【原创文章】SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

主页君说

SpaceX的主力火箭发动机梅林(Merlin)一直都被媒体和业内同行所诟病,所以马斯克憋足力气在发动机领域想打一个翻身仗,于是代号“猛禽”的液氧甲烷发动机诞生了,这款作为公司实现火星殖民构想之核心的“梦幻”发动机一直都处于十分神秘的状态,外人难究竟今天我们借着油管节目“每日航天员”的这篇长文(长视频),通透的了解一下猛禽,并横向对比下其他人类最优秀的起飞级液体发动机,看看究竟谁才是真的王者

本文翻译:给虫 校对:ScarletKaze,发文已获授权,本文原载其B站专栏,感谢他们的辛勤翻译和校对,打赏将转归两位。

本文为下方视频的文字版,你可以选择看视频或看文章

SpaceX(以下简称太空叉)最新的猛禽发动机是一款以甲烷为燃料的全流量分级燃烧循环发动机(Full Flow Staged Combustion Cycle Engine, 以下简称FFSCC),其开发难度非常之大,以至于从未有过同类发动机上天

而火箭发动机这个话题可谓极其复杂深奥,所以为了介绍猛禽发动机,我打算过一遍当前几款火箭发动机的循环方式,然后让它们和猛禽发动机做对比,这些发动机包括太空叉当前主力梅林发动机,航天飞机主发动机RS-25发动机,Atlas V一级的RD-180发动机,蓝色起源的BE-4发动机和土星五号一级的F-1发动机。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

Starhopper和猛禽发动机

而这还不够,因为太空叉不但使用了一种近乎疯狂的发动机循环方式,还要使用液态甲烷作为燃料,而这也是运载火箭中前无古人的举措。所以我们还要介绍液态甲烷作为火箭燃料时其独有的特性,并且最终明白太空叉为猛禽发动机选择甲烷燃料的原因。

 

所以我们还将剖析其他所有发动机循环方式,让你知道FFSCC到底是什么意思,如何运转,对比其他循环方式有何优劣。

 

所以希望在看完这篇文章后,大家能明白为何猛禽发动机如此特别,猛禽发动机对比其他发动机如何,为何它使用甲烷作为燃料,也希望大家自己能想通猛禽发动机是不是最强火箭发动机。

 

事先说一下,这篇文章篇幅很长,但如果你和我一样一直关注猛禽发动机的各种传闻,又想去深入了解一下猛禽发动机,但又不知道从何查起……那我建议你先收藏再看。

 

而我在这个科目上已经身经百战见得多了,所以我有一个很好的基础来让大家完全了解猛禽发动机……骗你的,其实是所有火箭发动机。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

正常的火箭发动机示意图

又或许你和我一样,曾注视着上面那张图表几个小时结果每次脑子都要爆炸了却还没看出个门道。所以为了防止各位脑子爆炸,我将它们高度简化了有关火箭发动机循环方式的部分,希望能让大家更好地理解其概念。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

高度简化版本

首先给大家补习一些物理知识……但我们要事无巨细地深入讲很多本质上的细节。希望到这篇文章的最后,读者能掌握火箭发动机的工作原理,了解不同种类的液体燃料火箭发动机,以及懂得甲烷是很好的燃料选择的原因,并明白猛禽发动机是如何打败其他种类热门发动机的。

 

火箭基本就是一个大燃料罐里面装着很多燃料,燃料罐的菊花有个东西能把燃料超快的喷射出去,更简单的说,燃料喷射的速度越快越好。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

喷的越快越好

想做到此事最简单的办法是以很高的压力在燃料罐中储存燃料,然后在燃料罐一端放一个阀门,再放一个喷嘴来让燃料加速从而产生推力,搞定!没有多么厉害的泵,也没有多么复杂的系统,开个阀门,喷就完事了。

 

这种叫做挤压供应火箭发动机,有这么几种主要类型:冷气(cold gas)、单组元及双组元挤压供应式发动机。你会发现这些经常用在反作用控制系统上(Reaction Control Systems, RCS),因为它们简单、可靠、反应迅速。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

燃料总从高压流向低压

但挤压供应发动机有一个巨大的限制因素——燃料总是从高压流向低压,所以发动机的压强永远不能比燃料罐高。同时,为了保存高压燃料,你的燃料罐必须非常结实,导致其越来越厚,越来越重。来看看复合材料压力容器(Composite Overwrapped Pressure Vessels, COPV),它们能够以超过10000PSI、700bar(70MPa)的压力储存气体。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

提高压力,就要增加贮箱壁厚

即便如此,燃料管能容纳的燃料和压力仍然有限,当你想把载荷送进轨道的时候,这种方法也不会提高多少运力。所以聪明的火箭科学家们很快意识到,想让火箭尽可能的轻,那有一个办法——提高焓(这要是个90年代重金属乐队的名字就老牛逼了)。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

INCREASE THE ENTHALPY, “提高焓”重金属乐队(纯属恶搞)

