SpaceX猛禽發動機，如何重塑太空旅行

每次 Raptor 點火時 它都會在自毀邊緣跳起一支精密的舞 支撐它運轉的每個部件都緊密相連 而且全都在極端條件下運行 只要有任何一處稍微不同步 整個系統就會一下子全炸掉 如果我們能搞懂這臺發動機怎麼運作 就能更明白爲什麼 SpaceX 必須造出這麼不穩定的東西 因爲最終 Raptor 會是解決這個不可能難題的唯一辦法 而這一切其實都始於一家更小的公司 在造一臺更小的發動機，追逐一個更小的目標 20年前 SpaceX 只要一枚能在錢花光前 把它送上軌道的火箭 他們把那枚火箭命名爲獵鷹 獵鷹是星球大戰裏的飛船名，也是一種猛禽 而驅動這一切的引擎叫梅林 這個名字既是著名巫師的名字，也是一種很小的隼 但這些酷名字背後 SpaceX 早期其實完全亂套 在 2000 年代初，一家來自加州的私營 科技初創公司闖進軌道火箭發射領域 這不只是前所未有，簡直瘋了 人類沒人覺得他們會成功 於是沒人投資這個項目 埃隆·馬斯克靠從揹包賺來的家底獨自撐起整個項目 錢是不少可SPACE燒錢的速度 幾乎和燒火箭燃料一樣快 埃隆給梅林發動機定的目標 就是把它做得儘可能簡單，儘可能便宜 那它長什麼樣？ 嗯，火箭主體裏有兩個推進劑箱 一個裝氧氣，另一個裝燃料 氧氣這一邊，各種火箭都一樣 因爲火要燃燒就需要氧氣 只要給發動機持續穩定的供純氧 就能一路強勁燃燒，直到進入太空 要把氧氣變成火箭推進劑，得先把它液化 我們把氧氣深度冷卻到極低溫 讓它由氣態變成液態 氧氣的沸點是零下183攝氏度 也就是零下297華氏度 所以，只要溫度低於這個值 它就會穩定保持液態 這麼做是爲了提高氧氣的密度 液體比氣體密度更大 所以火箭同樣體積裏能裝下更多潛在能量 再看燃料這邊 某發動機用的是一種叫RP-1的化學物質 基本就是提純過的煤油 它便宜好獲取 而且在室溫下本來就是液體 不過SpaceX會把RP-1冷卻到略低於冰點 以提高密度，榨出更多推力 當火箭發動機開始啓動時 兩臺泵會以極高壓力 把液氧和燃料送入燃燒室 在那裏兩種液體會混合並被點燃 這種燃燒會釋放出巨大的能量 推進劑在燃燒和膨脹時 會在發動機內部形成壓力 所有這些能量都會經由喉道離開燃燒室 然後所有這些高壓高溫的燃燒廢氣流經噴管 在這裏從喉部大小擴張到噴口大小 這種膨脹實際上會把排氣加速到比離開喉部時更快 因爲物質本來就會從高壓區流向低壓區 喉部到噴管末端的膨脹比越大 排氣加速就越強 這個過程把壓力轉化爲推力 而且我們把這些廢氣從噴嘴後面噴得越快 火箭前進的就越快 每個作用力都有大小相等方向相反的反作用力 這只是個簡單的解釋 不過我們還能再進一步 看看燃料究竟是怎麼送進燃燒室的 這就告訴我們到底是哪種火箭發動機 在梅林發動機的設計裏 燃料泵和氧氣泵是由一種叫燃氣發生器的東西驅動的 這就像一臺微型火箭發動機 有自己的燃燒室和噴嘴 從主泵分到少量氧氣和燃料 只不過這臺小發動機會把廢氣直接噴到渦輪葉片上 現在燃燒反應產生的氣流帶動渦輪轉動 渦輪連着一根傳動軸 把燃氣發生器和主燃料泵、氧氣泵連在一起 所以現在它們都一起轉了 燃氣發生器的廢氣帶動渦輪轉起來後 多餘部分會通過排氣管從發動機側面排出 這就是我們說的開式循環燃氣發生器 這種設計最早可追溯到1944年 也就是人類第一枚遠程彈道導彈 德國V2火箭 所以當埃隆要儘可能簡單便宜的火箭發動機時得到的正是這個 不過這也說明還有改進空間 那如果把燃氣發生器循環改成閉式 把所有廢氣壓力都留在發動機裏會怎樣？ 