从梅林到猛禽，为何马斯克认为去火星必须用液氧甲烷发动机？

　　作者：科学声音吴京平

　　马斯克在拥有了金牌火箭猎鹰9号之后，又用三枚猎鹰9号第一级做捆绑的方式发展出了重型猎鹰火箭，这个火箭近地轨道运送能力达到了60吨，目前还是我们地球上现役的最强火箭。

　　但是，马斯克的目标不是简单的发发卫星，而是奔着去火星的。现有的重型火箭根本就不够去火星，必须开发更大的火箭。你想啊，去火星肯定要搞多级火箭，一级一级地扔太麻烦了，而且肯定很贵。你要想回收，难度就太大了。一级火箭能回收，那是因为一级火箭根本没达到第一宇宙速度，会走抛物线落回地表。二级火箭就不行了，通常二级火箭会达到第一宇宙速度。

　　图：猎鹰9号第二级的残骸

　　前几天，外媒炒作我们的长征5B火箭一级的坠落问题。我还专门做了节目。大家有兴趣，可以回顾一下。其实猎鹰9号的二级火箭残骸也曾经掉在了一个农场里，没烧光，还多少剩了一点残骸。二级火箭虽然是入轨了，但是速度并不算快，而且几百公里高的太空，其实多多少少还有少量的大气分子，也还是会产生阻力。绕的圈数多了，还是要掉下来的。比如说，国际空间站其实每天都会下落100米左右，有飞船对接上来，那就顺便推一把，速度一上去，轨道就会升高一截。

　　也就是说，二级火箭还有少许回收的可能性。尽管技术难度比一级火箭大得多，毕竟速度比一级火箭快了不少。可是三级火箭怎么办？土星五号是登月火箭，第三级的速度达到了11.2公里/秒，已经达到了地球的逃逸速度，再也回不到地球上了。你怎么回收呢？不行的。

　　所以，马斯克在设计去火星的运输系统，就必须简化流程。火箭只能用两级的，其实本质上有点类似于航天飞机了，也就是第二级也要能从太空里返回地球降落，或者是直接落在月球上，直接落在火星上。只要两级就够了，不能再多了。

　　图：最右边的就是马斯克的星舰

　　那也就意味着，这枚火箭是超级的大，比土星5号还要大好多。预计一级火箭重达3500吨，二级火箭重达1200吨。这么大的火箭，拿梅林发动机去并联是不可能的。必须造更大的发动机，即便是大发动机，也仍然需要并联一大捆。单台发动机的推力达到300多吨，这也就不小了。比我们的yf100大了两倍多。这样的发动机，需要并联28台，才能把这么大的一颗火箭推起来，总推力达到8500吨左右。

　　马斯克是这么考虑的，一级火箭把二级火箭送进太空，然后自己飞回去，回收再利用。二级火箭靠自己的力量就能飞去月球，如果要去火星，那就不够了。必须同时发射两枚巨型火箭。一艘运人运货，一艘当加油机，在太空里边，两枚巨型火箭屁股对着屁股，对接加油。加油机回地球着陆，另一艘巨型火箭去火星，然后直接降落。

　　要从火星上回来，那就直接开着巨型火箭飞回来。从月球上回来也是一样，直接开着飞回来，只是去火星是需要在火星基地补充燃料的。这些燃料必须是在火星上就地生产出来的。一切都要以这个流程为标准，来设计火箭和发动机。

　　一个大问题就摆在大家的面前，火星上有石油吗？不知道，反正现在是没有。火星上有炼油厂吗？没有，这都不靠谱儿。

　　那么如何在火星上生产燃料呢？办法还是有的，那就是在火星上找到水源，比如说地下的冰，NASA的探测器的确在火星上发现了冰。火星大气之中有二氧化碳，再加上水，那就可以利用电作为能源，用一些催化剂，想尽办法把二氧化碳和水还原成甲烷和氧气，用甲烷来当做燃料。

　　当然，也可以直接电解水，生成氢气和氧气。氢也能当燃料，比冲非常高，燃烧热值也高。但是氢气实在是不好伺候，分子太小了，密度太低，重量没多大，体积倒是不小，作为星际航行，燃料罐要很大，工程设计实在是太难了。所以，还是甲烷好一点。

　　图：煤油、甲烷、液氢的密度对比

　　马斯克的团队综合考虑了很多很多的因素，确定了甲烷火箭这个方案是可行的，而且是综合下来的最优解了。首先，煤油的密度是813克/升，液态甲烷是422克，液氢是70克，液氢的密度低得令人发指。