焓主要意义是体积、压强、温度之间的关系,燃烧室内更高的压强和温度等于更高的效率,而更多的质量从火箭喷出带来的是更高的推力。所以想要把更多燃料挤进发动机,你可以提高燃料罐的压强,或者干脆使用超大功率的泵把燃料挤进燃烧室,听起来第二个主意很不错。

 

但泵每秒会推动上百升燃料,需要很多……是需要非常极其相当多的能量才能驱动。所以假设我们有一个小火箭发动机,然后在右边放一个涡轮让泵转得飞快?同时你可以把火箭燃料的一部分化学能转换成动能从而驱动这些大功率的燃料泵。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

欢迎来到涡轮泵与分级燃烧循环的课堂!但你还会遇到一些限制因素,比如燃料总是从高压流向低压,热量太高会熔化周围的东西怎么办……所以你要把这些都记在“小本本”上,在之后尝试榨干你的发动机的每一滴性能时经常检查它们。而发动机也有很多种循环方式,但我只打算讲其中三种最常见的,或者至少是在了解猛禽发动机之前需要知道的三种最重要的循环方式。

 

我们要讲解的有:燃气发生器循环、部分流量分级燃烧循环以及最后的全流量分级燃烧循环

 

先从燃气发生器循环,也叫开式循环开始讲起。这应该是液体燃料入轨级火箭发动机里最常见的循环方式,它肯定比挤压供应系统复杂,但至少闭式循环的那些发动机相比也还算简单。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

现实的发动机是极其复杂的,图为F-1发动机

现在为方便大家理解我要极度简化它,在现实生活中,发动机上到处都有无数的阀门、线缆和细小的管路,有氦气为燃料罐增压,燃料会流经喷管、燃烧室来为其冷却,预燃室、燃烧室内还要有点火源……但我的目的是让其更加简化更易理解,所以大家知道我省略了很多东西就好。但从现在开始我们要关注这些发动机内的流动情况,从而掌握我要讲的概念。看这样的图明显更加轻松,不会一脸懵逼。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

开式循环(燃气发生器循环)

燃气发生器循环(上图)通过一个涡轮泵把燃料和氧化剂泵入燃烧室。涡轮泵有几个主要部件:一个小型火箭发动机称为预燃室,涡轮通过轴给一或两个燃料泵提供动力,从而把燃料泵入燃烧室。你或许听说过涡轮泵和预燃室的组合叫做动力包(Power Pack,老外的叫法,在中国一般叫“半系统”),因为它真的就是给发动机提供动力的东西。在开式循环中,预燃室中燃烧过的燃料会直接排出,不提供任何显著的推力。这使得开式循环效率更低,因为驱动泵所使用的燃料和氧化剂基本全浪费了。

 

有一个小插曲,涡轮泵的启动过程本身有一个“先有鸡还是先有蛋”的问题,导致其启动很困难。因为驱动涡轮泵的预燃室需要高压燃料和氧化剂才能运行,所以预燃室需要涡轮泵转动才能让自己有完全可运行的压力状态,但涡轮泵又需要预燃室点火才能驱动自己,但预燃室又需要涡轮泵……这使得点燃燃气发生器循环发动机很需要技巧,有几种方法能够做到,但这就不是本篇文章的主题了。

 

回到涡轮泵上,记得压力总会从高处流向低处吧,所以涡轮泵压力要比燃烧室压力高,这意味着进入预燃室的管道是整个火箭发动机里压力最高的地方,其余“下游”部分与之相比都是低压。

 

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

注意梅林发动机预燃室废气管排出的黑烟(左侧)

但注意观察太空叉使用煤油和液氧作燃料的梅林发动机,注意预燃室废气管喷出的黑烟……为什么从那排出的尾气比火箭主燃烧室喷出的更黑呢?黑得几乎都看不见火焰了。这是因为火箭燃料燃烧时可达到上千摄氏度,为了保证温度不会高到让涡轮乃至整个涡轮泵组件熔化,就要保证它的温度低到能够持续运转的程度。以最佳燃料、氧化剂比例运转会有最高的效率,会产生最多的能量,但也会产生极大的热量。

 

所以为了保证温度够低,你可以让预燃室内的燃烧比稍微低于最优比。要么燃料过量,也叫富燃;要么氧化剂过量,也叫富氧。以富燃方式运行煤油发动机会有很多未燃烧的燃料以煤烟的形式冒出,高压下不完全燃烧的碳原子会形成聚合物,这个过程称为结焦。煤烟会黏在所有其经过的表面,可以堵塞喷注器甚至直接损伤涡轮本身。

 

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

那如果你不想浪费所有高压燃料呢?毕竟你为了降温都选择富燃了,那不就是有更多的未燃烧的燃料被浪费了吗?能不能干脆把热的废气用管子怼回主燃烧室?那么欢迎来到闭式循环的课堂!

 

闭式循环,或者叫分级循环,使用原本会直接排出的废气和主燃烧室连接起来从而提升压力、提高发动机效率。

 

所以我们把梅林发动机拿出来,把循环“关闭”起来,拿起排气管,直接怼进主燃烧室!大功告成?