我們會知道的梅林發動機直到今天依然 是SpaceX非常出色的一款產品 而且未來幾年大概還會繼續如此 不過當SpaceX要開始研發下一代飛行器時 它也需要下一代發動機 於是馬斯克爲新建項目給工程師們定下了新任務 造出史上最複雜的火箭發動機 把推重比做到現有所有發動機裡最高 還要用一種從沒人用過的新火箭燃料來驅動它 所以退回去沿用20世紀那些經典設計的時代 早就過去了 現在正是重塑火箭發動機的時候 先從這種新燃料說起 Raptor現在改燒甲烷了 不再用煤油 像氧氣一樣甲烷也要在超低溫下液化 才能用作合適的火箭燃料 所以這讓整個系統又複雜了一層 但這點麻煩是值得的 煤油是長鏈烴 也就是說它很難完全燃燒徹底變成氣體 結果會有大量固體物質作為副產物流下來 就算在火箭燃燒室這種環境裡也一樣 那種殘留的碳質固體我們通常叫它煙灰也就是黑色粉塵 就像煙囪內壁一樣煙灰很容易黏在火箭發動機裡面 越積越多形成所謂的結焦 現在普通火箭發動機用一次就直接沉到海底了 所以這通常無所謂但像梅林這種可重複使用的發動機 每次發射之間都得把這些積碳清掉 而這跟埃隆為新建設想的高頻複用節奏根本不搭 他想讓它們在一天之內發射好幾次 甲烷主要是氫每四個氫原子只有一個碳原子 所以那點碳很容易完全燃燒，不會留下任何副產物 如果你家裏用的是天然氣，幾乎全是甲烷 你可以在爐子或爐竈裏整天燒，也不用擔心留下碳殘渣 所以這就是燃料 那猛禽發動機的內部系統跟老款梅林比怎麼樣？ Raptor的設計叫做全流分級燃燒循環 也就是泵渦輪和管路佈局都異常複雜的那種設計 好，回到這臺發動機 在Raptor的循環裏，液體推進劑先從儲箱流到主泵 再直接送進一對燃氣發生器 這樣燃料和氧氣就能分別帶動各自的渦輪 現在不再是所有東西都繞着一根主軸轉 而是每個儲箱都有自己獨立的渦輪和泵 全部整合成一個單元，通常叫渦輪泵 先看Raptor的氧氣側 低溫液氧從儲箱裏直接流下 進入泵後再送入預燃器 也就是我們前面提到的那個微型火箭發動機 由於燃氣發生器和泵現在做成了一體 幾乎所有液氧都會流過預燃室 在那裏和少量甲烷混合後被點燃 這就把液體重新轉回氣體 結果就是物質開始從高密度流向低密度 這就意味着氧氣正高速衝進渦輪機 再通過一根很短的傳動軸帶動渦輪泵 把主箱裡的液體壓下來 現在預燃器裡只加了少量甲烷 所以我們不會把氧氣燒掉 只是把它加熱，液體一氣化 體積就會大幅增加 系統裡的壓力也會跟著大幅上升 這就是Raptor動力的關鍵 那股高溫氧氣會被強行壓過一組噴注器 送進主燃燒室 不過在講甲烷之前我們先暫停一下 因為剛才說的有個大問題 如果燃氣發生器的渦輪帶動泵，而泵 又把液體送進燃氣發生器 那整個過程最開始是怎麼啟動的呢? 嗯，像裝有梅林發動機的獵鷹9號這樣的火箭 機上都會帶一個氦氣罐 在啟動過程中氦氣被釋放進燃氣發生器 帶動渦輪加速轉動讓整個流程啟動 對於Raptor，SpaceX會用發射架上的設備 從外部把渦輪帶轉起來 這就是為什麼新建發射臺會被看作主火箭的第0級 這是助推器成功點火的關鍵 好，咱們看一下甲烷渦輪泵 它是在發動機側面偏置安裝的 所以和氧泵並聯運轉 再一次，低溫液態甲烷從這個單元頂部流入 但它沒有直接進預燃器 而是先繞了個彎 