是氫氣……然而，SpaceX既沒(méi)有選擇RP-1也沒(méi)有選擇氫氣，而是選擇了液態(tài)甲烷！

讓我們先從設(shè)計(jì)第一級(jí)火箭時(shí)最重要的因素——推進(jìn)劑的密度開(kāi)始。燃料密度越高，在燃料質(zhì)量相同的情況下，燃料箱就越小越輕。燃料箱越小，火箭就越輕。

需注意的是，813克/升是RP-1的平均密度，但SpaceX在獵鷹9號(hào)和獵鷹重型火箭中會(huì)對(duì)RP-1進(jìn)行冷卻，使其密度提高約2%-4%。不過(guò)，RP-1的歷史密度基本穩(wěn)定在813克/升左右。

所以就密度而言，甲烷的密度大致處于中間水平。但影響燃燒性能的因素不僅僅是密度，我們還需要考慮燃料燃燒量與氧化劑燃燒量的比例，也就是氧化劑與燃料的比例。

火箭工程師必須考慮燃料的質(zhì)量和相應(yīng)的燃料箱重量，因此他們實(shí)際上并不是以完美的化學(xué)計(jì)量比燃燒推進(jìn)劑，而是找到一個(gè)完美的平衡點(diǎn)，以兼顧燃料箱尺寸、推力輸出和比沖。

根據(jù)這些數(shù)值，RP-1 的燃燒比例為 2.7 克氧氣比 1 克 RP-1，氫氣的燃燒比例為 6 克氧氣比 1 克氫氣，甲烷的燃燒比例為 3.7 克氧氣比 1 克甲烷。這些數(shù)值有助于稍微彌補(bǔ)密度上的巨大差異。

為了便于理解，我們不妨想象一下。液氧的密度為每升1141克，比RP-1略大。因此，如果液氧和RP-1的混合比例為2.7:1，那么每燃燒1升液氧，就需要略多于0.5升的RP-1。

接下來(lái)我們來(lái)看氫氣。氫氣的密度比RP-1小11倍，你可能會(huì)認(rèn)為它需要一個(gè)容量大11倍的儲(chǔ)罐……工程師們發(fā)現(xiàn)，液氧和氫氣以6:1的比例混合燃燒是一個(gè)不錯(cuò)的折衷方案。

這意味著每升液氧需要2.7升氫氣！所以你的燃料箱需要比RP-1燃料箱大大約5倍…

這就是為什么當(dāng)我們比較氫動(dòng)力德?tīng)査蘒V火箭和RP-1動(dòng)力獵鷹9號(hào)火箭時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)獵鷹9號(hào)火箭的燃料箱比液氧箱小得多，但德?tīng)査蘒V火箭的情況則恰恰相反！它的液氧箱比燃料箱小得多。

液氧的密度是液態(tài)甲烷的2.7倍，但燃燒比是1克甲烷消耗3.7克氧氣。也就是說(shuō)，每1升液氧需要0.73升甲烷。換句話說(shuō)，盡管RP-1的密度幾乎是甲烷的兩倍，但甲烷液氧的燃料箱容量需要比RP-1大40%左右！而與氫氣相比，甲烷液氧的燃料箱容量則要小3.7倍。

因此，燃料與氧化劑的比例使得 Methalox 的燃料箱更接近 RP-1，而不是 Hydrolox。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)重要變量是其效率。效率用比沖（ISP）來(lái)衡量，你可以把它想象成汽油車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，高比沖類(lèi)似于高燃油效率（mpg 或 kmpl）。理解比沖的最佳方法是：假設(shè)你有 1 千克推進(jìn)劑，發(fā)動(dòng)機(jī)能以 9.81 牛頓的推力持續(xù)多少秒？

在保持如此大推力的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃料的時(shí)間越長(zhǎng)，其比沖就越高，因此用相同燃料量能做的功就越多。也就是說(shuō)，它就是燃油經(jīng)濟(jì)性。