拉倒吧!我们让一大堆煤烟糊死了所有喷注器,你可甭想上天了!

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

煤烟堵塞了喷注器,结果就是原地爆炸

但这有几种解决办法,我们看看苏联是怎么解决的。他们造的第一个能用的闭式循环发动机是N-1登月火箭的NK-15发动机(校注:原文如此,但世界第一型闭式循环发动机应该是科罗廖夫设计局研制的S1.5400液氧煤油发动机,GRAU代码为11D33,1960年就随闪电号运载火箭完成了首飞,而NK-15的首飞时间是1969年),它们之后升级成了NK-33,随后衍生出很多种型号,包括至今仍在Atlas V火箭上使用的RD-180(校注:严格来说RD-180和NK-15/33是不同设计局的产品,系统结构布局差别很大,不能简单地认为是衍生关系)。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

NK-15

NK-15和NK-33和梅林发动机一样都是以煤油为燃料,但又因为结焦的问题不能让预燃室富燃运行,所以如果你想造一种以煤油为燃料的闭式循环发动机就只能让预燃室富氧运行,轻而易举不是吗?那你就是把高温高压的气态氧灌了进去,几乎会把精密的、低容错的涡轮叶片吹成一锅粥。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

 

美国认为这样做是不可能的,他们基本上是放弃尝试了,他们认为不存在某种合金可以承受如此恶劣的条件,他们也不相信苏联会造出如此高效、大推力的煤油发动机。直到苏联解体以后,美国工程师才见到了那些发动机,并对其进行第一手测试。但毛子当年真的很努力,他们真的把可以承受预燃室内富氧的恶劣条件的特种合金造出来了。

 

在闭式循环发动机中,你不是使用一部分燃料和一部分氧化剂在预燃室内燃烧并驱动涡轮,而是把所有的氧化剂或者燃料以过量的形式通过涡轮。所以对于富氧循环来说,所有氧气都会经过预燃室,然后把特定量的燃料输往预燃室。你只需要给涡轮刚好足够的燃料来驱动燃料泵,从而给预燃室和主燃烧室提供正确的压力,以此产生正确的功率,把火箭送进太空。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

闭式循环(富氧)

回到富氧预燃室上,热的气态氧全部进入主燃烧室,遇到了液体燃料后发生爆炸,得到了一个完整高效的燃烧过程,不浪费一滴燃料!

 

再看“小本本”:燃烧室压力不能高于泵压力,所以燃料泵弱小无助的外表下却承受着巨大的负担。

 

所以如果你以为美国就那样坐视不管,让苏联人拿走所有闭式循环的荣耀,那你就错了。美国的确多花了点时间,但他们最终还是造出来了闭式循环发动机,但它和富氧循环非常不同,美国研发的闭式循环发动机的预燃室是富燃的……等下,说好的富燃预燃室的废气有过多的煤烟会导致结焦、毁掉一切东西吗?

 

如果你使用的是煤油等高碳含量燃料的话,那的确会发生结焦。所以美国用了另一种不同的燃料——氢。OK,我们现在避免了让高温高压气态氧冲击那些宝贝机器,但我们又遇到新麻烦了。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

液氧泵和煤油泵可以共用同一根轴

液氢的密度远远小于煤油和液氧,以至于需要非常巨大燃料泵才能准确地将氢送往燃烧室,与之相比,煤油和液氧的密度接近、混合比接近,可以用同一个预燃室驱动一根轴。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

航天飞机主发动机RS-25的两个预燃室 各自驱动两个泵

为此,Rocketdyne(洛克达因,美国大推力液体火箭发动机的最强公司,这公司近几年比较失意。详见:美国航天动力格局变化剖析——从AR-1发动机落选“火神”一级主动力竞标引起的思考)的工程师为航天飞机研发了RS-25发动机。他们意识到氢和氧的两个泵区别非常大,可能需要两个不同的预燃室,一个驱动氢泵一个驱动氧泵——他们的确这样做了。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

高压气氢容易泄露到液氧泵中 引发爆炸

但使用两根独立的轴又带来了新问题,工程师把高温高压的氢气就放在了同一根轴驱动的液氧泵的隔壁,一旦那一部分氢气从预燃室泄漏到液氧泵,就会在液氧泵内引发大爆炸,后果很严重。氢又非常难储存,因为它密度太低、太轻了,会从细小缝隙中泄漏出去,到处乱飘。所以工程师们不得不为此设计一个复杂的密封装置放置氢泄漏。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

氢气密封装置

这种密封方法叫吹气密封,实际中是用氦气加压的,使其成为压力最高的地方。即使密封泄漏,流出来的也是惰性的氦气。很精巧的方法,但你们要是注意到了图中液氧泵和氢泵的密封部分的不同,就可以看出工程师们为了防止氢泄漏花了多少时间精力了。想出这些设计的人简直是不是人。

 

现在我们讲完了双预燃室富燃的RS-25发动机,接下来看其简化的图表。我没费劲地把两个泵画成不一样的大小,因为我只想让大家关注流向,让其变得尽可能简单。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

