推比超过170跻身世界顶尖水平，俄罗斯RD-180发动机继任者已出现

液氧液氢发动机、液氧煤油发动机都已经登峰造极，液态甲烷火箭发动机开始崛起，猛禽发动机、BE-4火箭发动机，还有我国的80吨级TQ-12液氧甲烷发动机都开始问世。

出品：太空伊卡洛斯

作为新生代火箭发动机，全流量、分级燃烧、液态甲烷为燃料的火箭发动机开始悄然成为主力。2019年年初，SpaceX研发的全新改进型猛禽发动机在德州中部测试场首次点火试车，单台发动机240吨推力，真空380秒比冲，这些硬指标让猛禽发动机跻身当今火箭发动机头把交椅。单台240吨推力其实不算很强大，但是推比很强，达到170以上，这是什么概念呢？俄罗斯顶尖的液氧煤油发动机RD-180推比为78，单台推力为415吨，土星五号上使用的F-1发动机推比为83，单台推力为770吨。

图注：猛禽发动机试车图像，淡蓝色马赫环已说明实力

这说明猛禽发动机是一种重量小、推力超强的发动机，而且使用的是甲烷作为燃料。同时，蓝色起源公司的BE-4火箭发动机也计划2021年进行首次飞行，BE-4火箭发动机也是分级燃烧的经典之作，海平面全功率推力也为240吨，还能重复使用100次。可以说猛禽、BE-4火箭发动机代表了下一代火箭发动机。2019年10月，我国蓝剑航天研发的80吨级TQ-12液氧甲烷发动机也开始地面试车，我国在液氧甲烷发动机也开始追上美国步伐。

图注：RD-180发动机，代表了苏俄系液氧煤油发动机的巅峰

甲烷燃料的优势

从本质上来说，火箭是依靠几百万升的爆燃液体短时间燃烧产生推力而升空的。在地球上，每周都会有火箭搭载各种卫星进入地球轨道，作为私人火箭领头羊的SpaceX公司，它在火箭领域中处于较领先的地位。今年年初，SpaceX公司的猎鹰重型火箭进行了首次发射并创下了记录，但SpaceX公司不满足于此，他们打算研发出更强的大猎鹰火箭。

大猎鹰火箭不仅会配备最先进的猛禽发动机，它还会使用甲烷来替代RP-1（火箭中最常使用的燃料）作为燃料。火箭燃料是由燃料和氧化剂组成：在液态燃料火箭第一级中（RCS推进器、上级、助推器等），最常使用的氧化剂是液态氧；对于燃料的选择就比较多样，那些可以和氧发生反应的氢、煤油、乙醇等物质都可以作为燃料。看起来燃料的选择似乎并不重要，因为都会产生足够的动力，但事实却并不是这样。

图注：甲烷燃料在太阳系中非常多

图注：甲烷燃料在太阳系中非常多

火箭对燃料的选择是至关重要的，可以决定燃料箱的大小，最终决定火箭的大小；还会对火箭发动机的选择产生影响；并且对火箭使用燃料的速度产生影响。燃料的选择还可以决定火箭排放出的是有毒的气体，还是无害气体，比如俄罗斯质子火箭使用的是会造成严重污染的有毒燃料，而航天飞机则是使用了可以产生干净气体的燃料。作为一种中间燃料，甲烷既属于造成温室效应的气体之一，但它在燃烧过后所产生的的气体又是干净的，并可以产生较多的动能。这也就意味着在产生相同动能的情况下，它所使用的燃料箱是较小的，但要注意的是，清洁的燃料也就意味着成本的增加。但如果发动机能够多次使用的话，再加上多种化合物以及涡轮泵的使用，那么成本将不再是一个问题。

通常来说，火箭中的涡轮泵是由小型的主发动机驱动，而这也是提供动力的最佳办法。而在猛禽号发动机中，就是使用了这种装置，由液态甲烷和液态氧产生的排气会在主燃烧室合并，而泵的残留物也可以提供额外的动力。对于火箭的可重复使用性而言，涡轮泵系统是关键点，在燃烧之后产生干净气体的甲烷燃料，它的使用会将火箭发动机的发展更上一层楼，它能使火箭发动机具有可重复使用性，并降低火箭发动机的使用成本，这些都是甲烷燃料的优势。

