 你没看错， 这张封面图就是SpaceX旗下全新研发的代号为“ 猛禽 ”（Raptor）的液氧甲烷发动机的真身 ，这张图摄于国际宇航大会上依隆·马斯克关于火星殖民计划的演讲的前两天，也是该型号发动机第一次点火试车。至此，我们这个三万多字的三期连载终于可以完美收官了。 题外话： 有关这次火星殖民计划的发布，笔者不太认可很多媒体的报道角度，专挑那些语不惊人死不休的无聊部分拿出来做标题，什么“第一批去火星的要做好牺牲准备”，“多少年内火星要有100万人”，“火星船票也就一线城市一套房”， 而对这个计划背后的航天技术革新和载人深空探索思路的转变视而不见。好吧，既然没人关注，我这业余人士就过来唠叨唠叨吧！ 如果您是刚刚关注本小号，我强烈建议您先看一下本连载的前两期和上一篇火星殖民计划的文章，因为这极其有助于理解本文。
整个连载从 10多年前 SpaceX创始人依隆·马斯克籍籍无名求购前苏联发动机被拒的说起，循序渐进的讲述SpaceX旗下发动机的一路演进过程，直到最新的具有创新性的猛禽发动机为止。 我们不八卦，不搞标题党，只捞干货，文章很长，希望大家能够耐心看完。 在连载的最后一期中，你可以了解到以下几方面内容：
猛禽点火试车视频在此，初次点火，时间不长，只有几秒，视频中的马赫环（也叫马赫盘）正是稳定燃烧的标志，马斯克很庆幸第一次点火没有炸掉发射台（好冷的笑话） 第一部分：猛禽到底是一个什么样的发动机？它厉害在哪里？ 书接上回，SpaceX已有的梅林（Merlin）系列发动机在面对未来的载人火星登陆任务时已经明显力不从心。这样一来，SpaceX就需要开发一款新的液体火箭发动机来支撑宏伟的火星殖民愿景，同时摆脱SpaceX发动机技术水平低下的形象，根据这些需求，我们曾在猛禽正式曝光之前，也就是本连载的中篇末尾预测了猛禽发动机所需达到的一些指标，幸运的是——预测几乎都得到了应验，我们现在来回顾一下：  猛禽的基本性能参数，本文都是尽量截取的高清版大图，有兴趣的可以点开查看，具体参数我们不翻译图片，但是文中都会提及
 部分现役及在研火箭发动机参数对比，请注意推重比这项数据（发动推力和自重的比值），现在是由梅林拔得头筹，猛禽和BE-4还不知道，但据传猛禽的体积与梅林基本一致，结构质量也不大，因此猛禽极有可能接班成为世界上推重比最大的火箭发动机  ITS火箭上的42台发动机，只有中央的7台发动机具有摆动（矢量）机构，能够调节方向，其余35台都是固定的，这种设计省去了大量摆动机构的重量，从而进一步减重箭体；结合差动推力后（N1就用了这种设计），既满足了火箭调姿转弯的需求，也能够完成反推回收的任务
 推进剂组合的优劣对比表，绿色代表该项特性好，黄色代表尚可，红色代表糟糕，红叉代表没戏，甲烷在可复用性（第三项，Reusability）上当仁不让的是优秀，而氢氧机的可复用性已经由航天飞机的主发动机SSME（RS-25）充分证明
 NASA的马歇尔空间飞行中心在1987年曾进行了烃类燃料的积碳研究，试验在涡轮模拟器上进行的，结果表明：煤油在特定最小混合比下，积碳最少；丙烷也有一个合理混合比；而甲烷在试验的混合比范围内，只要控制好燃料中的硫含量，就几乎不存在积碳
 笔者再懒，这张图还是要翻译的，猛禽告别了梅林发动机一直被诟病的“燃气发生器”循环方式，换用了“高大上”的“全流量分级燃烧循环”，后文详述，有关梅林循环方式的讲解，详见本文连载的上篇
