SpaceX正在测试新型火箭发动机 很快将改变世界航天格局

据国外媒体报道，SpaceX公司首席执行官埃隆·马斯克（Elon Musk）决心要把人类送上火星。要做到这一点，人类需要一艘巨大的宇宙飞船，并由一种前所未有的新型火箭发动机提供动力。而猛禽(Raptor)发动机就是SpaceX未来努力的方向。

猛禽发动机的设计目的是为SpaceX正在建造的新型可重复使用的航天器、星际飞船以及超重型火箭提供动力。在设计上，这些巨大的航天器最多可同时搭载100人进入太空。SpaceX计划在2023年将人类送入月球轨道，为前往月球和火星做准备。2019年2月，SpaceX测试了首个飞行版的猛禽发动机，并于上周在对名为Starhopper的星际飞船原型进行“跳跃”测试的过程中对猛禽发动机进行了飞行试验。

猛禽发动机已经开发了近十年时间，经历多次迭代。其核心就像其他火箭发动机一样，燃烧化学燃料来产生推力。但它所使用的液氧和甲烷在火箭行业基本上是前所未有的，加上发动机的创新设计意味着猛禽发动机是SpaceX探索太阳系的王牌主力。

“没有其他火箭发动机能像猛禽发动机那样，从液态甲烷和液态氧的反应中产生如此多的推力，”运营Everyday Astronaut YouTube频道的行业专家蒂姆·多德(Tim Dodd)表示。“SpaceX的想法是让它猛禽发动机在几乎不进行翻新的情况下，得以重复使用。如果这种发动机能够一遍又一遍地投入发射，这肯定会有助于公司的商业运营。”

火箭发动机的可重用使用是一个关键方面，正如马斯克所说，每个火箭发动机需要能够重复飞行1000次，以支持星际飞船的运营。这是一个重大挑战：在太空探索的历史上，重复使用最多的发动机是每架航天飞机的主发动机，但每架航天飞机最多也只能飞行几十次。多德说：“这是一项雄心勃勃的计划。“我不知道在不久的将来猛禽发动机是否一定能实现1000次重复飞行。如果它能完全发挥出潜力，也许终有一天能达到1000次。”

现有的梅林发动机

SpaceX现有的发动机名为“梅林”(Merlin)，主要用于其猎鹰9号和重型猎鹰火箭的发射，但猛禽发动机相比于梅林预示着一个重大改进。其一是由于发动机的压力更高，其推力比梅林增加了一倍。尽管大小相似，但相比于梅林的86000公斤的推力，猛禽发动机在海平面上的推力达到了17万公斤。

另一个方面是甲烷的使用。迄今为止还没有任何甲烷动力火箭进入轨道，Starhopper几天前的测试跳跃是甲烷发动机第一次真正飞行。与煤油等其他燃料相比，甲烷可以防止发动机中沉积物的累积，而煤油在燃烧过程中会因为焦化现象而导致沉积物在发动机中不断累积。此外，甲烷的密度比其他燃料要高，因此可以以更低的成本获得更高的性能。

“液体火箭的推进剂成本在总发射成本中所占的比例很小，”空间顾问兰德·辛伯格(Rand Simberg)表示。“对于可重复使用的飞行器，我们想要达到关心推进剂成本的程度。在航空公司，燃料通常占总运营成本的35%。传统上，燃料成本占火箭发射总成本的比例不到1%。”

猛禽发动机采用了全流量分级燃烧发动机的设计，这是历史上第三台采用这种技术的发动机，而梅林发动机使用了更常见的开式循环系统。上世纪60年代的苏联和本世纪初的美国都曾尝试过开发全流量分级燃烧发动机，但都没有成功。

全流量分级燃烧发动机是利用在预燃室中注入少量燃料，产生高温燃气推动发动机的涡轮和泵。通常情况下，传统的开式循环发动机会在启动发动机这一过程中消耗掉一些推进剂，而猛禽发动机将有效利用每一滴可用的推进剂，使其成为有史以来最为高效的火箭发动机之一。

来自麻省理工学院的太空顾问查理·加西亚（Charlie Garcia）说:“猛禽发动机在足够高的压力下燃烧这些燃料，然后把预燃室中的废气和推进剂一起注入燃烧室，从而实现推进剂的完全燃烧。”“这是一种非常聪明的方式，只有俄罗斯人以前这么做过……通过预燃室把所有推进剂都注入发动机。”

最终的结果是猛禽发动机的压力要比梅林发动机高得多，大约是后者的三倍，这使它成为现存压力最高的火箭发动机。高压也使得同等体积的猛禽发动机推力比梅林更大。2016年，马斯克提到发动机主腔内的“疯狂压力”达到了30Mpa(300个大气压)，这需要开发为猛禽发动机开发一种新的金属合金。

当然，猛禽发动机相对于其前辈梅林发动机的重大创新是甲烷的使用，这可以追溯到SpaceX的最终目标。SpaceX并不是唯一一家转向采用甲烷作为燃料的公司，由亚马逊首席执行官杰夫·贝索斯（Jeff Bezos）领导的竞争对手蓝色起源公司也在开发自己的甲烷发动机，名为Blue Engine 4 (BE-4)。由于液态甲烷发动机有很多显而易见的好处，这是一个早就应该到来的转变。

以前的大多数火箭发动机都依靠煤油等燃料。但使用甲烷的主要好处是，它比其他燃料密度大得多，这意味着火箭可以更小。它的低成本也意味着总发射成本可以降低。

这一点可能至关重要，因为SpaceX至少希望制造数量巨大的猛禽发动机。每艘星际飞船都配备6个猛禽发动机，而超级重型火箭有35个猛禽发动机，这意味着每次发射总共有41个猛禽发动机。SpaceX目前最大的火箭重型猎鹰一共使用了28个梅林发动机，其中底部27个，上部1个。随着SpaceX计划发射更多数量的星际飞船和超级重型火箭，发动机的生产速度将需要显著提高。

多德表示：“由于他们在超级重型火箭上使用了如此多的猛禽发动机，SpaceX将不得不以绝对疯狂的速度提高制造能力。”“伊隆说要在12小时内完成一个，这在业内是闻所未闻的。即使他们每周做一个，也会让人印象深刻。”

人们还相信，可以在火星表面或太空的其他地方提取甲烷用作发动机燃料。也许是通过在其他天体表面开采水和二氧化碳达到这一目的，这种方式被称为就地资源利用。来自咨询公司SpaceWorks的行业分析师凯莱布·威廉斯（Caleb Williams）说：“你可以很容易地从火星表面，甚至是月球表面提取甲烷。”

这对于SpaceX实现星际飞船从地球往返火星的目标至关重要，使其在燃料方面几乎能够自给自足。“这一直是人类进入太阳系的圣杯，”加西亚说。“因为当你可以在太空中补充燃料时，你的推进剂就不必来自地球了。”

除此之外，猛禽发动机还代表着SpaceX的雄心壮志发生了重大转变，从规模不大的地面发射转向了对太阳系的无尽探索。Starhopper星际飞船原型最近的测试是朝着正确方向迈出的关键一步，如果猛禽发动机能实现它的部分承诺，未来将会非常光明。如果SpaceX真的能到达火星，猛禽发动机将在其中扮演重要角色。（腾讯科技编译/皎晗）