闭式循环(富燃)

但请记住,RS-25发动机以富燃方式运转的两个预燃室,虽然看起来一样,却是驱动各自的泵。RS-25发动机几乎仍然是人类制造过的最好的发动机,有着较高的推重比和与之不符的高效率(航天飞机退役后,RS-25继续在NASA的重型火箭SLS和波音的XS-1项目上使用,主页君注)

 

闭式循环提升了发动机的整体性能,有很大的优势,那还能有哪些改进呢?我们终于可以开始讲FFSCC(全流量分级燃烧循环)了,它基本上是组合了刚讲过的上述两种循环方式——两个预燃室,一个富燃运行、一个富氧运行。富燃预燃室驱动燃料泵,富氧预燃室驱动液氧泵。这意味着FFSCC需要研发出特种合金来克服富氧情况下的困难。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

全流量分级燃烧循环(请和上图详细对比)

所以太空叉在自家工厂研发出了名为”SX500″的特种合金,根据马一龙所述,SX500可以承受800bar(80MPa)的高温富氧燃气。这可能是研发猛禽发动机过程中的最大障碍之一了。

 

幸运的是,富燃的预燃室只驱动燃料泵,所以如果高温富燃燃气从泵轴处泄漏,它也只会遇到更多的燃料,没啥大事,因此不需要那些非常非常精细的密封装置。FFSCC不太可能用煤油作燃料,因为富燃预燃室会有结焦的问题,而其他燃料仍可以使用这种设计,不过这个我们稍后再讲。

 

该系统的优势在于燃料和氧化剂在到达主燃烧室的时候都是气态,它们会更加充分的燃烧,可以达到更高的温度;还不需要上述提到的非常精密的密封系统,继续减少维护——这些对于仅需几次甚至不需要翻新就能多次重复使用的发动机来说肯定是很有利的。

 

最后,因为其本身流量的极大提高,或者说燃料会更快地射入预燃室,让涡轮可以以更低的温度、更低的压力工作,因为驱动涡轮泵所需的燃料氧化剂混合比大大减小。而你们这样想,在开式循环的预燃室中你只想用尽可能少的燃料和氧化剂,因为它们都浪费了,而你又想让它越热越好,因为那样才更有效率。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

全流量分级燃烧循环 对比 开式循环(燃气发生器循环)

但在FFSCC中,所有的燃料和所有的氧化剂都会经过预燃室,所以你想要多少燃料、氧化剂来驱动涡轮泵你就可以拿多少。也正因如此,你的两个预燃室会极度富燃与极度富氧,使得两边涡轮的温度大大降低,意味着可以大大提升涡轮泵组件的寿命。这还意味着在主燃烧室内的燃烧更多,预燃室内的燃烧更少。

 

现在到了牛逼的部分了,使用FFSCC的发动机,迄今为止只有三种

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

RD-270

六十年代苏联研发了从未上过天的RD-270发动机;在21世纪初,Aerojet和Rocketdyne研发过一款“集成动力验证器”,最后连试车台都没撑过去。

想详细了解RD-270的可以阅读本号往期文章:

 

第三次FFSCC发动机的尝试就是太空叉的猛禽发动机了!当当当当!主角登场!没错,猛禽发动机是这种疯狂类型发动机的“唯三”之一,也是唯一一个把发动机试车台留下的发动机!希望老天保佑,让它成为第一个入轨的FFSCC发动 机吧。好吧,其实几乎任何和这个发动机有关的内容都是零的突破。

 

但这也意味着太空叉需要克服重重艰难险阻,不单单指富燃循环所遇到的困难,他们还要学会如何控制燃料流量以创造所有火箭从未达到过的燃烧室压强——270bar(27MPa)——最终打破了RD-180的265bar(26.5MPa)的纪录。而这还不够,他们的目标是300bar(30MPa),这简直牛逼疯了。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

今天讲到的三种循环、四个例子

之前说过猛禽发动机不能使用煤油燃料运行富燃预燃室,你可能会想那最合乎逻辑的燃料就当属氢了……可太空叉既没有选择煤油也没选择液氢,他们选择了液态甲烷!终于来到下一个话题了——为什么太空叉选择液态甲烷作为猛禽发动机的燃料?甲烷有哪些优于液氢或煤油的特性?

 

 

迄今为止还没有液态甲烷发动机进入轨道,所以它有哪些优点值得作为燃料呢?我们把甲烷和煤油、氢作下对比……我们把甲烷放在煤油和氢的中间,稍后你就会知道为什么要这样。

 

我们先看设计火箭一级时可能是最重要的因素——燃料的密度。燃料密度大,意味着同样质量的燃料,燃料罐可以更小更轻,更小的燃料罐就有更轻的火箭。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

三种燃料属性对比

这是三种燃料的密度,单位是克每升(g/L),就是说一升这样的燃料有多重,准确讲是质量是多少。

 

先说煤油,密度813g/L,是液氢的70g/L的11倍,而液态甲烷居中,422g/L。

 