 由于猛禽既要在地球大气内工作，又要在深空工作，还要在火星大气内工作；既要能起飞，而且还要充当着陆发动机，简直是“万能发动机”了  科幻电影中经常出现巨大的宇宙飞船从大气层外飞来，然后通过反推发动机着陆地面的场景，但很可惜目前全世界所有的火箭发动机都做不到，但如果猛禽投入使用，ITS成真，这或许就不再是电影画面了
 在未来发动机性能得到进一步释放的时候，为了继续降低发射成本，不排除直接采用滤杂脱硫天然气作为燃料的可能，巨大的LNG船（Liquefied Natural Gas，液化天然气），未来很可能直接为同样巨大的ITS火箭服务除了上面的“神预言”之外，猛禽还有一些其它消息。首先目前开展测试的猛禽是100吨版本的缩小版，最后的正式版将是3倍推力。  有关于试车的是缩小版还是正式版的争论可以结束了，是一个100吨级别的缩小版，很可能就是给空军交差的版本，也是未来猎鹰9和重型猎鹰的上面级发动机 9月26日的试车台照片，可以看到没有安装延伸喷管，抱歉这个真没高清的了 该试车台位于德克萨斯州的McGregor，就是图中的红圈处此外，SpaceX在3D打印上的应用再创新高，猛禽发动机40%重量的部件是由3D打印制成的，真空版与地面版只有喷管大小不同，涡轮和燃烧室设计完全一致。 SpaceX对3D打印的应用越加广泛，图为载人龙所用到的SuperDraco逃逸发动机，发动机舱内的白色燃烧室就是3D打印而成，请注意燃烧室上部复杂的加强筋结构，如果用传统机加方式生产，我估计工艺能把设计打个半死（笑） 猛禽引擎将用热交换器加热甲烷和液氧，也就是常说的自生增压，使储罐内燃料在不断消耗后自己加压，淘汰现有的已经导致两次爆炸的氦气增压系统。 在猛禽和ITS上，我们终于告别这些该死的氦气罐子和支架了，猎鹰9仅有的两次事故全都是出自这里，虽然其中一次事故还没最后调查清楚 美好的液氧甲烷和残酷的现实 看了这么多猛禽的资料，肯定有人会有疑问，液氧+甲烷这种燃料组合这么好， 为什么一直没有实用化的甲烷发动机投入使用呢？其实早在齐奥尔科夫斯基时代，液氧-甲烷就已经是液体火箭的备选燃料了，但是自冯·布劳恩博士的V2导弹诞生至今已经有70多年的时间了， 甲烷机却依然没有作为主要动力来源投入到实际发射中。这背后肯定是有原因的，毕竟那么多研发人员都不是傻子。 这不是我比火箭工程师聪明系列，所以肯定没这么简单！ 首先来简单认识一下甲烷，甲烷是低密度碳氢化合物，具有类似于氢和煤油的优点。 1个碳、4个氢，就这么简单的结构（画反了），夸张些说，你放的屁里都含有甲烷甲烷也是一种优良的冷却剂，具有高热容，能用作膨胀发动机的冷却剂，并满足结构传热和膨胀的要求，密度约为氢的6倍，贮箱的结构质量将远比氢贮箱轻。在所有碳氢化合物中，甲烷比冲最高。简单来说甲烷与煤油相比具有四项优点：比冲高；冷却通道中压降低；冷却能力强；结焦温度高，积碳少，后两条优点对于可复用特别重要。而且甲烷是半低温推进剂，沸点-161.5℃，与液氧沸点-183℃相差不到20度，因此在采用共底储箱时可以进一步简化贮箱结构。 两种推进剂温度相近就降低了ITS飞船共底储箱的隔热结构设计难度，在ITS飞船上，储箱必需是万无一失的，所以换用甲烷还有这方面的好处 说完了优点，咱还是总结一下甲烷机一直没有上位的主要原因，有以下几点： 首先是现有的发动机已经足够好了，或者反过来说，甲烷机好的并不那么“明显”。甲烷组合相对常用的煤油机最突出的特色就是比冲更高，但是优势并没有氢氧机那么大。因此伴随着煤油机的不断发展，尤其是冷战时期RD-170发动机成功解决了大推力液氧/煤油发动机的燃烧不稳定性、高压推力室冷却和高性能补燃循环等一系列技术挑战后，以及衍生型号RD-180、RD-191的成熟和大规模应用。