7月31日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，SpaceX公司首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）決心要把人類送上火星。要做到這一點(diǎn)，人類需要一艘巨大的宇宙飛船，并由一種前所未有的新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。而猛禽(Raptor)發(fā)動(dòng)機(jī)就是SpaceX未來努力的方向。
猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目的是為SpaceX正在建造的新型可重復(fù)使用的航天器、星際飛船以及超重型火箭提供動(dòng)力。在設(shè)計(jì)上，這些巨大的航天器最多可同時(shí)搭載100人進(jìn)入太空。SpaceX計(jì)劃在2023年將人類送入月球軌道，為前往月球和火星做準(zhǔn)備。2019年2月，SpaceX測(cè)試了首個(gè)飛行版的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，并于上周在對(duì)名為Starhopper的星際飛船原型進(jìn)行“跳躍”測(cè)試的過程中對(duì)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。
猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開發(fā)了近十年時(shí)間，經(jīng)歷多次迭代。其核心就像其他火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，燃燒化學(xué)燃料來產(chǎn)生推力。但它所使用的液氧和甲烷在火箭行業(yè)基本上是前所未有的，加上發(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意味著猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)是SpaceX探索太陽(yáng)系的王牌主力。
“沒有其他火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能像猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)那樣，從液態(tài)甲烷和液態(tài)氧的反應(yīng)中產(chǎn)生如此多的推力，”運(yùn)營(yíng)Everyday Astronaut YouTube頻道的行業(yè)專家蒂姆·多德(Tim Dodd)表示。“SpaceX的想法是讓它猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)在幾乎不進(jìn)行翻新的情況下，得以重復(fù)使用。如果這種發(fā)動(dòng)機(jī)能夠一遍又一遍地投入發(fā)射，這肯定會(huì)有助于公司的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。”
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可重用使用是一個(gè)關(guān)鍵方面，正如馬斯克所說，每個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需要能夠重復(fù)飛行1000次，以支持星際飛船的運(yùn)營(yíng)。這是一個(gè)重大挑戰(zhàn)：在太空探索的歷史上，重復(fù)使用最多的發(fā)動(dòng)機(jī)是每架航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)，但每架航天飛機(jī)最多也只能飛行幾十次。多德說：“這是一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃。“我不知道在不久的將來猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)是否一定能實(shí)現(xiàn)1000次重復(fù)飛行。如果它能完全發(fā)揮出潛力，也許終有一天能達(dá)到1000次。”
現(xiàn)有的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)
SpaceX現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)名為“梅林”(Merlin)，主要用于其獵鷹9號(hào)和重型獵鷹火箭的發(fā)射，但猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)相比于梅林預(yù)示著一個(gè)重大改進(jìn)。其一是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力更高，其推力比梅林增加了一倍。盡管大小相似，但相比于梅林的86000公斤的推力，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面上的推力達(dá)到了17萬公斤。
另一個(gè)方面是甲烷的使用。迄今為止還沒有任何甲烷動(dòng)力火箭進(jìn)入軌道，Starhopper幾天前的測(cè)試跳躍是甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)第一次真正飛行。與煤油等其他燃料相比，甲烷可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)中沉積物的累積，而煤油在燃燒過程中會(huì)因?yàn)榻够F(xiàn)象而導(dǎo)致沉積物在發(fā)動(dòng)機(jī)中不斷累積。此外，甲烷的密度比其他燃料要高，因此可以以更低的成本獲得更高的性能。
“液體火箭的推進(jìn)劑成本在總發(fā)射成本中所占的比例很小，”空間顧問蘭德·辛伯格(Rand Simberg)表示。“對(duì)于可重復(fù)使用的飛行器，我們想要達(dá)到關(guān)心推進(jìn)劑成本的程度。在航空公司，燃料通常占總運(yùn)營(yíng)成本的35%。傳統(tǒng)上，燃料成本占火箭發(fā)射總成本的比例不到1%。”
猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)采用了全流量分級(jí)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，這是歷史上第三臺(tái)采用這種技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，而梅林發(fā)動(dòng)機(jī)使用了更常見的開式循環(huán)系統(tǒng)。上世紀(jì)60年代的蘇聯(lián)和本世紀(jì)初的美國(guó)都曾嘗試過開發(fā)全流量分級(jí)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，但都沒有成功。