在理想情況下，RP-1發(fā)動(dòng)機(jī)的續(xù)航時(shí)間可以達(dá)到約370秒，理想的氫動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到532秒，而甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)則介于兩者之間，為459秒。然而，現(xiàn)實(shí)世界中的例子要低得多，RP-1發(fā)動(dòng)機(jī)的續(xù)航時(shí)間約為350秒（Merlin 1D真空發(fā)動(dòng)機(jī)），甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)約為380秒（猛禽真空發(fā)動(dòng)機(jī)），氫發(fā)動(dòng)機(jī)約為465秒（RL-10B-2）。

我們來(lái)談?wù)劯鞣N燃料的燃燒溫度。燃燒溫度越低的燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損害越小，也可能延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。RP1 燃料的最高燃燒溫度可達(dá) 3670 開(kāi)爾文，氫氣為 3070 開(kāi)爾文，而甲烷的燃燒溫度介于兩者之間，為 3550 開(kāi)爾文。

說(shuō)到熱力學(xué)方面的考慮，我們來(lái)看看這些燃料的沸點(diǎn)，也就是液態(tài)燃料在什么溫度下會(huì)沸騰蒸發(fā)成氣體？由于所有這些燃料都需要保持液態(tài)才能維持密度，因此溫度越高，燃料就越容易儲(chǔ)存。沸點(diǎn)越高，也意味著燃料箱的隔熱層可以減少甚至無(wú)需隔熱，從而防止推進(jìn)劑沸騰蒸發(fā)。

RP-1 的沸點(diǎn)非常高，甚至比水還高，高達(dá) 490 開(kāi)爾文。而氫氣的沸點(diǎn)則接近絕對(duì)零度，低得驚人，只有 20 開(kāi)爾文！這溫度低得離譜，要保持這種溫度需要非常謹(jǐn)慎的考慮。 而甲烷的沸點(diǎn)則介于兩者之間，為 111 開(kāi)爾文。雖然這仍然很低，也需要考慮熱力學(xué)因素，但它的沸點(diǎn)至少與液氧相近，所以也算是個(gè)優(yōu)點(diǎn)吧！

現(xiàn)在來(lái)說(shuō)說(shuō)尾氣排放，這些發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的副產(chǎn)品是什么？

RP-1 是這三種發(fā)動(dòng)機(jī)中唯一真正會(huì)造成污染的，因?yàn)槲慈紵奶紩?huì)和水蒸氣一起殘留在大氣中。氫氣只產(chǎn)生水蒸氣，甲烷則會(huì)產(chǎn)生一些二氧化碳和水蒸氣。

/*spacex的發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)略

接下來(lái)，我們將具體探討SpaceX為何將甲烷視為公司未來(lái)發(fā)展的重要組成部分

SpaceX的最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一套能夠?qū)⑷祟?lèi)反復(fù)送往火星并返回地球的系統(tǒng)。

火星大氣富含二氧化碳，結(jié)合利用電解和薩巴蒂爾法從火星地表和地下水中提取水，火星大氣就可以轉(zhuǎn)化為甲烷燃料！這樣一來(lái)，就無(wú)需攜帶返回地球所需的全部燃料?？梢岳没鹦琴Y源在火星上直接生產(chǎn)燃料。

這被稱(chēng)為原位資源利用（ISRU）。你可能會(huì)想，既然火星上有水，為什么不直接在火星表面制氫作為燃料呢？沒(méi)錯(cuò)，但氫氣和長(zhǎng)期任務(wù)面臨的最大問(wèn)題之一是氫氣的沸點(diǎn)。要使氫氣保持液態(tài)，從而成為有效的燃料，需要認(rèn)真考慮各種因素。