要注意的是,煤油的813g/L的数值只是平均值,对于太空叉来说,他们会为猎鹰九号、重型猎鹰火箭的煤油降温以提高2-4%的密度,但历史上煤油的密度差不多就是813克每升。

 

所以从密度来讲,甲烷的性能在煤油和液氢的正中间,但除了密度还有很多要考虑的因素,我们还要考虑燃料燃烧量与氧化剂燃烧量的比值,也就是氧化剂-燃料混合比。

 

这里事情就有意思了,表格也会小有改变。火箭工程师们要计算的是燃料的质量以及相应的燃料罐的重量,所以他们不会让燃料处在完全理想的燃烧比,他们找到了一个合适的折中来平衡燃料罐体积、推力和比冲。

 

我们来看看工程师要面对的各种燃料氧化剂质量比:燃烧1克煤油需要消耗2.7克氧;燃烧1克氢需要6克氧;燃烧1克甲烷需要3.7克氧。这些数字可以稍微缩小之前密度带来的巨大差异。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

三种燃料体积可视化

我们将上述数据可视化,液氧密度为1,141g/L,比煤油稍微大一点,而两者燃烧质量比为2.7:1,所以每一升液氧可以供半升多一点的煤油燃烧。接下来是液氢,因为它的密度是煤油的1/11,你或许会以为需要11倍大的燃料罐,但工程师发现让液氧液氢以6:1的质量比燃烧是个很不错的权宜之计,结果就是每升液氧可以供2.7升的液氢燃烧,也就是说同样体积的液氧,液氢的燃料罐要比煤油的大五倍左右

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

猎鹰九号和Delta IV火箭燃料罐体积对比

所以烧液氢的Delta IV火箭和烧煤油的猎鹰九号火箭对比一看,你会发现猎鹰九号燃料罐比液氧罐小很多,但Delta IV火箭是完全反过来,液氧罐比液氢罐小很多。

 

接下来说甲烷,这就有意思了,液氧密度是液态甲烷的2.7倍,而燃烧1克甲烷需要3.7克氧,每升液氧需要0.73升甲烷。也就是说,尽管煤油密度是甲烷的近两倍,同样的液氧,液态甲烷罐却只比煤油罐大40%,而液氢罐则是液态甲烷罐的3.7倍。所以考虑了燃料-氧化剂混合比后,甲烷燃料罐的体积比液氢更加接近煤油的燃料罐体积。

 

另一个所有火箭发动机都有的重要因素是效率,衡量标准是”比冲”(Isp)。你可以认为它有点像汽车的燃油经济性,比冲高类似于汽车每升燃油能跑得更远。理解比冲的最好办法是想象你有燃料和氧化剂共1千克,你的发动机能以9.8牛顿的力推进多少秒。发动机用那种质量的燃料能以那样大的力、推进越久,它的比冲就越高,也就能用同样多的燃料做更多的事。

 

比冲越高,干同样的事情燃料消耗就越少,所以比冲越高越好。发动机的燃油效率非常重要,而由于每种燃料的分子组成、燃烧释放能量不同,它们将废气以多快从喷嘴喷出的潜力也不同,这意味着每种燃料都有不同的理论比冲。

 

在理想、完美的世界中,煤油发动机比冲可以达到370秒,理想液氢燃料发动机可以达到532秒,甲烷发动机又在中间,459秒。现实中的会低一些,像真空型梅林1D发动机这样的煤油发动机比冲大约在350秒,像真空型猛禽发动机这样的甲烷发动机比冲未来或许可以达到380秒,而像RL-10B-2发动机这样的液氢发动机比冲大约在465秒左右。

 

接下来说说每种燃料的燃烧温度,燃烧温度更低,对发动机更好,可以潜在地提升发动机寿命。煤油燃烧温度3670K,液氢是3070K,甲烷又在中间,温度是3550开。

 

既然说到了温度,咱们再说说这些燃料的沸点,也就是液体燃料会在什么温度时变为气体。因为所有燃料都必须保持液态才能维持其密度,沸点越高保存就越简单,更高的沸点也意味着燃料罐需要很少甚至不需要隔热措施就能防止燃料沸腾,而减少隔热措施就意味着燃料罐更轻。

 

煤油的沸点高达490开,比水还要高。而另一边的液氢则接近绝对零度,仅20K——这种低温使其需要非常严肃地考虑保温隔热措施。而甲烷又在中间,沸点是111开——虽然还是非常低,仍然需要有保温上的考虑,但至少其沸点和液氧很接近,所以还算OK。而正因为其沸点和液氧很接近,燃料罐和液氧罐可以使用共底储箱,继续减轻火箭重量,而液氧和液氢的温度差距如此大,以至于液氧会让液氢沸腾,液氢会让液氧凝固。(译注:液氢液氧也可以使用共底储箱,只是相比液氧甲烷共底储箱会有更多的隔热设计)

 

然后说排出的废气,即这些燃料的燃烧产物。煤油是唯一一种会产生不完全燃烧的碳并排放进大气中的,同时还会产生水蒸气,而液氢燃烧只产生水,甲烷燃烧产生水和二氧化碳。但非常有趣的一个冷知识是,高空大气中的水蒸气也是很糟糕的温室气体。

