馬斯克“星艦”發(fā)射失敗，發(fā)動機“猛禽”依然堪稱跨時代

2023年4月20日，馬斯克旗下太空探索技術(shù)公司（SpaceX）研發(fā)的“星艦”超重型火箭，發(fā)射后三分鐘發(fā)生非計劃內(nèi)解體，在高空爆炸。馬斯克表示，公司會總結(jié)經(jīng)驗，在幾個月后嘗試再次發(fā)射?！靶桥灐卑l(fā)射雖然失敗了，但其使用的發(fā)動機“猛禽”依然獲得廣泛關(guān)注，被譽為是跨時代的產(chǎn)品。

這次發(fā)射的星艦系統(tǒng)由上下兩部分構(gòu)成，下面的超重型助推還有上面的星艦飛船，超重型助推上有33臺發(fā)動機，上面的星艦飛船上有6臺，這39臺發(fā)動機都是猛禽，無非就是飛船上有三臺噴口做大了一點更適合在真空環(huán)境下工作而已。

猛禽發(fā)動機是一種液氧甲烷發(fā)動機，而目前市面上的主流是液氫液氧，和液氧煤油，比如咱們發(fā)射空間站的長征五號，芯級用的就是液氫液氧發(fā)動機，而助推器用的就是液氧煤油，而馬斯克取得了較大成功的獵鷹9號火箭使用的梅林發(fā)動機也是液氧煤油的。那既然獵鷹九號都已經(jīng)這么成功了，馬斯克為啥還要再開一條新科技樹，用甲烷這種燃料呢？

我們可以對比一下這幾種燃料。液氫液氧是效率最高的火箭推進劑，但是設(shè)計難度也比較大，主要是氫分子很小，在那些泵啊之類的結(jié)構(gòu)里面，很容易漏，而且極度易燃易爆，原地爆炸的幾率很高。而液氫的溫度很低，很難伺候，它的沸點是零下252度，離絕對零度都不遠了，低于液氧的冰點，也就是說，如果把液氫罐子和液氧罐子挨得很近的話，液氧會被凍住。而且氫的密度很低，這意味著，我需要一個非常大的罐子來裝它，這樣一來，火箭就得又粗又大。

液氧煤油的效率不如液氫液氧，但是設(shè)計難度低一些，而且燃料的價格要低很多。但是煤油比較容易結(jié)焦，這類似于咱們開車時候的積碳，如果一次性使用，問題不大，但如果要回收的話，就比較麻煩了，如果還要采取比較復(fù)雜效率比較高的閉式循環(huán)的話，那回收回來再清理的難度就更大了，所以spacex獵鷹九號上的梅林發(fā)動機，用的還是最原始的燃氣發(fā)生器循環(huán)，也就是開式循環(huán)。

我們可以看它的噴管旁邊還有一個小管子，那個就是燃氣發(fā)生器排氣的地方。甲烷的性能介于煤油和液氫之間，各項性能講究個中庸之道，雖然液體甲烷也需要低溫儲存，不像煤油那么方便，但是它和液氧的儲存溫度差不多，這倆儲箱可以挨著，用一堵墻給它隔開就行了，這叫共底儲箱，火箭的結(jié)構(gòu)重量就可以減?。ㄒ貉趺河突鸺F(xiàn)在也用共底貯箱，中間加上隔熱泡沫就行）。

而對于馬斯克來說，最誘人的就是，甲烷不結(jié)焦，特別適合重復(fù)使用，甚至燒完之后不用清理，很快就可以再次點火。馬斯克說過，要想讓火箭這東西白菜價，完全的快速回收很重要，所謂完全回收就是發(fā)射火箭除了燃料之外不扔?xùn)|西，所有東西都能重復(fù)使用，這肯定省錢。所謂快速回收就是跟咱們現(xiàn)在民航客機似的，落地一兩個小時馬上就又飛走了，因為火箭跟民航客機一樣，在天上飛行的時候是賺錢的，在地上停著維護的時候是花錢的，在地上停的時間越短，在天上飛的時間越長，它的運營成本就會越低。所以，像液氧甲烷發(fā)動機這種容易保養(yǎng)，飛完一次灌上燃料就還能再來一次的發(fā)動機，就非常符合老馬的預(yù)期。當(dāng)然，他還有個更天馬行空的理由，那就是，未來他要殖民火星，火星上沒有煤油啊，但是有水和二氧化碳，用這些可以造出甲烷，所以未來他可能還得在火星上開個甲烷廠。

