不也许会出现的技术！马斯克火星星舰猛禽发动机原理揭秘

  随着猎鹰9号火箭一次又一次的发射和回收，曾经的神话一个个变成现实，追随火星教主马斯克的“信众”已经慢慢的变多，人类殖民火星已不再是科幻，而是近在咫尺的现实。然而，近在咫尺并不等于就一定能踏上红色星球的地表，马斯克的火星星舰要登陆火星，还有一个关键中的关键，这就是SpaceX正在全力打造的猛禽新火箭发动机。

  猛禽发动机（Raptor）被称为下一代火箭发动机技术，是最先进、最高效的“全流量分级燃烧发动机”，一旦研发成功，正如马斯克所说，可将太空飞行的开销降低两个数量级，为人类殖民火星，探索深空走出革命性的一步。去年初，第一个全尺寸猛禽发动机已进行了首次地面点火测试，随着震撼大地的巨大轰鸣，马斯克在推特上宣布，猛禽燃烧室压已达268.9 巴, 超过了令人敬畏的俄罗斯经典火箭发动机RD-180保持的纪录！刚刚进行的星舰原型版SN5的150米垂直起降测试，则让全世界见识了猛禽发动机强大的推重比和力量。

  全流量分级燃烧发动机技术被认为是火箭技术的“圣杯”，因为它可以从液体推进剂中榨取更多的能量，发挥更大的效率。前苏联和美国在几十年前就对其进行了广泛研究，然而到目前为止，还没再次出现真正使用这种燃烧系统的火箭发动机，因而被航空航天界认定为是“不可能”的技术。如果马斯克真的能完成猛禽发动机的研发，将彻底摆脱猎鹰火箭低技术“矮穷矬”的帽子，一跃而成为“高富帅”的象征，将所有航天大国包括NASA都抛在身后，彻底成为太空时代孤独的领跑者。

  为什么全流量分级燃烧发动机更有效率，研发又如此困难呢？让我们来看看这款火箭发动机的前世今生。

  此前的很多著名火箭，包括土星五号，联盟火箭，甚至马斯克正如日中天的猎鹰9号，都采用了开放式循环引擎，又称燃气发生器循环发动机，这项技术还可以追溯到二战时纳粹德国的V-2火箭。虽然这项技术取得了空前成功，但缺陷也是很明显，由于它必须用一部分燃料来驱动涡轮，产生的废气被直接排放掉了，导致燃料浪费，效率降低。这一点看看猎鹰9号使用的默林火箭发动机就知道了，旁边那个喷着黑烟的喷口一直是马斯克心中永远的痛，也让明星火箭猎鹰9号始终难以摆脱“矮穷矬”的丝形象。

  为充分利用预燃室燃烧产生的废气，提高每一滴燃料的效率，科学家们一直在积极想办法解决这一问题。首先很容易想到的就是在预燃室中使用富含燃料的混合物，这样没燃完的燃料就可回到燃烧室重新燃烧。然而要命的是，这样的形式易产生积碳，堵塞喷注口，导致发动机发生爆炸。

  前苏联科学家找到了一种折衷方案，他们没在预燃室中使用富含燃料的混合物，而是尝试运行富含氧气的预燃室。然而这个方案解决了积碳问题，却又产生了一个更大的问题，因为富氧气体在预燃室中产生了极高的温度，没什么金属可以在里面生存下来。美国科学家认为这种技术完全就不可行，但前苏联科学家最终掌握了建造涡轮机所需的冶金技术，开发出了几种采用富氧预燃室概念的发动机，回收了一部分原本会被排放出去的推进剂。俄罗斯著名的RD-180发动机就是该技术的延续，美国迄今也不得不购买它用作宇宙神-5运载火箭的发动机。

  而美国科学家则走向了另一个方向，他们放弃了含碳燃料，转而使用氢作为燃料，就可以在现有金属合金制造的预燃室中使用富含燃料的混合物了，这就是美国航天飞机上使用的主发动机。航天飞机退役后，这一技术被用在NASA和波音正在打造的太空发射系统（SLS）上，建造NASA有史以来最强大的火箭，预计会在今年或明年开始首次飞行。

  不管是前苏联还是美国航天飞机，无论是富氧还是富燃料，都没有完全解决废气的浪费问题，而要完全解决这个问题，就必须在同一发动机中同时使用富燃料和富氧的预燃室设计，这就是我们今天的主角——全流量分级燃烧发动机。

  这种发动机有两套独立的涡轮机和预燃室系统，分别用于氧化剂和燃料的预燃烧，之后再导入燃烧室完全燃烧，以最大的效率产生推力。这种发动机的设计和测试都十分艰难，但完全解决了开放式循环引擎的浪费，同时也不需要过多的担心涡轮机和泵密封不好污染泵送的液体，涡轮机也可运行在更低的温度环境里，减轻了涡轮叶片的压力，延长了它们的常规使用的寿命，另外也不会产生积碳，这在致力于可重复使用火箭开发的马斯克看来尤为重要。

  事实上猛禽发动机并不是第一台全流量分级燃烧发动机，前苏联1967年就完成了RD-270全流量分级燃烧发动机的设计，在进行了几次静态点火测试后，由于美国已登月成功，这款发动机随着整个计划的取消而终止了。上世纪90年代美国政府再次表现出对全流量分级燃烧发动机的兴趣，但NASA和美国空军都没有再选择这一设计方案。

  马斯克的猛禽发动机自10年前开始研发，去年2月3日终于进行了第一次全尺寸发动机地面点火测试，时间为两秒钟，发动机在170巴的燃烧室压下达到了额定推力的60%；2月7日，马斯克在推特上宣布，测试引擎已达到火星星舰所需功率水平，燃烧室压为257巴，推力达172吨，打破了俄罗斯RD-180火箭引擎的推力纪录；2月10日，马斯克再次宣布，燃烧室压已达到268.9巴，离预期的300巴已相差不远了。

  猛禽发动机将用低温液态甲烷与液氧作为推进剂，便于在火星上直接生产。马斯克用于登陆火星的星际运输系统由第一级超重型火箭（Super Heavy）和上面级火星星舰（Starship）组成，直径9米，高达122米，可将100吨载荷或100人送往火星。两级火箭都由猛禽发动机提供动力，其中第一级火箭部署31台发动机，上面级星舰安装6台发动机，都可达到完全重复使用的目标。

  人类殖民火星的征途慢慢的开始，猛禽发动机的成功不单单是马斯克、SpaceX公司的成功，更是人类文明成为星际文明甚至宇宙文明的开始，让我们祝福这一天尽快到来！