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2023年4月20日，馬斯克旗下太空探索技術公司（SpaceX）研發的“星艦”超重型火箭，發射後三分鍾發生非計劃內(nei) 解體(ti) ，在高空爆炸。馬斯克表示，公司會(hui) 總結經驗，在幾個(ge) 月後嚐試再次發射。“星艦”發射雖然失敗了，但其使用的發動機“猛禽”依然獲得廣泛關(guan) 注，被譽為(wei) 是跨時代的產(chan) 品。

這次發射的星艦係統由上下兩(liang) 部分構成，下麵的超重型助推還有上麵的星艦飛船，超重型助推上有33台發動機，上麵的星艦飛船上有6台，這39台發動機都是猛禽，無非就是飛船上有三台噴口做大了一點更適合在真空環境下工作而已。

猛禽發動機是一種液氧甲烷發動機，而目前市麵上的主流是液氫液氧，和液氧煤油，比如咱們(men) 發射空間站的長征五號，芯級用的就是液氫液氧發動機，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動機也是液氧煤油的。那既然獵鷹九號都已經這麽(me) 成功了，馬斯克為(wei) 啥還要再開一條新科技樹，用甲烷這種燃料呢？

我們(men) 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，但是設計難度也比較大，主要是氫分子很小，在那些泵啊之類的結構裏麵，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，低於(yu) 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(hui) 被凍住。而且氫的密度很低，這意味著，我需要一個(ge) 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，但是設計難度低一些，而且燃料的價(jia) 格要低很多。但是煤油比較容易結焦，這類似於(yu) 咱們(men) 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，如果還要采取比較複雜效率比較高的閉式循環的話，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動機，用的還是最原始的燃氣發生器循環，也就是開式循環。

我們(men) 可以看它的噴管旁邊還有一個(ge) 小管子，那個(ge) 就是燃氣發生器排氣的地方。甲烷的性能介於(yu) 煤油和液氫之間，各項性能講究個(ge) 中庸之道，雖然液體(ti) 甲烷也需要低溫儲(chu) 存，不像煤油那麽(me) 方便，但是它和液氧的儲(chu) 存溫度差不多，這倆(lia) 儲(chu) 箱可以挨著，用一堵牆給它隔開就行了，這叫共底儲(chu) 箱，火箭的結構重量就可以減小（液氧煤油火箭現在也用共底貯箱，中間加上隔熱泡沫就行）。

而對於(yu) 馬斯克來說，最誘人的就是，甲烷不結焦，特別適合重複使用，甚至燒完之後不用清理，很快就可以再次點火。馬斯克說過，要想讓火箭這東(dong) 西白菜價(jia) ，完全的快速回收很重要，所謂完全回收就是發射火箭除了燃料之外不扔東(dong) 西，所有東(dong) 西都能重複使用，這肯定省錢。所謂快速回收就是跟咱們(men) 現在民航客機似的，落地一兩(liang) 個(ge) 小時馬上就又飛走了，因為(wei) 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(hui) 越低。所以，像液氧甲烷發動機這種容易保養(yang) ，飛完一次灌上燃料就還能再來一次的發動機，就非常符合老馬的預期。當然，他還有個(ge) 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(ge) 甲烷廠。

配圖來自圖蟲網

當然，用甲烷這件事本身雖然比較新，但也並不是蠍子拉屎獨一份，而真正屬於(yu) 猛禽發動機獨創的，是發動機循環模式。什麽(me) 是發動機循環模式呢？簡單來說，就是怎麽(me) 給自己供應燃料的，要知道，火箭發動機所需的燃料流量極大，拿航天飛機和SLS上的rs25發動機來說，它的燃料泵隻要三分多鍾就可以排幹淨一個(ge) 標準泳池。這麽(me) 大流量的泵，誰來推動呢？答案是它自己的燃料，最簡單的燃氣發生器循環，也就是開始循環，就是把一部分燃料和氧化劑單獨導出來，點著，讓它們(men) 推動渦輪轉動，再帶動燃料泵把燃料泵到主燃燒室裏麵去。而前麵那部分單獨燃燒的部分就是燃氣發生器，這裏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(men) 可以觀察一下咱們(men) 的長二F的發動機，還有美國土星五號的發動機，還有獵鷹九號的發動機，在火箭噴管旁邊都有一個(ge) 小管子，排的就是燃氣發生器裏麵的氣。這些被排走的燃氣並不能高效地產(chan) 生推力，所以有一些浪費。

為(wei) 了能夠讓發動機效率更高，於(yu) 是又有了分級燃燒循環，也叫高壓補燃循環，相當於(yu) 是把前麵燒過一遍推過一遍渦輪的燃氣再送進燃燒室裏麵燃燒一遍。燒兩(liang) 遍，所以叫分級燃燒，它浪費的能量就更少。咱們(men) 長征五號上用的是富氧分級燃燒循環，也就是說在預燃室裏麵，氧會(hui) 很多，然後這些攜帶了大量氧氣的燃氣推完渦輪泵之後再進入到主燃燒室，跟噴進來的煤油混合再燃燒。而航天飛機與(yu) SLS上使用的叫複燃分級燃燒循環，也就是說它的預燃室裏麵是燃料比較多，然後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(hui) 疑惑，要麽(me) 富氧燃燒，要麽(me) 富燃燃燒，總要有一個(ge) 成分多一些，為(wei) 啥不能剛好呢？因為(wei) 這個(ge) 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(er) 上去了，渦輪是要化掉的。所以推動泵的這些燃氣，要麽(me) 裏麵氧化劑很多，要麽(me) 燃料很多。

再說回猛禽，它也是這樣的分級燃燒循環，隻不過在前麵又加了三個(ge) 字，全流量。全流量分級燃燒循環是什麽(me) 意思呢？就是把我前麵富氧和富燃結合起來，推動液氧的那個(ge) 預燃室是富氧的，推動燃料的那個(ge) 預燃室是富燃的，如此一來，主燃燒室裏麵燒的就是富氧燃氣和富燃燃氣的混合氣體(ti) ，氣體(ti) 加氣體(ti) ，混合最好，燃燒更充分，而且，因為(wei) 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裏麵，並不會(hui) 進一步燃燒爆炸，你想它本來就已經燃料多了，同理，富氧燃氣泄漏到氧氣裏麵，也不會(hui) 發生燃燒爆炸。所以，它的這個(ge) 泵的密封要求就不想航天飛機的那個(ge) RS25那麽(me) 變態。維護保養(yang) 也方便。

曆史上隻有過三種使用這種循環方式的發動機，前兩(liang) 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的發動機，這也是為(wei) 什麽(me) 我一開始說，星艦的這個(ge) 猛禽，是一種跨時代的發動機。

本文為(wei) 科普中國·星空計劃扶持作品

作者：苟勝（西安航空學院 講師）

審核：周炳紅（中國科學院國家空間科學中心 研究員）

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳(chuan) 媒有限公司

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