配圖來自圖蟲網(wǎng)

當(dāng)然，用甲烷這件事本身雖然比較新，但也并不是蝎子拉屎獨一份，而真正屬于猛禽發(fā)動機獨創(chuàng)的，是發(fā)動機循環(huán)模式。什么是發(fā)動機循環(huán)模式呢？簡單來說，就是怎么給自己供應(yīng)燃料的，要知道，火箭發(fā)動機所需的燃料流量極大，拿航天飛機和SLS上的rs25發(fā)動機來說，它的燃料泵只要三分多鐘就可以排干凈一個標(biāo)準(zhǔn)泳池。這么大流量的泵，誰來推動呢？答案是它自己的燃料，最簡單的燃氣發(fā)生器循環(huán)，也就是開始循環(huán)，就是把一部分燃料和氧化劑單獨導(dǎo)出來，點著，讓它們推動渦輪轉(zhuǎn)動，再帶動燃料泵把燃料泵到主燃燒室里面去。而前面那部分單獨燃燒的部分就是燃氣發(fā)生器，這里的的燃料和氧化劑的主要目的是推動渦輪，推完就排走了，我們可以觀察一下咱們的長二F的發(fā)動機，還有美國土星五號的發(fā)動機，還有獵鷹九號的發(fā)動機，在火箭噴管旁邊都有一個小管子，排的就是燃氣發(fā)生器里面的氣。這些被排走的燃氣并不能高效地產(chǎn)生推力，所以有一些浪費。

為了能夠讓發(fā)動機效率更高，于是又有了分級燃燒循環(huán)，也叫高壓補燃循環(huán)，相當(dāng)于是把前面燒過一遍推過一遍渦輪的燃氣再送進燃燒室里面燃燒一遍。燒兩遍，所以叫分級燃燒，它浪費的能量就更少。咱們長征五號上用的是富氧分級燃燒循環(huán)，也就是說在預(yù)燃室里面，氧會很多，然后這些攜帶了大量氧氣的燃氣推完渦輪泵之后再進入到主燃燒室，跟噴進來的煤油混合再燃燒。而航天飛機與SLS上使用的叫復(fù)燃分級燃燒循環(huán)，也就是說它的預(yù)燃室里面是燃料比較多，然后再把這些攜帶了很多燃料的燃氣送進主燃燒室去跟氧氣混合再燒一遍。

聽到這你可能會疑惑，要么富氧燃燒，要么富燃燃燒，總要有一個成分多一些，為啥不能剛好呢？因為這個燃氣是要推動渦輪的，如果它的燃燒比剛好的話，燃燒效率就太高了，溫度也就跟燃燒效率一塊兒上去了，渦輪是要化掉的。所以推動泵的這些燃氣，要么里面氧化劑很多，要么燃料很多。

再說回猛禽，它也是這樣的分級燃燒循環(huán)，只不過在前面又加了三個字，全流量。全流量分級燃燒循環(huán)是什么意思呢？就是把我前面富氧和富燃結(jié)合起來，推動液氧的那個預(yù)燃室是富氧的，推動燃料的那個預(yù)燃室是富燃的，如此一來，主燃燒室里面燒的就是富氧燃氣和富燃燃氣的混合氣體，氣體加氣體，混合最好，燃燒更充分，而且，因為富燃燃氣推燃料泵，富氧燃氣推液氧泵，所以哪怕是有泄漏，富燃燃氣泄露到燃料里面，并不會進一步燃燒爆炸，你想它本來就已經(jīng)燃料多了，同理，富氧燃氣泄漏到氧氣里面，也不會發(fā)生燃燒爆炸。所以，它的這個泵的密封要求就不想航天飛機的那個RS25那么變態(tài)。維護保養(yǎng)也方便。

歷史上只有過三種使用這種循環(huán)方式的發(fā)動機，前兩種都失敗了，沒上過天，星艦如果成功，那猛禽將是世界上第一種成功將火箭送上太空的，使用全流量分級燃燒循環(huán)的發(fā)動機，這也是為什么我一開始說，星艦的這個猛禽，是一種跨時代的發(fā)動機。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：茍勝（西安航空學(xué)院 講師）

審核：周炳紅（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 研究員）

出品：中國科協(xié)科普部

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