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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(jì)劃內(nèi)解體，在高空爆炸。馬斯克表示，公司會(huì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在幾個(gè)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(dòng)機(jī)“猛禽”依然獲得廣泛關(guān)注，被譽(yù)為是跨時(shí)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，上面的星艦飛船上有6臺(tái)，這39臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都是猛禽，無非就是飛船上有三臺(tái)噴口做大了一點(diǎn)更適合在真空環(huán)境下工作而已。

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)是一種液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)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(jìn)劑，但是設(shè)計(jì)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(diǎn)是零下252度，離絕對零度都不遠(yuǎn)了，低于液氧的冰點(diǎn)，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(huì)被凍住。而且氫的密度很低，這意味著，我需要一個(gè)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(jì)難度低一些，而且燃料的價(jià)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(shí)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(dòng)機(jī)，用的還是最原始的燃?xì)獍l(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(gè)小管子，那個(gè)就是燃?xì)獍l(fā)生器排氣的地方。甲烷的性能介于煤油和液氫之間，各項(xiàng)性能講究個(gè)中庸之道，雖然液體甲烷也需要低溫儲(chǔ)存，不像煤油那么方便，但是它和液氧的儲(chǔ)存溫度差不多，這倆儲(chǔ)箱可以挨著，用一堵墻給它隔開就行了，這叫共底儲(chǔ)箱，火箭的結(jié)構(gòu)重量就可以減小（液氧煤油火箭現(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(diǎn)火。馬斯克說過，要想讓火箭這東西白菜價(jià)，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(jī)似的，落地一兩個(gè)小時(shí)馬上就又飛走了，因?yàn)榛鸺窈娇蜋C(jī)一樣，在天上飛行的時(shí)候是賺錢的，在地上停著維護(hù)的時(shí)候是花錢的，在地上停的時(shí)間越短，在天上飛的時(shí)間越長，它的運(yùn)營成本就會(huì)越低。所以，像液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，就非常符合老馬的預(yù)期。當(dāng)然，他還有個(gè)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(gè)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(dú)一份，而真正屬于猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)創(chuàng)的，是發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)模式。什么是發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)所需的燃料流量極大，拿航天飛機(jī)和SLS上的rs25發(fā)動(dòng)機(jī)來說，它的燃料泵只要三分多鐘就可以排干凈一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)泳池。這么大流量的泵，誰來推動(dòng)呢？答案是它自己的燃料，最簡單的燃?xì)獍l(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(dú)導(dǎo)出來，點(diǎn)著，讓它們推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)燃料泵把燃料泵到主燃燒室里面去。而前面那部分單獨(dú)燃燒的部分就是燃?xì)獍l(fā)生器，這里的的燃料和氧化劑的主要目的是推動(dòng)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(dòng)機(jī)，還有美國土星五號的發(fā)動(dòng)機(jī)，還有獵鷹九號的發(fā)動(dòng)機(jī)，在火箭噴管旁邊都有一個(gè)小管子，排的就是燃?xì)獍l(fā)生器里面的氣。這些被排走的燃?xì)獠⒉荒芨咝У禺a(chǎn)生推力，所以有一些浪費(fèi)。

為了能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高，于是又有了分級燃燒循環(huán)，也叫高壓補(bǔ)燃循環(huán)，相當(dāng)于是把前面燒過一遍推過一遍渦輪的燃?xì)庠偎瓦M(jìn)燃燒室里面燃燒一遍。燒兩遍，所以叫分級燃燒，它浪費(fèi)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(huì)很多，然后這些攜帶了大量氧氣的燃?xì)馔仆隃u輪泵之后再進(jìn)入到主燃燒室，跟噴進(jìn)來的煤油混合再燃燒。而航天飛機(jī)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?xì)馑瓦M(jìn)主燃燒室去跟氧氣混合再燒一遍。

聽到這你可能會(huì)疑惑，要么富氧燃燒，要么富燃燃燒，總要有一個(gè)成分多一些，為啥不能剛好呢？因?yàn)檫@個(gè)燃?xì)馐且苿?dòng)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(dòng)泵的這些燃?xì)?，要么里面氧化劑很多，要么燃料很多?/p>

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(gè)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(dòng)液氧的那個(gè)預(yù)燃室是富氧的，推動(dòng)燃料的那個(gè)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?xì)夂透蝗既細(xì)獾幕旌蠚怏w，氣體加氣體，混合最好，燃燒更充分，而且，因?yàn)楦蝗既細(xì)馔迫剂媳?，富氧燃?xì)馔埔貉醣茫阅呐率怯行孤?，富燃燃?xì)庑孤兜饺剂侠锩?，并不?huì)進(jìn)一步燃燒爆炸，你想它本來就已經(jīng)燃料多了，同理，富氧燃?xì)庑孤┑窖鯕饫锩?，也不?huì)發(fā)生燃燒爆炸。所以，它的這個(gè)泵的密封要求就不想航天飛機(jī)的那個(gè)RS25那么變態(tài)。維護(hù)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(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)，這也是為什么我一開始說，星艦的這個(gè)猛禽，是一種跨時(shí)代的發(fā)動(dòng)機(jī)。

本文為科普中國·星空計(jì)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

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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