所以對(duì)SpaceX來(lái)說(shuō)，甲烷是個(gè)非常合適的選擇！它的密度相當(dāng)高，這意味著火箭的尺寸可以保持在合理的范圍內(nèi)；它的效率相當(dāng)高；它的燃燒清潔，使得發(fā)動(dòng)機(jī)具有很高的可重復(fù)使用性；它的燃燒溫度相對(duì)較低，有助于延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，這同樣有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用；它價(jià)格低廉，易于生產(chǎn)，而且可以在火星表面輕松生產(chǎn)！

我們將按燃料類(lèi)型和循環(huán)方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分類(lèi)。

首先，我們來(lái)比較一下SpaceX的梅林（Merlin）發(fā)動(dòng)機(jī)（用于獵鷹9號(hào)和獵鷹重型火箭）、NPO Energomesh的富氧閉式循環(huán)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)（用于阿特拉斯5號(hào)火箭）以及羅克達(dá)因的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)（用于土星5號(hào)火箭），它們都使用RP-1燃料。

接下來(lái)是SpaceX的猛禽（Raptor）發(fā)動(dòng)機(jī)（全流量分級(jí)燃燒循環(huán)），它將為星艦（Starship）和超重型火箭（Super Heavy）提供動(dòng)力；

藍(lán)色起源的BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)（富氧閉式循環(huán)，使用甲烷燃料），它將為新格倫（New Glenn）火箭和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）即將推出的火神（Vulcan）火箭提供動(dòng)力；

以及Aerojet Rocketdyne的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)（富氫閉式循環(huán)，曾為航天飛機(jī)提供動(dòng)力，并將為即將推出的SLS火箭提供動(dòng)力），它使用氫氣作為燃料。

推力固然重要，但如果發(fā)動(dòng)機(jī)效率極低，再?gòu)?qiáng)大的推力又有什么意義呢？接下來(lái)，我們來(lái)看看它們的比沖，比沖的單位是秒。我們將展示海平面比沖和真空比沖。

首先是效率最低的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖為263到304秒；然后是梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖為282到311秒；接著是RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖為311到338秒；BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖也差不多，約為310到340秒；接下來(lái)是猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖為330到350秒左右；最后，效率最高的當(dāng)屬RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖高達(dá)366到452秒！

接下來(lái)是梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，壓力為97巴；然后是BE-4，壓力在135巴左右；再往后是RS-25，壓力為206巴；之后是RD-180，它曾被認(rèn)為是現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)之王，壓力高達(dá)257巴。

然而，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)打破了這一紀(jì)錄，它以驚人的270巴的燃燒室壓力成為新的王者，而且他們還希望將其提升到300巴！300巴相當(dāng)于在3公里深的海底。我簡(jiǎn)直無(wú)法想象。

我們先從最貴的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始，然后往下看最便宜的。

這系列發(fā)動(dòng)機(jī)中最貴的是RS-25，單價(jià)超過(guò)5000萬(wàn)美元……真是嚇人。接下來(lái)是F-1發(fā)動(dòng)機(jī)，單價(jià)3000萬(wàn)美元；然后是RD-180，單價(jià)2500萬(wàn)美元；BE-4，單價(jià)約800萬(wàn)美元；

之后是梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，單價(jià)不到100萬(wàn)美元。至于猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，埃隆·馬斯克曾說(shuō)過(guò)，如果能簡(jiǎn)化現(xiàn)有版本的復(fù)雜性，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)成本可以低于或接近梅林發(fā)動(dòng)機(jī)…所以目前，我們暫且把價(jià)格定在200萬(wàn)美元左右，這應(yīng)該算是一個(gè)比較合理的估算。

成本固然重要，但發(fā)動(dòng)機(jī)成本的另一個(gè)關(guān)鍵因素是其是否可重復(fù)使用。而RD-180和F-1發(fā)動(dòng)機(jī)恰恰是不可重復(fù)使用的，或者至少?gòu)奈幢恢貜?fù)使用過(guò)……這與其他所有可以多次重復(fù)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)截然不同。

RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)被反復(fù)使用，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的記錄是飛行19次，而且是在經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的翻新之后……梅林發(fā)動(dòng)機(jī)希望在不進(jìn)行重大翻新的情況下飛行10次。我們知道BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是重復(fù)使用25次，而猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)是飛行50次，