图注：土卫六上有大量的甲烷

BE-4火箭发动机的崛起

在亚马逊创始人的资金帮助下，蓝色起源公司开始研发BE-4火箭发动机，这就是新格伦重型火箭。目前，该发动机已在西得克萨斯州进行了热火实验。在网络上可以看见一则BE-4火箭发动机测试点火的六秒钟视频，关于BE-4热火实验的细节问题，蓝色起源公司未对此作出任何回应。在2020年进行第一次发射的新格伦重型火箭，在第一级配备了7台BE-4发动机，在第二级会配备1台。2019年底即将发射的火神火箭，也会采用BE-4作为主发动机。BE-4属于可重复使用的发动机，它在海平面上可以产生240吨推力，在目前已有的甲烷燃料火箭发动机中，它的性能是最强的。2011年，蓝色起源公司决定研发甲烷燃料发动机，而BE-4热火实验的成功则证明了这个决定是正确的。在一开始，该公司只是想研发出可以对海平面产生181.44吨推力的发动机，但在与ULA公司合作之后，成功的使发动机的推力上升了40%。

图注：BE-4发动机

由波音公司和洛克希德·马丁公司建立的ULA公司，也在BE-4发动机的研发过程中也进行了私人投资，同时美国的第二大富豪也对此进行了私人投资。据报道，为了能够更好地发射国家安全卫星，美国空军也会进行投资，其金额数目约4600万美元。ULA公司的总裁表示在BE-4发动机完成热火实验后，来自ULA公司的工程师在将它组装到火神火箭之前，会对它先进行性能测试等一系列的评估。在研发液体火箭发动机的过程中，存在着三个会引发燃烧不稳定性的变量：一是更改了燃料的选择；二是在不改变燃料的情况下更改发动机尺寸；三是在不改变燃料和发动机尺寸的情况下，对热力循环进行了修改，这三种变量在BE-4发动机中都可以找得到。

图注：猛禽发动机喷射出的淡蓝色马赫环

目前，大多数火箭发动机使用的固体燃料助推器或液体燃料助推器，都是将RP-1或液态氢作为提供动力的燃料。而BE-4发动机不仅采用甲烷作为燃料，还运用了富氧分级燃烧技术，可以在发射的过程中节约大量的燃料。由于甲烷燃料在燃烧过后产生的是干净气体，这也就意味着BE-4发动机更容易得到重复使用。目前，蓝色起源公司决定对新格伦重型火箭的第一级采用回收技术（该技术由SpaceX公司首创）。至于一次性的火神火箭，ULA公司也决定在发射之后回收火箭的第一级发动机，从而对它进行维修和再次使用。

在今年5月的地面测试中，BE-4发动机发生了事故，使得一套动力组硬件遭到了损坏。至于其原因，该公司暂未透漏，但他们表示这是很普遍的问题。在今年4月，该公司宣布，BE-4发动机很快就会在德克萨斯州的贝佐斯牧场进行热火实验。而在BE-4发动机开始进入批量生产之后，会在新工厂进行集成，新工厂位于阿拉巴马州的亨茨维尔。目前，ULA公司还未决定火神火箭的第一级发动机，而喷气洛克达因公司正在研发使用煤油和液态氧的AR1发动机。ULA公司认为BE-4发动机的研发时间早于AR1，所以火神火箭会先使用BE-4发动机进行试飞，对于此，喷气洛克达因公司认为AR1是最佳选择并且风险小。

图注：马斯克的猛禽发动机

总的来说，给火神火箭第一级提供动力的不是2台BE-4，就是2台AR1，ULA公司在接下来，也会逐渐减少RD-180发动机（主要为Atlas 5提供动力），还有Delta 4火箭系列的使用。至于配有三个第一级助推器的Delta 4重火箭，还是会继续搭载美国的军事卫星进入地球轨道。而在火神火箭开始服役之后，Atlas 5也会在2020年代退休，接下来，就是液态甲烷发动机的时代了。