就性能而言，补燃煤油机已经追平甚至稍高于发生器循环的液氧/甲烷发动机的水平，这就让全新开发甲烷机变得很不划算。（如果你不了解高压补燃等这几个概念别着急，后面我会浅显的讲一下） ULA的广告，无人能及的超过80次的不间断成功发射（图为2015年的海报，至今为止这个成功数还在不断累计），RD-180确实成就了ULA令所有竞争对手都不得不敬畏的超高发射成功率，另一方面高压补燃煤油机的可靠性和性能都得到了印证，你要说中国不眼红那绝对是假的另一方面原因是自冷战结束后，航天投入骤降，加上通货膨胀等原因，全新研发发动机的费用甚巨，绝大部分企业都对研制新发动机兴趣缺缺，更别提研发甲烷机了。这造成的结果就是美国自1981年航天飞机首次发射之后之后的30年间，除RS-68外，美国就没有全新研发过一款起飞级液体火箭发动机，直到SpaceX的梅林（午餐肉啊，午餐肉！）发动机的出现。而老牌承包商研发火箭发动机有多贵呢？举个例子，NASA为了给SLS（太空发射系统）提供后续起飞级发动机，请洛克达因在现成航天飞机发动机RS-25D的基础上缩水简化出一次性使用的RS-25E和F型，而仅仅这种拿现成发动机砍砍砍的研发项目，合同总额就高达11.6亿美金，所以全新研发的费用级别请自行脑补。 自上世纪投入使用后的30年间，正经八百全新研发的火箭发动机竟然只有RS-68一款，而事实上RS-68只是可复用的RS-25发动机的一次性大推力简化版本除此之外，甲烷不受重视还有火箭设计思路上的问题。公认的多级火箭最理想的燃料组合形式是：助推级或一级发动机应为高密度比冲（推进剂密度与其比冲的乘积）燃料组合，当同样使用液氧为氧化剂时，这就需要采用高密度燃料，如液氧/煤油发动机；而上面级尽可能用高比冲燃料组合，比如液氧/液氢发动机。经充分论证和计算，这种组合的火箭是运载能力最大和质量最轻的。典型的火箭就是俄罗斯的“能源”和美国的“土星5号”，都利用了液氧/煤油和液氧/液氢发动机组合，这种组合充分利用了发动机的密度效应。因此最尴尬的问题就出来了——甲烷的密度低，导致密度比冲不如煤油，做一级发动机没啥优势；单纯比冲也比不上氢氧，做上面级也没有优势，总之就是常说的半吊子，干啥都不是特别适合。 土星五号的三级就是采用的高比冲氢氧机，因为液氢密度太低，导致红框指示的液氢储箱远大于液氧储箱，因此如果在ITS火箭上采用液氢作为燃料，由于其密度比冲太小，贮箱会变得非常大非常重 其实，美、俄、欧、日，甚至包括我国都有研发过各种推力级别和循环方式的液氧甲烷发动机，俄罗斯曾基于液氧煤油发动机，试验了一大波液氧甲烷发动机，甚至还有RD-183 /185 /190等一批液氧天然气发动机。而美国其实也做了不少尝试，比如围绕重返月球计划，普惠公司就牵牛星月球着陆器下降级发动机采用液氧甲烷膨胀循环开展了参数估算，提出了发动机的具体方案；NASA将RS-18发动机（其前身就是阿波罗登月舱的起飞级发动机）改造为月球着陆器上升级的挤压式液氧甲烷发动机，但是随着该计划被奥巴马一刀砍掉，然后就没有然后了。 NASA开展了高空模拟试车和低温推进剂在月球表面的长期贮存模拟试验研究，还有液氧甲烷反作用控制系统（RCS）的试验研究，这两点在ITS飞船上都有应用 说了这么多，总结起来就是甲烷机不上不下，尴尬的走到了今天；另外也是生不逢时， 全世界都在甲烷上用过力气，但是很可惜，却几乎没有发动机 走到发射那一天。 猛禽的“全流量分级燃烧循环”是什么意思？ 那么问题又来了，既然甲烷机并不那么美好，为什么SpaceX还要坚持研发猛禽呢？