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原创 土星V号 航天爱好者 前天 收录于话题 #马斯克 1 #星舰 1 #火箭发动机 1 #火星 1 #航天 1  编辑 本文作者：Satrun V，本号授权发表 星舰SN-6飞了  编辑 左：海平面版猛禽，右：真空版猛禽 继星舰测试机SN-5完成150米跳跃测试后仅一个月，其后续测试机SN-6就带着SN-29猛禽引擎再次完成了短暂的空中飞行。这巨大的不锈钢“水塔”虽然抢走了几乎全部的风头，但随着测试机的逐渐完善，作为星舰核心的猛禽引擎进展其实应值得更多关注。某种意义上讲猛禽引擎对于SpaceX乃至航天界的影响，并不会亚于那从天而降飞到驳船上的猎鹰9号，而“猛禽”的故事还要从火箭的“火”字说起。  编辑 想必所有人都见过类似的解释火箭工作原理的示意图，拿上燃料（红）和氧气（蓝），把两个东西混在一起然后boom, 再把燃烧后的东西往后一喷，根据牛顿第三定律喷出物体会产生推力，大功告成，谁说“火箭科技”很难的？曾经有人说过工程和数学的区别在于工程是去解决数学上一笔带过的东西，这在火箭引擎上得到了最完美的诠释。从冯布劳恩把V-2送上天的那一刻起，所有的火箭引擎工程师都是在解决“混在一起”这个看似简单的问题。  编辑 日常生活中都知道，仅仅把两个不同的液体放在一起是无法确保混合的。往黑咖啡里加奶，需要搅拌一下咖啡才能从黑色变成棕色，若是冰咖啡则还要多搅拌几下。或许没有多少人会在乎喝一口没有充分和奶混合的咖啡，但未充分混合的燃料和氧气对于机器来说却是很糟糕的弊端，机动车的黑烟便是很好的例子。按照化学式碳氢化合物通过和氧气燃烧发生氧化反应，产生水和二氧化碳的同时释放能量驱动机器，火箭和汽车的区别便是火箭直接跳过了汽车的传动装置将能量释放了出去。气态水和二氧化碳都是肉眼不可见的气体，那燃烧后的黑烟又是啥呢？  编辑 完全燃烧（上）和不完全燃烧（下）的化学式 正如没有充分混合的咖啡一样，若达成完全燃烧需要燃料和氧气正确比例的充分混合才能产生二氧化碳，但现实中由于各种原因无法办到，不完全燃烧时碳氢化合物会产生一氧化碳等气体，成为常见的黑烟。对于汽车来说一点没有充分燃烧的燃料或许并无大碍，但对于质量几乎全是推进剂的火箭来说则完全不同，因此让燃料和氧气在燃烧室中充分混合便成了引擎设计的重中之重。那怎样才能人为增加混合度呢？用外力把燃料和氧气“挤“在一起不就行了？  编辑 常见的开式循环引擎，比如SpaceX现在的主力梅林-1D，便是先提前拿一点燃料（黄色）和氧气（蓝色）在预燃室内燃烧（红色），驱动涡轮叶片再带动燃料和液氧的涡轮泵给燃烧室增压，用压力强迫两个液体混合。梅林-1D的燃烧室内压力有9.7MPa，及大约是海平面大气压的95倍。不过这没法彻底解决问题，为确保预燃室温度不会过高烧毁引擎，开式循环要刻意放入超过最佳混合比例的过量燃料避免充分燃烧。且由于尚未充分燃烧的废气会被直接排出，还会造成一定程度上的燃料浪费，但至少比在更大的燃烧室内无法充分燃烧浪费的燃料要少。正因此猎鹰9火箭起飞时会释放大量未充分燃烧的一氧化碳，一氧化碳受热离子化释放橙色光芒，才会有照片中长长的橙色尾焰。  编辑 这艺术感十足的火焰其实都是浪费的燃料。。。。。。 既然预燃室的废气中还有不少未燃烧的燃料，那我们把废气接回主燃烧室再接着“烧”一遍不就完了？宇宙神V火箭用的RD-180便是采用的这种闭循环模式提高燃料的利用率。避免充分燃烧也可以反过来填入过量的液氧，这样没有未烧的燃料在预燃室，也就不会被燃烧室的火焰反向吞噬了。  编辑 实际上RD-180所有的液氧（绿色）都会先经过预燃室（Preburner）再进入图正中的燃烧室，此种“富氧”的循环方式由于给液氧加压的涡轮泵（Oxidizer Pump）和燃烧室的涡轮（Main turbine）直接相连，燃烧室内高压气体进一步带动涡轮泵提高燃烧室内部的压力。RD-180有着现役火箭引擎最高室压纪录的26.7MPa，压力越大燃料和液氧混合的也就越好，燃料的利用率也就越高。所以问题解决了。。。。。。吗？  编辑 。。。。。。为啥还是橙色的火焰啊？说好的充分燃烧后没有一氧化碳了呢？ 工程师表示臣妾办不到啊，再好的工程设计也没法克服化学上的限制。RD-180和梅林-1D所用的燃料都是煤油，本质上是一连串碳原子和氢原子组成的化合物，航天用的RP-1大都是提纯过后剩下的十二烷。  