全流量分級(jí)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)是利用在預(yù)燃室中注入少量燃料，產(chǎn)生高溫燃?xì)馔苿?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和泵。通常情況下，傳統(tǒng)的開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)這一過程中消耗掉一些推進(jìn)劑，而猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)將有效利用每一滴可用的推進(jìn)劑，使其成為有史以來最為高效的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之一。
來自麻省理工學(xué)院的太空顧問查理·加西亞（Charlie Garcia）說:“猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)在足夠高的壓力下燃燒這些燃料，然后把預(yù)燃室中的廢氣和推進(jìn)劑一起注入燃燒室，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的完全燃燒。”“這是一種非常聰明的方式，只有俄羅斯人以前這么做過……通過預(yù)燃室把所有推進(jìn)劑都注入發(fā)動(dòng)機(jī)。”
最終的結(jié)果是猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力要比梅林發(fā)動(dòng)機(jī)高得多，大約是后者的三倍，這使它成為現(xiàn)存壓力最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。高壓也使得同等體積的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)推力比梅林更大。2016年，馬斯克提到發(fā)動(dòng)機(jī)主腔內(nèi)的“瘋狂壓力”達(dá)到了30Mpa(300個(gè)大氣壓)，這需要開發(fā)為猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)一種新的金屬合金。
當(dāng)然，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于其前輩梅林發(fā)動(dòng)機(jī)的重大創(chuàng)新是甲烷的使用，這可以追溯到SpaceX的最終目標(biāo)。SpaceX并不是唯一一家轉(zhuǎn)向采用甲烷作為燃料的公司，由亞馬遜首席執(zhí)行官杰夫·貝索斯（Jeff Bezos）領(lǐng)導(dǎo)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手藍(lán)色起源公司也在開發(fā)自己的甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，名為Blue Engine 4 (BE-4)。由于液態(tài)甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)有很多顯而易見的好處，這是一個(gè)早就應(yīng)該到來的轉(zhuǎn)變。
以前的大多數(shù)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都依靠煤油等燃料。但使用甲烷的主要好處是，它比其他燃料密度大得多，這意味著火箭可以更小。它的低成本也意味著總發(fā)射成本可以降低。
這一點(diǎn)可能至關(guān)重要，因?yàn)镾paceX至少希望制造數(shù)量巨大的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)。每艘星際飛船都配備6個(gè)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，而超級(jí)重型火箭有35個(gè)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，這意味著每次發(fā)射總共有41個(gè)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)。SpaceX目前最大的火箭重型獵鷹一共使用了28個(gè)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中底部27個(gè)，上部1個(gè)。隨著SpaceX計(jì)劃發(fā)射更多數(shù)量的星際飛船和超級(jí)重型火箭，發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)速度將需要顯著提高。
多德表示：“由于他們?cè)诔?jí)重型火箭上使用了如此多的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，SpaceX將不得不以絕對(duì)瘋狂的速度提高制造能力。”“伊隆說要在12小時(shí)內(nèi)完成一個(gè)，這在業(yè)內(nèi)是聞所未聞的。即使他們每周做一個(gè)，也會(huì)讓人印象深刻。”
人們還相信，可以在火星表面或太空的其他地方提取甲烷用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。也許是通過在其他天體表面開采水和二氧化碳達(dá)到這一目的，這種方式被稱為就地資源利用。來自咨詢公司SpaceWorks的行業(yè)分析師凱萊布·威廉斯（Caleb Williams）說：“你可以很容易地從火星表面，甚至是月球表面提取甲烷。”
這對(duì)于SpaceX實(shí)現(xiàn)星際飛船從地球往返火星的目標(biāo)至關(guān)重要，使其在燃料方面幾乎能夠自給自足。“這一直是人類進(jìn)入太陽(yáng)系的圣杯，”加西亞說。“因?yàn)楫?dāng)你可以在太空中補(bǔ)充燃料時(shí)，你的推進(jìn)劑就不必來自地球了。”
除此之外，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)還代表著SpaceX的雄心壯志發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，從規(guī)模不大的地面發(fā)射轉(zhuǎn)向了對(duì)太陽(yáng)系的無盡探索。Starhopper星際飛船原型最近的測(cè)試是朝著正確方向邁出的關(guān)鍵一步，如果猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)它的部分承諾，未來將會(huì)非常光明。如果SpaceX真的能到達(dá)火星，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)將在其中扮演重要角色。（騰訊科技編譯/皎晗）