除了可复用性和燃料廉价的原因之外，最重要的原因就是猛禽的“全流量分级燃烧循环”，这种循环能够大幅度提高甲烷机性能，使得甲烷机摆脱不上不下的尴尬境地，首先是提高比冲，从而使得密度比冲接近煤油，使之适用于起飞级；同时缩小与纯氢氧机的比冲差距，更适用于上面级，可谓一举两得。那到底什么是“全流量分级燃烧循环”呢，这首先要从燃气发生器循环（这种循环我们连载上期讲过，此处不赘述，传送门在此）的梅林发动机说起。 看看梅林这一缕感人的废气和黑烟，里面包含大量细密的不完全燃烧碳颗粒 燃气发生器循环最糟糕的地方就是预燃室的剩余燃料都变成废气浪费掉了，于是有人就设想，如果这部分燃料能够重新回到燃烧室得到充分燃烧多好。但是SpaceX的梅林发动机采用的是富燃的预燃室，排出的废气中含有大量碳颗粒，如果重新引回燃烧室，极易堵塞细密的喷注孔，导致爆炸事故。 典型的俄式喷注盘剖切结构，由大量细密的管孔组成，积碳一旦堆积阻塞起来，后果请自行脑补 那么如何才能安全的回用富余的燃料并提高比冲呢？通常有两个方案： 第一种方案：换用富氧预燃室，使燃料充分燃烧，避免积碳，这样排出燃气包含大量没用完的氧气，重新导入主燃烧室就没问题了。但是问题远没那么简单，而如果氧气过量，一方面是充分燃烧下燃气温度很高，对涡轮耐高温性和冷却性要求很高。另一方面涡轮几乎是在高温纯氧的冲刷下工作，这对涡轮的抗氧化性能，还有预燃室的燃气均匀性，以及很多问题都提出了挑战。如果处理不善，可能导致涡轮被氧化，甚至断裂，结果就是发动机爆炸。而俄罗斯人创造性的解决了这个复杂的问题，研发出了能够稳定工作的富氧预燃室的高压补燃煤油机，前面提了好几遍的RD-180就是这种发动机的代表作。 RD-180的管路图，我们可以清晰地看到，全部蓝色的液氧都被导入至红框内的预燃室中，而绿色的煤油管路则仅有一部分进入预燃室，这样一来就形成了氧气过量的富氧预燃室 做了个简化图，请注意和下图左边的富燃预燃室做对比 既然这招如此成熟，SpaceX为什么不用呢？因为SpaceX不会！仅有俄罗斯能制造这种发动机，美国人都不行，后来我国通过某种特殊途径也学会了这一招，也就是我国的YF-100发动机。这就是很多媒体说我国和俄罗斯是高压补燃煤油机领域唯二王者的原因所在，当然我个人对这个说法是比较呵呵的。 第二种方案：依旧采用富燃预燃室，但需要换用无积碳的推进剂组合，比如液氧甲烷或者是液氢液氧，然后将富燃后的高温燃气重新导入燃烧室，添加上氧气，继续燃烧。 左边就是典型的富燃预燃室的分级燃烧发动机，请注意和上图对比，右边是梅林和F1的循环，请注意预燃室废气在推动涡轮泵后的处理方式的不同 前文提到的航天飞机的主发动机SSME（RS-25）就采用了这种分级燃烧的理念，但是SSME没有用共轴泵的思路，而是采用了双预燃室双泵的方案，两个泵分别负责泵送液氧和液氢，但是特色是两个燃烧室都是富燃的，也就是都是液氢过量的。 SSME的管路图，蓝色为液氧，红色为液氢，黄色是高温燃气，请注意蓝色框中的两个预燃室，都是液氢注入过量，同时红框内的燃烧室中，为了继续燃烧，需要单独补充喷注液氧，和富含剩余氢气的燃气混合，进行气-液混合燃烧，通过这种方式和燃料组合，SSME获得了高达452s的逆天真空比冲，至今无人超越那么这样看来，同为无积碳燃料组合的猛禽发动机采用SSME的方案就大功告成了呗？ 但是SpaceX并不这么认为！ 因为理论上SSME的循环方式有一个仍可以改进的地方，就是主燃烧室的气-液（气态和液态）混合燃烧方式。之所以说可以改进，是因为在液体火箭发动机的工作中一般包含气-液、气-气、液-液三种燃烧形式。