 

还有一个很多人可能会忽略的是燃料价格。这个数值很难确定,但我们可以大概估计一下。火箭煤油是高度精炼的航空燃油,而航空燃油是高度精炼的煤油,煤油是高度精炼的柴油。所以我们可以估计煤油比柴油贵得多。

 

而氢虽然含量很多,但却很贵,因为它的精炼、储存、运输都有很高的的成本。但甲烷就是天然气的主要成分,所以可以很便宜。当用在火箭上,成吨地“批发”燃料的话,它们之间价格差距还会进一步拉大,所以虽然相比整个火箭,燃料简直像不要钱一样,但我们还是要把它作为一个考虑因素。而我们又没有准确数值,所以就不把燃料价格放进表格里了。那我们转而谈论另一个有关燃料的重要话题——制备方式,而这恰恰说明了太空叉把甲烷看成其未来很重要甚至必不可少的一环的原因。

 

太空叉的终极目标是研发能多次运输人类往返火星的系统,火星大气富含二氧化碳,而将其与火星表面或地下水结合后,利用电解、萨巴蒂尔反应,火星大气就能变成甲烷燃料。所以你根本不需要带所有供你返回的燃料,因为你可以在火星就地取材,这个过程叫原位资源利用(ISRU)。那你又会问,既然有水,为啥不能在火星表面直接制取氢作为燃料呢?这倒没错,但液氢在长期任务中最大的问题之一就是液氢的沸点。别忘了之前提到把氢保持在液态是非常费劲的事情,而让其保持液态又是用氢作为燃料的必要步骤。

 

所以对于太空叉来说,甲烷更合适。密度相对较高,火箭尺寸可以更合理;效率相对较高,燃烧充分,适用于高度可复用发动机;燃烧温度相对较低,有助于延长发动机寿命,有助于其复用;甲烷很便宜,也很容易生产,可以在火星表面很容易制取。

 

我们终于讲到这里了!现在大家已经掌握了不同发动机循环的原理以及它们各自使用的燃料,可以把它们放在一起,对比一下各自的参数以便于我们了解各种发动机定位如何了。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

发动机参数对比

现在我们把它们按照燃料种类和循环方式排列好,先从太空叉用于猎鹰九号和重型猎鹰火箭上的开式循环梅林发动机开始,然后是用于Atlas V(宇宙神5)火箭的动力机械科研生产联合体富氧闭式循环RD-180发动机,然后是Rocketdyne生产的用于Saturn V(土星五)的开式循环F-1发动机,上述三种发动机都使用煤油为燃料。接下来是太空叉的FFSCC猛禽发动机,将用于Starship和其超重型的助推上;然后是蓝色起源的闭式循环富氧甲烷BE-4发动机,将用于其新格伦火箭和联合发射联盟即将到来的火神火箭上;然后是Aerojet和Rocketdyne用于航天飞机上的闭式循环富燃RS-25发动机,将用于即将到来的以液氢为燃料的SLS火箭。

 

注意,在本文发布的时候,猛禽和BE-4发动机还处于研发状态,所以我们所拥有的数据是其当前进展状态,比如猛禽发动机的数据持续在更新,BE-4的承诺还没兑现。所以希望大家知道,这两款发动机的数据是会变的。

 

还有注意的是,观察RD-180发动机,别整蒙了,这是一台发动机,只是有两个燃烧室,它们公用唯一的一个涡轮泵。毛子解决了高温氧气富氧闭式循环的顶级难题,却没解决大型发动机燃烧稳定性的问题,所以他们没用使用单个大燃烧室,而是使用了多个小的。

 

那么首先我们看看这些发动机的海平面推力,因为它们全都是从海平面开始工作的,所以这样比较还算公平。咱们从最小的开始,这样比较有意思。梅林发动机推力是0.84兆牛,RS-25发动机推力是1.86兆牛,猛禽发动机推力目前是2兆牛,BE-4发动机推力预期可达2.4兆牛,RD-180发动机推力是3.83兆牛,F-1发动机至今仍然是推力冠军,高达6.77兆牛。

 

曾有一款发动机叫RD-170推力其实比F-1发动机还要大,但它飞行次数极少,且与表格里这些发动机关系不大,我觉得选一些使用次数比较多的发动机作为例子更好。

 

推力是个好东西,但或许重要性只和设计火箭时的推重比一样,即或者说是发动机重量与其产生推力相比如何。高推重比的发动机,最终会让火箭拖着更少的死重飞行。

 

我们从推重比最小的开始说起,推重比最小的是航天飞机的RS-25发动机,73:1;然后是RD-180发动机,78:1;然后是BE-4发动机,大约80:1,别忘了这个数字并不是完全精确的,所以应该还有浮动空间;然后是F-1发动机,94:1;接下来是猛禽发动机,目前推重比是107:1;最后梅林发动机摘得桂冠,推重比达到惊人的198:1

 

