马斯克“星舰”发射失败，发动机“猛禽”依然堪称跨时代

2023年4月20日，马斯克旗下太空探索技术公司（SpaceX）研发的“星舰”超重型火箭，发射后三分钟发生非计划内解体，在高空爆炸。马斯克表示，公司会总结经验，在几个月后尝试再次发射。“星舰”发射虽然失败了，但其使用的发动机“猛禽”依然获得广泛关注，被誉为是跨时代的产品。

这次发射的星舰系统由上下两部分构成，下面的超重型助推还有上面的星舰飞船，超重型助推上有33台发动机，上面的星舰飞船上有6台，这39台发动机都是猛禽，无非就是飞船上有三台喷口做大了一点更适合在真空环境下工作而已。

猛禽发动机是一种液氧甲烷发动机，而目前市面上的主流是液氢液氧，和液氧煤油，比如咱们发射空间站的长征五号，芯级用的就是液氢液氧发动机，而助推器用的就是液氧煤油，而马斯克取得了较大成功的猎鹰9号火箭使用的梅林发动机也是液氧煤油的。那既然猎鹰九号都已经这么成功了，马斯克为啥还要再开一条新科技树，用甲烷这种燃料呢？

我们可以对比一下这几种燃料。液氢液氧是效率最高的火箭推进剂，但是设计难度也比较大，主要是氢分子很小，在那些泵啊之类的结构里面，很容易漏，而且极度易燃易爆，原地爆炸的几率很高。而液氢的温度很低，很难伺候，它的沸点是零下252度，离绝对零度都不远了，低于液氧的冰点，也就是说，如果把液氢罐子和液氧罐子挨得很近的话，液氧会被冻住。而且氢的密度很低，这意味着，我需要一个非常大的罐子来装它，这样一来，火箭就得又粗又大。

液氧煤油的效率不如液氢液氧，但是设计难度低一些，而且燃料的价格要低很多。但是煤油比较容易结焦，这类似于咱们开车时候的积碳，如果一次性使用，问题不大，但如果要回收的话，就比较麻烦了，如果还要采取比较复杂效率比较高的闭式循环的话，那回收回来再清理的难度就更大了，所以spacex猎鹰九号上的梅林发动机，用的还是最原始的燃气发生器循环，也就是开式循环。

我们可以看它的喷管旁边还有一个小管子，那个就是燃气发生器排气的地方。甲烷的性能介于煤油和液氢之间，各项性能讲究个中庸之道，虽然液体甲烷也需要低温储存，不像煤油那么方便，但是它和液氧的储存温度差不多，这俩储箱可以挨着，用一堵墙给它隔开就行了，这叫共底储箱，火箭的结构重量就可以减小（液氧煤油火箭现在也用共底贮箱，中间加上隔热泡沫就行）。

而对于马斯克来说，最诱人的就是，甲烷不结焦，特别适合重复使用，甚至烧完之后不用清理，很快就可以再次点火。马斯克说过，要想让火箭这东西白菜价，完全的快速回收很重要，所谓完全回收就是发射火箭除了燃料之外不扔东西，所有东西都能重复使用，这肯定省钱。所谓快速回收就是跟咱们现在民航客机似的，落地一两个小时马上就又飞走了，因为火箭跟民航客机一样，在天上飞行的时候是赚钱的，在地上停着维护的时候是花钱的，在地上停的时间越短，在天上飞的时间越长，它的运营成本就会越低。所以，像液氧甲烷发动机这种容易保养，飞完一次灌上燃料就还能再来一次的发动机，就非常符合老马的预期。当然，他还有个更天马行空的理由，那就是，未来他要殖民火星，火星上没有煤油啊，但是有水和二氧化碳，用这些可以造出甲烷，所以未来他可能还得在火星上开个甲烷厂。

配图来自图虫网

当然，用甲烷这件事本身虽然比较新，但也并不是蝎子拉屎独一份，而真正属于猛禽发动机独创的，是发动机循环模式。什么是发动机循环模式呢？简单来说，就是怎么给自己供应燃料的，要知道，火箭发动机所需的燃料流量极大，拿航天飞机和SLS上的rs25发动机来说，它的燃料泵只要三分多钟就可以排干净一个标准泳池。这么大流量的泵，谁来推动呢？答案是它自己的燃料，最简单的燃气发生器循环，也就是开始循环，就是把一部分燃料和氧化剂单独导出来，点着，让它们推动涡轮转动，再带动燃料泵把燃料泵到主燃烧室里面去。而前面那部分单独燃烧的部分就是燃气发生器，这里的的燃料和氧化剂的主要目的是推动涡轮，推完就排走了，我们可以观察一下咱们的长二F的发动机，还有美国土星五号的发动机，还有猎鹰九号的发动机，在火箭喷管旁边都有一个小管子，排的就是燃气发生器里面的气。这些被排走的燃气并不能高效地产生推力，所以有一些浪费。

为了能够让发动机效率更高，于是又有了分级燃烧循环，也叫高压补燃循环，相当于是把前面烧过一遍推过一遍涡轮的燃气再送进燃烧室里面燃烧一遍。烧两遍，所以叫分级燃烧，它浪费的能量就更少。咱们长征五号上用的是富氧分级燃烧循环，也就是说在预燃室里面，氧会很多，然后这些携带了大量氧气的燃气推完涡轮泵之后再进入到主燃烧室，跟喷进来的煤油混合再燃烧。而航天飞机与SLS上使用的叫复燃分级燃烧循环，也就是说它的预燃室里面是燃料比较多，然后再把这些携带了很多燃料的燃气送进主燃烧室去跟氧气混合再烧一遍。

听到这你可能会疑惑，要么富氧燃烧，要么富燃燃烧，总要有一个成分多一些，为啥不能刚好呢？因为这个燃气是要推动涡轮的，如果它的燃烧比刚好的话，燃烧效率就太高了，温度也就跟燃烧效率一块儿上去了，涡轮是要化掉的。所以推动泵的这些燃气，要么里面氧化剂很多，要么燃料很多。

再说回猛禽，它也是这样的分级燃烧循环，只不过在前面又加了三个字，全流量。全流量分级燃烧循环是什么意思呢？就是把我前面富氧和富燃结合起来，推动液氧的那个预燃室是富氧的，推动燃料的那个预燃室是富燃的，如此一来，主燃烧室里面烧的就是富氧燃气和富燃燃气的混合气体，气体加气体，混合最好，燃烧更充分，而且，因为富燃燃气推燃料泵，富氧燃气推液氧泵，所以哪怕是有泄漏，富燃燃气泄露到燃料里面，并不会进一步燃烧爆炸，你想它本来就已经燃料多了，同理，富氧燃气泄漏到氧气里面，也不会发生燃烧爆炸。所以，它的这个泵的密封要求就不想航天飞机的那个RS25那么变态。维护保养也方便。

历史上只有过三种使用这种循环方式的发动机，前两种都失败了，没上过天，星舰如果成功，那猛禽将是世界上第一种成功将火箭送上太空的，使用全流量分级燃烧循环的发动机，这也是为什么我一开始说，星舰的这个猛禽，是一种跨时代的发动机。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：苟胜（西安航空学院 讲师）

审核：周炳红（中国科学院国家空间科学中心 研究员）

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