而其中气-气燃烧是最稳定的，同时燃烧效率也最高，比如家家都用煤气灶，只要不发生泄漏，那么它的燃烧就是十分稳定可靠的。而气-液相对就要差一些，但是也可以得到妥善解决，比如生活中汽车发动机就是雾化后的汽油和空气混合燃烧，属于气-液燃烧，但是偶尔也会出现爆震（突突突）的情况。虽然燃烧效率上不如气-气燃烧，但是总的来说还是稳定或者可解决的。而液-液燃烧的稳定性就不那么好搞了，虽然发动机研发中会尽量避免，但是当气-液混合不良时，部分气体会遇冷重新凝结成液体，导致变成液-液燃烧，导致燃烧的不稳定。而燃烧不稳定问题是极其关键的，航天史上为了解决燃烧不稳定问题都做出了巨量的工作，不管是F1发动机多达2000次的全尺寸热试车，还是俄国人在燃烧理论上的大量工作（其实俄国人烧钱试车也超级多），都试图最终解决不稳定燃烧的问题。可惜直到今天，不稳定燃烧依旧有部分机理尚不清晰，未能得到彻底的解决。所以尽可能使主燃烧室变成稳定的气-气燃烧，是当前技术水平下解决不稳定燃烧问题的一个最佳途径，也堪称是分级燃烧循环的终极状态。 猛禽发动机的喷注器试车图，你不是要气-气燃烧么，我给你！ 最后的最后，猛禽发动机所采用的，号称分级燃烧循环终极形态的“全流量分级燃烧循环”终于要出场了（Full-flow staged combustion，简称FFSC)。 “全流量分级燃烧循环”示意图，有兴趣可以和SSME对比一下 “全流量分级燃烧循环”和SSME一样都是双泵，双预燃室，但是最大的区别在于全流量分级燃烧循环两个预燃室一个是富氧燃烧，一个是富燃燃烧，这样就会产生富氧燃气和富燃燃气两股高温燃气，最后将这两股高温燃气（请注意，是两股高温燃气）导入主燃烧室，在主燃烧室发生剧烈而稳定的气-气燃烧，从而尽可能减少不稳定燃烧问题，同时尽可能提高主燃烧室的燃烧效率，获得尽可能高的发动机性能。 全流量分级燃烧循环的先驱者，前苏联格鲁什科设计局的RD-270发动机，超级大毒发（有毒燃料组合），逆天火箭UR-700/900的主发动机，但因为种种原因，止步于工程样机状态 其实全流量分级燃烧循环还有别的优点，首先是比冲的进一步提高；其次是推力调节范围更大，这也是猛禽20%的逆天节流能力的来源之一；第三，因为所有推进剂都是通过预燃室的，所以燃气流量较大，预燃室工作温度更低，寿命更长，利于复用；还有双泵双燃烧室设计规避了RD-180上采用的特殊密封措施，但同时又具有了高达30MPa的超高室压。但是反过来，双泵双燃烧室带来的结构重量提升也是不能忽视的，还有纵使采用了气气燃烧方式，但是燃烧稳定性问题依旧不如小觑。但是只要猛禽真正研发完成并装机发射成功，这个世界第一款“全流量分级燃烧循环”的甲烷发动机的宝座就坐实了，估计到时候那些喷SpaceX发动机技术水平低的人就都该闭嘴了。 “ 猛禽”、ITS和SpaceX的未来 猛禽的试车开了个好头， 但这只是一款发动机研发万里长征的第一步。 事实上，火箭发动机研制过程中，绝大部分成本都耗费在了试车过程中，在那一缕青烟中无数金钱被消耗掉，用烧钱来形容一点都不为过。从国内外的普遍经验来看，从历史上来看， 整个火箭发动机研制成本的大约75%花费在“试验/失败/修改”（TFF）这一过程中，台架试验并不仅仅是烧掉了那么多高能燃料那么简单，需要更具试车中暴露出的各种问题反复优化工作参数和改进发动机设计。一旦出现预期之外的技术问题就需要修改设计，而每一个经过修改的设计都要重做试验以证明有效，这些都会带来成本。如果技术问题短期内无法被克服，轮番更换不同的解决方案不仅会使试车迁延日久，砸进去的金钱会像流水一样，而这些研制过程中发生的成本，最终会摊到采购成本和发射费用上去。