SpaceX有何过人之处？

2023年4月20日，马斯克旗下太空探索技术公司（SpaceX）研发的“星舰”超重型火箭，发射后三分钟发生非计划内解体，在高空爆炸。马斯克表示，公司会总结经验，在几个月后尝试再次发射。“星舰”发射虽然失败了，但其使用的发动机“猛禽”依然获得广泛关注，被誉为是跨时代的产品。

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“星舰”为何引起全球的关注？

星舰”到底“牛”在哪里？主要体现在以下这几个方面：

一、运载能力强

“星舰”高约120米，直径9米，由助推器“超重（Su-p-er He-a-vy）”和“星舰”(St-a-r-s-h-ip)航天器两级组成。第一级“超重”配备了33台“猛禽”发动机，燃料为液态甲烷和液态氧，装载量约3400吨。第二级“星舰”航天器能搭乘宇航员或货物。

星舰高120米，比女神像还高20米，是长征五号B运载火箭的两倍多。“星舰”近地轨道的有效载荷可以达到150吨，在不考虑回收的情况下，运载能力可达到250-300吨。这符合马斯克将成本降到极致的想法。这个载重量，超出了目前所有其他任何火箭的能力。

按照这个运载能力，它一次可部署3颗同步地球卫星或440颗星链小卫星，或者各种卫星拼车发射，还能完成太空试验台、卫星回收、天文台等各种太空任务，也可以作为另一艘星舰飞船的加油船使用。

它也可以用作载人太空船，一次最多搭载100人进行太空旅游、太空任务，其他载人飞船最多搭载10人左右，通过在轨补充推进剂，还能前往月球、火星等更远的地方，除此之外，还可以打造全球一小时内直达的地对地航班服务。

二、可重复使用

星舰是一种完全可重复使用的运输系统，旨在将船员和货物运送到地球轨道，帮助人类重返月球并前往火星及更远的地方，而且可以从地球起飞，最终回到地球降落。

早在2019年，马斯克就曾公开表示：“在几乎所有的交通运输方式中，无论是飞机、汽车、马车还是自行车，它们都是可重复使用的。如果汽车只能使用一次，那么可能很少人能开得起车。因此，航天领域必要的关键突破是推出快速可重复使用的轨道火箭，这是太空领域的圣杯。”

这是星舰系列的巨大难点也是价值所在。探索宇宙的路上，绝对不乏超级聪明的人，但是这种路径目前还无人尝试成功。 一旦SpaceX实现了完全快速的可重复使用，可以将太空飞行的成本迅速大幅降低，这将是一场意义深远的革命。

三、黑科技密集

星舰使用的是液态甲烷和液态氧作为燃料和氧化剂，这种组合比传统的火箭燃料更为环保和高效。甲烷和氧化剂的组合可以使星舰的推进力更大，同时还可以在燃烧时产生的废气中加入水蒸气，减少了对大气层的影响。此外，甲烷也可以在行星表面进行资源开采，为后续星际探索提供了更多的可能性。

除此以外，星舰还采用了一系列新技术，例如不锈钢材料可以减少火箭的重量和制造成本，并且能够承受高温和高压的环境。而猛禽发动机则是目前最为先进的液体燃料发动机之一，其推力和可靠性都远超其他火箭。此外，星舰还采用了独特的控制系统，能够精准控制火箭的姿态和位置，保证了其安全性和可靠性。

02

发动机“猛禽”依然堪称跨时代

猛禽发动机是一种液氧甲烷发动机，而目前市面上的主流是液氢液氧，和液氧煤油，比如咱们发射空间站的长征五号，芯级用的就是液氢液氧发动机，而助推器用的就是液氧煤油，而马斯克取得了较大成功的猎鹰9号火箭使用的梅林发动机也是液氧煤油的。那既然猎鹰九号都已经这么成功了，马斯克为啥还要再开一条新科技树，用甲烷这种燃料呢？

我们可以对比一下这几种燃料。液氢液氧是效率最高的火箭推进剂，但是设计难度也比较大，主要是氢分子很小，在那些泵啊之类的结构里面，很容易漏，而且极度易燃易爆，原地爆炸的几率很高。而液氢的温度很低，很难伺候，它的沸点是零下252度，离绝对零度都不远了，低于液氧的冰点，也就是说，如果把液氢罐子和液氧罐子挨得很近的话，液氧会被冻住。而且氢的密度很低，这意味着，我需要一个非常大的罐子来装它，这样一来，火箭就得又粗又大。