推力大的确是好事,但如果效率低下的话推力再大有啥用。所以接下来我们对比它们的比冲,仍然是以秒为单位。比冲最低的是F-1发动机,只有263-304秒;然后是梅林发动机,比冲是282-311秒;然后是RD-180发动机,比冲是311-338秒;同一梯队的BE-4发动机比冲大约是310-340秒;然后是猛禽发动机,比冲大约是330-350秒;最后比冲最高的是遥遥领先的RS-25发动机,为366-452秒

 

而同时影响推力和比冲的因素是燃烧室室压,大体上讲就是室压越高推力越大,发动机潜在的效率也就越大。推力相同的情况下,更高的室压可以让发动机更小,同样可以提高其推重比。这当中室压最小的发动机是F-1,只有70bar(7MPa)。但我现在要提醒你们一句,即使是70bar(7MPa),也相当于70倍大气压强,相当于你在水下700米受到的压力!所以即使是这当中最低的室压,也是惊人的大。接下来是梅林发动机的97bar(9.7MPa),BE-4是大约135bar(13.5MPa),然后是RS-25发动机206bar(20.6MPa),然后是现役发动机中室压最高的RD-180发动机,约257bar(25.7MPa),它是目前表格中仅次于猛禽发动机的。而后者将是新的室压之王,目前可达到270bar(27MPa),并有希望达到300bar(30MPa),而300bar(30MPa)将会是海底三千米的压力!

 

好了,发动机本身的参数说得差不多了,我们来看看它们使用时要考虑的事项,首先是预计造价。需要重申的是这仍然是很难确定的一个数值,所以表格中将是最低的估计值,且全部考虑到通货膨胀而换算成了今天的美元。

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?

发动机经济性、可靠性对比

我们从最贵的讲到最便宜的:表格中最贵的是RS-25发动机,每台发动机标价超过5000万美元;接下来是F-1发动机,每台大约三千万美元;然后是RD-180发动机,每台2500万美元;然后是BE-4发动机,每台大约800万美元。关于猛禽发动机,马一龙曾提到他认为猛禽发动机的造价可以和梅林发动机一样低,前提是他们能够降低当前发动机大量的复杂度,所以我觉得200万美元算是个不错的估计值。然后是梅林发动机,我觉得造价可以低于100万美元。

 

造价是一方面,但另一个有关造价的非常重要的考量是发动机是否可复用。而这里面只有RD-180和F-1发动机是不可复用的,或者至少从未复用过,这和其余所有(将)会多次复用的发动机是不同的。RS-25发动机复用记录是单台发动机复用19次,当然每次中间都要经历几个月的翻新。梅林发动机预期可以做到不进行大规模翻新而飞行多达10次,我们了解到BE-4发动机设计可复用次数可达25次,而我认为猛禽发动机预期可飞行50次,但理想是美好的,现实如何就另说了。

 

有关价格还有一些更有意思的概念。首先是马一龙在2019年2月的推特中提过的参数,他说他们希望让猛禽优势体现在“推价比”上。你一细想会发现这个概念很有意思,如果推力相同时一个大发动机比两个小的更便宜或者更贵,那肯定哪个便宜选哪个呀!所以接下来我们看看这些发动机的“推价比”(单位:美元/千牛推力)。先从推价比最高的开始,RS-25发动机推价比高达26881美元/千牛推力;然后是RD-180发动机的6527美元/千牛推力;然后是F-1发动机的4431美元/千牛推力;然后是BE-4发动机的3333美元/千牛推力;然后是梅林发动机的1170美元/千牛推力;然后是猛禽发动机,大约是1000美元/千牛推力

 

但我们还可以再进一步想,我们不但已经知道了它们的推价比,我们还知道各自的复用潜力。所以我们可以预测它们潜在的单次推价比[单位:美元/(千牛推力×次)]。数据基于其各自实际可复用次数,首先RD-180和F-1发动机无法复用,所以单次推价比等于推价比。但对于剩下的发动机,如果我们考虑进它们(将)飞行的次数,我们就能看出RS-25发动机的复用性抵消了之前的高推价比,可以拉低到1414美元/(千牛推力×次)。但接下来更厉害,蓝色起源的BE-4发动机可谓改变了游戏规则,25次飞行的情况下单次推价比约133美元/(千牛推力×次),与之相近的是梅林发动机的117美元/(千牛推力×次)。但如果猛禽发动机兑现了它的承诺,那它能把这个数值一路拉低至20美元/(千牛推力×次),这个数值简直可以血洗整个航天市场。

 

诚然,造价和复用性是21世纪航天的焦点,但之前老生常谈的可靠性又如何呢?首先我们看看这些发动机都飞了多少次,在本文发布的时候,猛禽和BE-4发动机都没有任何飞行次数。虽然猛禽发动机已经要离开试车台,准备装到像Starhopper这样的测试载具上了,但截至目前,它们都没有实际飞行记录。所以我们来看看其他发动机,首先F-1发动机飞行了17次,然后是梅林发动机的71次,很快就要超过RD-180发动机的79次了,而它们中最多的是RS-25发动机的135次。