编辑 十二烷的3D化学模型，黑球为碳原子银球为氢原子 也就是若要完成充分燃烧变成二氧化碳和水蒸气，就必须在燃烧室内破坏每个十二烷分子中11个碳原子之间的化学键，由于化合物微观的几何排列会互相阻挡，再好的混合都会遇上化合物自身的原因导致无法每个分子都全部完成反应，也就必然会有未完成氧化还原的各类型碳氢化合物，以及只氧化了“一半”的一氧化碳残留，造就宏观上的非完全燃烧。要还想进一步提高燃料和氧气的混合程度，就只能换个燃料了~  编辑 既然体积越大的燃料越难完成反应，那换个简单点化学构造的燃料不就行了？最简单的化学结构莫过于两个氢原子构成的液氢了，氢和氧的氧化还原反应比碳氢化合物的要简单，且不会有任何其他化合物出现，确保了充分燃烧。以此为基础诞生了人类有史以来造过的燃料利用率最好的RS-25引擎，没有了一氧化碳自然也就没有了橙色火焰，只剩下完全燃烧时才有的淡蓝色的火焰。 编辑 RS-25的喷口后的淡蓝色火焰 编辑 RS-25对加压的解决方法为液氢（黄色）和液氧（蓝色）各有一个预燃室驱动涡轮泵加压，值得一提的是两个都是填入过量液氢的“富燃料”模式。和RD-180的循环模式正好相反，RS-25全部的液氢都会经过两个预燃室中的一个带动涡轮泵给主燃烧室加压，部分燃烧的液氢随后和液氧在燃烧室汇合完成充分燃烧。由于氢作为燃料在混合上的优势，RS-25并不需要那么夸张的燃烧室内压力来“挤压”，但也足足有20.64MPa，是梅林-1D的两倍有余。 好了，这回问题总该解决了。。。。。。吗？ 编辑 STS液氢储罐的层层隔热保护，有1英寸（2.54厘米）厚 天底下没有免费的午餐，液氢优秀的混合能力不是没有代价的。化学构造简单意味着分子间作用力也小，换句话说就是特别容易挥发，1大气压下的沸点为零下253度，RS-25的高压其实还承担着提高液氢沸点的作用。也就是虽然引擎的效率提升了，但火箭燃料罐需要的额外隔热装置也多了，额外的重量会抵消一部分效率带来的运力优势。更关键的是液氢储藏和生产的造价都极其昂贵，根据美国能源部预估的现在液氢价格为每千克14.25美金，市面上RP-1的价格大约在每千克0.6美金，有着超过1个数量级的差别。燃料自身的价格会进一步抵消燃烧效率提升带来的成本优势，造成使用液氢的火箭并不会比使用RP-1的便宜。 编辑 换言之理想的火箭引擎，不能开式循环浪费燃料，要保证充分燃烧释放蓝色火焰，还要选择价格合理的燃料合理控制成本。RP-1虽然便宜但性能不佳，液氢虽然性能好但造价太高，也就是我们需要化合物分子构造上比十二烷简单，但价格上又不能超过太多的燃料。既然12个碳原子太多了，那就试试只有1个碳原子的甲烷吧～ 编辑 甲烷只有一个碳原子和4个氢原子组成，更小的体积既没有碳键需要破坏也减少了微观上分子之间的阻挡。液化甲烷现在的价格在每千克1.35美金左右，虽然依然是RP-1的两倍，但也已经比液氢的价格低了一个数量级，在可接受范围内。和结合两种燃料特点类似，使用甲烷为燃料的猛禽引擎也融合了RD-180和RS-25“富氧”和“富燃料”循环的特点，为世界上第三款也是迄今为止唯一一款实际飞行过的全流量分级循环引擎。 编辑 RD-180的液氧全部经过预燃室，RS-25的燃料全部经过预燃室，猛禽“全流量”便是液氧（蓝色）和燃料甲烷（黄色）两者都全部经过预燃室。具体而言富氧的预燃室驱动液氧涡轮泵加压，富甲烷的预燃室驱动甲烷涡轮泵加压，高压下预燃甲烷（棕色）和预燃液氧（紫色）再到主燃烧室二次混合燃烧。由于在预燃室甲烷和液氧已经气化，对气体对加压使得猛禽的主燃烧室能达到惊人的27MPa，理论甚至能到30MPa及大约是水下3千米的压力，确保几乎每一个甲烷分子都能充分燃烧释放能量。 编辑 猛禽测试时的主燃烧室压力 从SN5和SN6的引擎视角视频中也能发现，猛禽的火焰颜色和RS-25是一样的淡蓝色，虽然由于甲烷提纯不可能做到100%，总会有杂质导致燃料无法充分燃烧进而产生部分橙色火焰，但宏观上已经和猎鹰9的亮橙色火焰相去甚远。换言之猛禽引擎的实际燃料利用率将会远超梅林-1D，甚至超过现役所有的非氢燃料火箭引擎。 编辑 SN5的引擎视角 编辑 SN6的引擎视角 猛禽引擎的快速进步在和试车时的照片比较则更加明显，SN6上带的SN29号猛禽在火焰颜色上已经非常接近RS-25的几乎无法察觉的淡蓝色，只在马赫环气流汇总时才有清晰可见的蓝色火焰。与之相比3年前试车时的猛禽引擎还只是在喷口处有蓝色火焰，后端的橙色乃至红色火焰依然清晰可见。 编辑 编辑 29台猛禽引擎的改进，反倒是最细微的火焰颜色变化展示了最明显的进步，猛禽引擎距离全流量的最佳混合比例已经越来越近，也意味着距离星舰的首飞和SpaceX殖民火星的梦想又近了一步。 （全文完） |
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