冷液體一出燃料泵就被分流進一根管子 往發動機噴嘴那邊送 這就是我們防止Raptor發動機融化的辦法 液體燃料流過噴管和燃燒室壁面 把金屬上的熱量帶走 然後，隨着液體升溫 它會離開燃燒室 回到甲烷渦輪泵組件 加熱後的液態燃料 則是從下方進入預燃室 先和一小股低溫液氧混合並被點燃 和之前一樣 液體迅速膨脹成氣體 驅動渦輪 渦輪通過傳動軸連着上方的燃料泵 渦輪還會把已經氣化的甲烷橫向推回發動機主體 在那裏，甲烷噴注器和氧氣噴注器匯合 兩股高溫氣體最終在燃燒室裏相遇 這種氣體對氣體反應發生在極高壓力下 超過地球海平面大氣壓的300倍 Raptor 3的最新版本在 測試中甚至接近400倍大氣壓 因爲物質總是從高壓流向低壓 所以渦輪泵內部必須在更高的壓力下工作 大約是環境壓力的600倍 否則燃燒氣體會倒灌回發動機 衝進燃料箱全部都會炸掉 所以要維持那種超高壓力 唯一辦法就是取消燃氣發生器的排氣管 所以我們把Raptor叫作閉式循環 不像Merlin是開式循環 所以在Raptor裏 兩個燃氣發生器的全部壓力都留在系統內 這也是甲烷作爲清潔燃料更出色的地方 因爲我們沒有把預燃室廢氣排出去 要是用煤油這麼幹 積碳很快會在系統內部堆積 最後全毀了 這也正是全流量這個說法的由來 因爲所有燃料和所有氧氣 都會流經燃氣發生器 再進入燃燒室 那標題最後一部分 分級燃燒 意思就是推進劑會點燃兩次 先在預燃室 再到燃燒室裏再點一次 好吧 要是聽起來很複雜 那是因爲它確實很複雜 Elon把點燃Raptor發動機形容成 燃料系統和氧氣系統之間一場微妙的配合 一切都相互關聯，彼此都會互相影響 所以只要哪裏出了 問題，或者甲烷和氧氣這兩個循環哪怕有一點點不同步 整個發動機都會爆炸 所以我們已經知道Raptor是怎麼工作的了 接下來看看這對它的性能和動力意味着什麼 Raptor是一臺相對小巧的發動機，卻能產生驚人的推力 目前的猛禽3在海平面能產生280公噸推力 這不是最強大的火箭發動機 那個頭銜屬於把土星5號送上天的F-1發動機 它的推力是猛禽的兩倍多，但體型也大得嚇人 裏面甚至能停下一輛吉普車 相比之下，Raptor就很緊湊 有3米高，噴嘴處寬1.5米 這讓SpaceX能把33臺塞進直徑9米的助推器裏 所以Raptor比一個接近的同類發動機小得多 比如RS-25，它曾爲航天飛機提供動力 後來也被改裝到SLS月球火箭上 但RS-25只有約190公噸推力，體積卻是猛禽的兩倍 這讓SpaceX擁有無與倫比的推重比 而猛禽能做到這一點，靠的就是讓燃燒室在遠高於世界上 任何其他火箭發動機的壓力下運行 Raptor 3目前燃燒室壓力是358 摺合超過5000磅平方英寸 相比之下，老款Merlin 發動機的燃燒室壓力才大約180 記住，火箭發動機靠喉部和噴管把壓力轉成推力 所以壓力越高，推力越大 這就是Raptor，按任何合理標準看它都離譜得嚇人 它的工作壓力能把潛艇都壓爆 它也總是隻差一個失誤就會來一次快速非計劃解體 而SpaceX需要33臺發動機完美協同點火 才能讓一艘星艦離地 這不是設計缺陷，這正是它的目的 因為要去火星，還要在那裡紮根，安全發動機做不到這些 這臺就會這樣 星艦的終極目標是成為人類歷史上最重要的交通工具之一 這就能和最早橫渡海洋連接世界的那些帆船比肩 星艦能把太陽系連起來 但首先我們得先學會怎麼去馴服Raptor