　　不管是液氧煤油火箭，还是氢氧火箭，还是液氧甲烷作为燃料，液氧是跑不了的，就以液氧为标准，完全燃烧的话，1克煤油要搭配2.7克液氧。一克甲烷要搭配3.7克的液氧，1克液氢要搭配6克的液氧。

　　你会发现火箭除了发动机就是燃料罐，液氧煤油火箭，煤油是个小罐子，液氧是个大罐子。到了氢氧火箭，液氢绝对是个超级大罐子，比液氧的罐子大五倍，这就是超低密度带来的问题，罐子太大，也就加大了结构重量。用甲烷的话，罐子比煤油大了40%，但是和液氧罐子大小差不多，比较平均。综合下来是划算的。

　　甲烷还有一个好处，液态甲烷的温度-161度，液氧是-183度。煤油是常温储存，不同的煤油凝固点不统一，大概也就零下40多度吧，液氢是-253度。反正液氧和煤油的温度差达到了-200度左右。液氢和液氧的温度也差了将近70度。也就是说，液氢会把液氧冻成大冰坨子，液氧也会把煤油给冻成固体，这俩燃料罐是尽量不要做成背靠背。要想减轻结构重量，做成共底储箱，难度相当大，起码要解决保温的问题。

　　图：共底储箱

　　但是，液氧和甲烷的温度差不多，甲烷的冰点是-182度，比液氧的沸点-183度恰好高了一丝，没关系，这点温差稍微采取一些保温措施就能解决。这样，我们就可以把燃料罐做成一体的，中间加个隔板隔开，一边放液氧，一边放甲烷。这就是所谓的共底储箱。这就是液氧甲烷作为燃料带来的一个额外的好处。共底储箱变得比较省事儿。液氧煤油或者是氢氧要做共底储箱也不是不行，但是代价比较大。

　　那么，最关键的是液氧甲烷发动机的性能怎么样呢？发动机的一个非常重要的指标就是比重。比冲的上限是由燃料决定的。理论极限，液氧煤油发动机是370，液氧甲烷是422，氢氧发动机是532。但是，实际上没有那么高，RD180是著名的液氧煤油发动机，海平面比冲也才311，真空比冲338。航天飞机的发动机是最出色的氢氧发动机，海平面比冲366，真空比冲才452。

　　可想而知，甲烷发动机的性能也就在氢氧发动机和液氧煤油发动机之间。不高不低，海平面比冲能有330多，也就能满足马斯克的需求。

　　图：宇宙神5型火箭发射X37B的时候，二级火箭的尾焰扩散很快

　　我们这里补充说明一下，火箭发动机喷出去的燃气当然是越快速膨胀效率越高，这样热能才能充分转化成机械能。但是，在大气层之中，因为大气压的存在，所以喷出去的高温燃气无法彻底的扩散，还是被大气压给束缚住的。所以，比冲会低一点。你看火箭发射的时候，尾部的火焰都是常常的一条，那就是因为喷得快，扩散的慢，所以是一窄条。但是二级火箭发动机在真空里燃烧，尾焰就不是一长条了，而是一个大喇叭口。喷的快，横向扩散也很快，就成喇叭口了。所以，咱们看火箭发射还是要看门道。不能只看热闹。我还有视频节目专门介绍了不同火箭的不同尾焰，大家可以搜出来看看。

　　既然燃料选择了甲烷，工程师们发现，如今的世界上连一个成熟的甲烷发动机都没有。SpaceX只能靠自己设计了。

　　我们不得不再来稍微复习一下有关火箭发动机的基本知识。最开始，火箭发动机就是把燃料挤进燃烧室，一烧一喷就完了，跟喷灯差不多。但是，后来发现供不上这么多的燃料。布劳恩的办法是用双氧水催化分解，产生高温高压气体来吹动涡轮泵，把燃料供给燃烧室。这就是V2火箭采用的招数。

　　图：电子号起飞重量只有10吨

　　这种设计需要使用额外的双氧水，太麻烦了，后来大家都不这么干。但是新西兰的电子号火箭也是采用了外置能源驱动燃料泵的技术，只是他们用的是锂电池+电动泵的办法，这个技术用在小型火箭发动机上还是可行的，电子号只有10吨，专门用来打小卫星，很轻，可以用降落伞回收，结构简单倒是真的。因为这个电动的泵和燃烧彻底没关系。其他的火箭发动机的燃料泵都是有复杂的关系的，所以才会这么麻烦。