一些成本高昂的经典发动机，例如“土星”V的F-1、航天飞机的SSME等，都是因为在试车时暴露出各种预想之外的严重问题，然后对发动机进行了许多大改动所致。 猛禽喷出来的不是赶往火星的寂寞，而是钱！ 但是大家都知道一件事情—— SpaceX很穷！很穷！很穷！ 所以他没有那么多钱像当年F1试车一样不停的烧掉， 而且猛禽几乎没有获得NASA像样的资助。唯一的公开的资助是 今年1月，美国空军曾授予SpaceX公司 一项3360万美元的合同，用于资助60吨推力级别的上面级版本“猛禽”的研发，用以替换现有猎鹰9火箭上的“梅林”真空版，意图凭借猛禽发动机的高比冲优势进一步提升火箭的高轨道运力，合同要求在2018年前研发完成该版本猛禽的原型机，而未来ITS上使用的300吨级别发动机，并不在空军资助之列。 在网络上公开的美国空军与SpaceX签订的EELV研发合同，很奇怪是不是，这种合同竟然在网上就能找到，美国这体制真是奇怪请注意3360万美元这个数字，上文曾提过NASA为开发一个现成的RS-25的缩水简化版向洛克达因豪掷11.6亿美元；而对于全新循环方式，全新燃料组合的猛禽发动机，却只有3360万这可怜至极的资助，说不好听的，打发要饭的呢！不过好在这次试车的正是小推力版本猛禽，很可能就是空军的上面级版本，遵循先易后难的研发顺序也是合情合理，希望后续空军能加些钱。 不过SpaceX也有独门绝学，一般来说为了降低试验费用，最好的办法就是做好计算机仿真，但是SpaceX对现有CFD（计算流体动力学）仿真软件显然并不满意，于是乎马斯克这硅谷出身的人带领一帮疯子用硅谷特有的解决办法搞定了这个问题——自己开发一个CFD软件。 密闭空腔中的氢氧燃烧仿真 龙飞船再入大气仿真 燃烧湍流仿真 燃烧仿真所涉及的诸多物理尺度 笔者无意深入到CFD的汪洋大海中，SpaceX在自研软件上运用了自适应网格划分、基于小波的数据压缩、大量开源数据库，还有CUDA仿真加速，有兴趣可以自己找找这个CFD视频看。但是有几点是可以确认的，SpaceX冒天下之大不韪自行开发燃烧仿真分析软件，还是为了省钱。 就地生产返程推进剂的甲烷化反应，SpaceX省钱是贯穿绳命的，包括到了火星 回顾一下SpaceX从无到有一路走来的过程，无论是“梅林”还是“猛禽”，SpaceX公司在如今的商业化航天时代坚持自研火箭发动机似乎是一件吃力不讨好的事情，因为连实力雄厚的ULA都外购俄罗斯的RD-180发动机。然而，SpaceX公司今天的成功一定程度上正是因为当初求购未成吃了闭门羹的“祸”而得到的“福”。 首先，发动机作为火箭的核心技术，只有彻底的自研才能够对发动机充分挖潜和改进。其次，正是因为自研发动机具备的深度节流和矢量控制能力，才使火箭回收成为可能。正是因为自研，SpaceX公司才能在年初独揽GPS-3的发射合同，而将部分采用俄制发动机的ULA挡在门外。 最后， 正是因为自研，ITS这样的宏伟载人探索架构才有成真的可能性。 其实很多人都没有发现ITS架构最厉害的一个地方，那就是如此庞大的载人火星任务架构—— 竟然从头到尾只用了猛禽一款发动机！（这个我们下回分解） 没有对比就没有发言权，图为NASA的DRA5.0火星任务架构，整个计划中至少要用到10多款不同的发动机，而且其中一大半还没开始研发，所以和ITS相比，谁更靠谱，还真特么说不准哦 （全文完） |
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