由于RD-180和F-1發(fā)動(dòng)機(jī)不可重復(fù)使用，它們的價(jià)格保持不變。但對(duì)于其他發(fā)動(dòng)機(jī)，如果我們考慮它們的飛行次數(shù)，RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)的可重復(fù)使用性優(yōu)勢(shì)就能顯現(xiàn)出來(lái)，縮小與其他發(fā)動(dòng)機(jī)的差距，使其潛在成本降至每千牛1414美元。

然而，更令人驚訝的是，藍(lán)色起源公司的BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)在25次飛行后每千牛的成本約為133美元，其運(yùn)營(yíng)成本可能與每千牛117美元的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)相近，有望真正改變行業(yè)格局。但如果猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)真的名副其實(shí)，它甚至可能將每千牛的成本降至每千牛20美元。這才是真正的顛覆性創(chuàng)新。

讓我們來(lái)看看SpaceX的終極計(jì)劃：制造一種能夠快速、完全可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，以盡可能低的成本和常規(guī)的方式將人類(lèi)送上月球和火星。這可不是一般火箭的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)吧？為了實(shí)現(xiàn)快速、完全可重復(fù)使用，發(fā)動(dòng)機(jī)需要清潔運(yùn)行，維護(hù)成本低，采用簡(jiǎn)單的渦輪泵密封件和較低的預(yù)燃溫度。嗯，甲烷燃料全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)聽(tīng)起來(lái)很合適……

出于可靠性、冗余性和生產(chǎn)規(guī)模方面的考慮，采用大量發(fā)動(dòng)機(jī)是合理的。為了縮小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸并保持高輸出功率，燃燒室壓力需要很高……聽(tīng)起來(lái)甲烷燃料全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)似乎很合適……

對(duì)于星際旅行來(lái)說(shuō)，甲烷是最合適的燃料，因?yàn)樗姆悬c(diǎn)使其適用于長(zhǎng)途旅行，例如前往火星。而且，你猜怎么著，火星上也能生產(chǎn)甲烷……所以對(duì)于星際旅行來(lái)說(shuō)，使用甲烷作為燃料的全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)聽(tīng)起來(lái)是個(gè)不錯(cuò)的選擇……

甲烷密度相當(dāng)高，這意味著儲(chǔ)氣罐的尺寸可以保持在合理范圍內(nèi)。這對(duì)于星際旅行來(lái)說(shuō)非常有利，無(wú)需攜帶額外的重量……因此，制造一臺(tái)以甲烷為燃料的全流量分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)似乎是個(gè)不錯(cuò)的選擇……

所以……讓我們回到正題，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)真的是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之王嗎？

火箭科學(xué)，就像所有事物一樣，都是一系列復(fù)雜的妥協(xié)。

它是最高效的發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？不是。

它是最強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？也不是。

它是最便宜的發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？可能也不是。

它是最容易重復(fù)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？ 也許是。

它真是一款恰到好處的發(fā)動(dòng)機(jī)，完美地完成了它需要做的所有事情。它是你的星際飛船的完美之選。

總而言之，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域堪稱(chēng)王者。它是一款出色的發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠完美實(shí)現(xiàn)SpaceX星艦飛船的目標(biāo)。

至于它在其他應(yīng)用領(lǐng)域是否也能稱(chēng)王？也許是，也許不是，

這個(gè)問(wèn)題就留給那些需要做出各種復(fù)雜妥協(xié)的火箭科學(xué)家和工程師們來(lái)評(píng)判吧！

那么，你怎么看？開(kāi)發(fā)這樣一款復(fù)雜精密的發(fā)動(dòng)機(jī)值得嗎？猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的故事才剛剛開(kāi)始嗎？

最重要的是，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)真的能稱(chēng)得上是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之王嗎？歡迎在下方評(píng)論區(qū)留言分享你的看法。