　　再复杂一点的设计是膨胀循环，就是让燃料绕着喷口内壁转圈流动，用喷口给燃料加热，产生高温高压，然后推动一个燃料泵来往燃烧室里快速输送燃料，这就是所谓的膨胀循环。

　　图：梅林发动机的燃气发生器废气排放口浓烟滚滚，大量燃料被白白浪费了

　　再进一步，用少量的燃料和氧化剂放到一个专门的燃烧室里去烧。然后用废气吹动涡轮泵，往燃烧室里输送燃料。这种就叫燃气发生器。猎鹰9号用的梅林发动机就是这种模式。要是燃料充分燃烧，温度能高达3000度，涡轮泵叶片根本受不了。为了降低温度，只能加大燃料的量，到那时氧气只给一点点，这样没有完全燃烧的燃料就会带走大量的热。不至于让温度太高，还在涡轮泵的耐受范围之内。但是，燃料不完全燃烧，实在是太浪费了，所以燃气发生器的比冲是不高的，耗油量大。这种模式也叫开式循环。

　　自然而然有人想到，既然废气里含有大量没有完全燃烧的燃料，干脆送进燃烧室烧掉算了，也也算是不浪费，但是，事情哪有这么简单呢？不完全燃烧是会产生大量黑烟的，其实就是产生了大量的碳颗粒。这玩意儿进了燃烧室，你不怕发动机结焦啊，万一把喷注器堵了，你负责是吧，真的没人敢这么干。

　　你可能会想啊，能不能倒过来呢？让氧化剂过量，燃料少一点，这样不就不会产生那么多黑烟了嘛，也就没有结焦问题了对吧。你想的太简单了。富含氧化剂的高温燃气不就是氧气切割机吗？你打算把涡轮泵叶片全切下来啊？你这是跟涡轮泵有多大的仇啊。

　　美国人也曾经想搞啊，要是这个路子走通了，发动机就由开始循环变成闭合循环了，燃料和氧化剂是一点都没浪费啊。可惜美国人在这条路上走的那叫一个惨，最后还是放弃了。后来干脆就放弃了液氧煤油发动机这条路。

　　这条路苏联人走成了，这条路就是所谓的高压补燃发动机，或者叫分级燃烧发动机。他们硬是研发出了抗高温耐氧化的金属零件，而且他们的煤油不太容易结焦。这事儿跟燃料品质也是有关系的，煤油不是个单纯的物质，里面成分复杂的很呢。

　　图：RD180发动机试车，这是一台双喷口的发动机

　　所以，美国人的宇宙神5型火箭用的就是俄国人的RD180，这个发动机就是典型的高压补燃发动机。美国人看到俄国人的发动机，赞叹不已啊，这东西真是个价钱便宜量又足的好东西。但是俄国人有个缺陷，那就是燃烧室的室压上不去，所以，他们采用多喷口的方式，RD180是个典型的一拖二，一个涡轮泵给两个燃烧室供燃料。

　　美国人在没有走通富氧分级燃烧的路子，但是富燃分级燃烧他们搞定了。那就是航天飞机的主发动机，这个发动机的水平极高，推重比高，比冲也高，效率惊人。燃料是氢气，完全没有结焦的问题。美国人绕过了麻烦的问题。

　　图：航天飞机主发动机试车

　　这个发动机做了两个预燃室，分别驱动两个涡轮泵，一个管供应氢气，一个供应氧气。因为氢气的特性和氧气差的太远，所以，涡轮泵的转速差好多，还是分开比较合适。

　　但是，这个发动机也有麻烦事。用富含氢气的燃气去驱动涡轮泵，如果这个燃料泵是输送氧气的，那么高温高压的氢气和氧气之间的距离非常近，有一点泄漏都会造成灾难。涡轮的轴不可能一点缝隙都没有对吧。美国人只能硬是用高压的氦气来想办法把氢气给堵回去，所以，还是需要携带额外的氦气，氦气是惰性气体，不燃烧。但是这不是麻烦嘛。而且造成输送氧气的涡轮泵极其复杂，真是佩服这帮工程师啊，居然给弄出来了。

　　图：全流量分级燃烧

　　那么有没有其他办法呢？还是有的，那就是所谓的全流量分级燃烧。用富含燃料的涡轮泵去输送燃料，漏一点出来也只会碰上燃料，不会炸。用富含氧气的涡轮泵去输送氧气，稍微漏掉点也没关系，道理都是一样的。

　　马斯克最新研发的猛禽发动机，就是少有的全流量分级燃烧发动机。富燃废气和富氧废气最后统统送进燃烧室，一点都不浪费。所以，这个发动机的比冲达到了海平面334，真空比冲361，比煤油高一点，比氢氧机低一点，总推力310吨。比航天飞机的发动机大了一点。

　　图：猛禽试车

　　但是，富燃燃烧的废气难道不会冒黑烟吗？灌进主燃烧室，难道不会产生结焦吗？这个问题，我下次再说。关注我，后续更精彩。