 

那它们在工作时的可靠性如何呢?可靠性只有在参考了飞行次数后才有意义,才能让我们更好的了解发动机到底有多可靠。而这个数值又很难确定,因为有些发动机可能过早关机,其所在的任务仍然成功了,所以希望大家留意此事。BE-4和猛禽发动机数据仍然没有,因为都没上过天;然后是航天飞机主发动机RS-25,可靠性超过99.5%,但对于发动机异常关机来说是很难定义的;然后梅林发动机可靠性99.9%,每次发射要用10台发动机的情况下这还是很让人安慰的数值,而梅林发动机整个生涯也只有一次失效,且那次任务仍然成功了,所以梅林发动机是很可靠的;而最后,理论上讲RD-180和F-1发动机是100%可靠的。而F-1发动机也从未在飞行中异常关机过,我要在表格中为它的“100%”加粗。而根据每个人心中的成功与可靠性的定义,理论上RD-180只能“算是”100%可靠,因为它运气超好。在2016年Atlas V某次任务中它提前6秒关机,原因是一个阀门的故障,但任务仍然是成功的。那次完全是靠运气,因为半人马上面级为任务带了足够多的额外速度增量,如果那个阀门再早一秒失效,那次任务就凉凉了。

 

见识到那么多数据和要考究的项,你可能会发现造一个火箭竟然要考虑这么多东西。任何一个微小的改动,都能为整个设计带来巨大的连锁反应,从而影响到整个火箭的制造。

 

我们最后来回顾一下,我们已经了解了所有循环方法、燃料种类,也知道了太空叉的愿景。那现在我们能不能想通为何会出现猛禽发动机,并且能不能理解研发它的意义呢?

 

我们看看太空叉的终极计划——制造一款可多次、完全可复用的火箭,让人类尽可能廉价地定期往返月球和火星,这和平常的火箭目标可不太一样。

 

为了能多次、完全可复用,发动机必须无结焦;且需要简单的涡轮泵密封以达到低维护,还需要低预燃室温度。甲烷燃料全流量分级燃烧循环发动机听上去不错。

 

为了可靠性、冗余性、和制造上的考虑,配备多台发动机是个合理选择;为了让发动机尽可能小,推力尽可能大,燃烧室室压就要高。甲烷燃料全流量分级燃烧循环发动机听上去不错。

 

而对于行星际旅行来说,甲烷也更合理,因为其沸点可以让去火星这种长期飞行变为可能,而且你可以在火星上制取甲烷。所以对于行星际旅行,甲烷燃料全流量分级燃烧循环发动机听上去不错。

 

甲烷密度还算大,燃料罐体积可以说得过去,这同样有利于行星际旅行,可以减少很多死重。所以甲烷燃料全流量分级燃烧循环发动机听上去不错。

 

回到本文的标题上来——猛禽发动机是最强火箭发动机吗?其实你会发现火箭科学和所有东西一样都是一堆复杂东西的最终妥协罢了:

 

它是最有效率的发动机吗?不是。

 

它是推力最大的发动机吗?不是。

 

它是最便宜的发动机吗?可能不是。

 

它是可复用性最强的发动机吗?或许吧。

 

它满足它的各项需求吗?太满足了,简直是量身打造的。

 

而且尽管它很复杂,但太空叉仍在飞快改进这款发动机。你要是知道过去十年太空叉把梅林发动机改成啥样了就会明白,我们现在看到的猛禽发动机还是太年轻,它未来只会变得越来越牛逼,这才是最可怕的。

 

所以总的来讲,对于这样的需求来说,猛禽发动机的确是最强的,它能实现太空叉Starship火箭的美好目标。对于其他需求来说,它是最好的吗?那就说不准了。也正因如此,火箭科学家、工程师们才每天都在做出那些疯狂的决定与妥协!

 

所以大家怎么看?费尽周折造这么一个疯狂的发动机值吗?这一切会是猛禽发动机的开始吗?最后,你觉得猛禽发动机是最强火箭发动机吗?

 

(全文完)


 

相关或延伸阅读:

  1. 从传奇的苏联RD-270到SpaceX新一代猛禽发动机——浅谈全流量分级燃烧循环的前生今世

  2. [深度]从闭门羹到猛禽—SpaceX坎坷的发动机之路(上)

  3. [深度]从闭门羹到猛禽—SpaceX坎坷的发动机之路(中)

  4. [深度]从闭门羹到猛禽—SpaceX坎坷的发动机之路(完结篇)

  5. 美国航天动力格局变化剖析——从AR-1发动机落选“火神”一级主动力竞标引起的思考

  6. 帝国的余辉—苏联能源号火箭主发动机RD-0120简介

SpaceX的猛禽是目前最强的火箭发动机吗?


想了解更多的航天科普新闻,请关注我们的公众号“航天爱好者”!

欢迎各位爱好者投稿,各抒己见,畅所欲言!

欢迎访问我们的网站:www.spaceflightfans.cn

最新的航天新闻聚合和发射预报

发表评论

电子邮件地址不会被公开。