液氧煤油的效率不如液氢液氧，但是设计难度低一些，而且燃料的价格要低很多。但是煤油比较容易结焦，这类似于咱们开车时候的积碳，如果一次性使用，问题不大，但如果要回收的话，就比较麻烦了，如果还要采取比较复杂效率比较高的闭式循环的话，那回收回来再清理的难度就更大了，所以spacex猎鹰九号上的梅林发动机，用的还是最原始的燃气发生器循环，也就是开式循环。

我们可以看它的喷管旁边还有一个小管子，那个就是燃气发生器排气的地方。甲烷的性能介于煤油和液氢之间，各项性能讲究个中庸之道，虽然液体甲烷也需要低温储存，不像煤油那么方便，但是它和液氧的储存温度差不多，这俩储箱可以挨着，用一堵墙给它隔开就行了，这叫共底储箱，火箭的结构重量就可以减小（液氧煤油火箭现在也用共底贮箱，中间加上隔热泡沫就行）。

而对于马斯克来说，最诱人的就是，甲烷不结焦，特别适合重复使用，甚至烧完之后不用清理，很快就可以再次点火。马斯克说过，要想让火箭这东西白菜价，完全的快速回收很重要，所谓完全回收就是发射火箭除了燃料之外不扔东西，所有东西都能重复使用，这肯定省钱。所谓快速回收就是跟咱们现在民航客机似的，落地一两个小时马上就又飞走了，因为火箭跟民航客机一样，在天上飞行的时候是赚钱的，在地上停着维护的时候是花钱的，在地上停的时间越短，在天上飞的时间越长，它的运营成本就会越低。所以，像液氧甲烷发动机这种容易保养，飞完一次灌上燃料就还能再来一次的发动机，就非常符合老马的预期。当然，他还有个更天马行空的理由，那就是，未来他要殖民火星，火星上没有煤油啊，但是有水和二氧化碳，用这些可以造出甲烷，所以未来他可能还得在火星上开个甲烷厂。

当然，用甲烷这件事本身虽然比较新，但也并不是蝎子拉屎独一份，而真正属于猛禽发动机独创的，是发动机循环模式。什么是发动机循环模式呢？简单来说，就是怎么给自己供应燃料的，要知道，火箭发动机所需的燃料流量极大，拿航天飞机和SLS上的rs25发动机来说，它的燃料泵只要三分多钟就可以排干净一个标准泳池。这么大流量的泵，谁来推动呢？答案是它自己的燃料，最简单的燃气发生器循环，也就是开始循环，就是把一部分燃料和氧化剂单独导出来，点着，让它们推动涡轮转动，再带动燃料泵把燃料泵到主燃烧室里面去。而前面那部分单独燃烧的部分就是燃气发生器，这里的的燃料和氧化剂的主要目的是推动涡轮，推完就排走了，我们可以观察一下咱们的长二F的发动机，还有美国土星五号的发动机，还有猎鹰九号的发动机，在火箭喷管旁边都有一个小管子，排的就是燃气发生器里面的气。这些被排走的燃气并不能高效地产生推力，所以有一些浪费。

为了能够让发动机效率更高，于是又有了分级燃烧循环，也叫高压补燃循环，相当于是把前面烧过一遍推过一遍涡轮的燃气再送进燃烧室里面燃烧一遍。烧两遍，所以叫分级燃烧，它浪费的能量就更少。咱们长征五号上用的是富氧分级燃烧循环，也就是说在预燃室里面，氧会很多，然后这些携带了大量氧气的燃气推完涡轮泵之后再进入到主燃烧室，跟喷进来的煤油混合再燃烧。而航天飞机与SLS上使用的叫复燃分级燃烧循环，也就是说它的预燃室里面是燃料比较多，然后再把这些携带了很多燃料的燃气送进主燃烧室去跟氧气混合再烧一遍。

听到这你可能会疑惑，要么富氧燃烧，要么富燃燃烧，总要有一个成分多一些，为啥不能刚好呢？因为这个燃气是要推动涡轮的，如果它的燃烧比刚好的话，燃烧效率就太高了，温度也就跟燃烧效率一块儿上去了，涡轮是要化掉的。所以推动泵的这些燃气，要么里面氧化剂很多，要么燃料很多。

再说回猛禽，它也是这样的分级燃烧循环，只不过在前面又加了三个字，全流量。全流量分级燃烧循环是什么意思呢？就是把我前面富氧和富燃结合起来，推动液氧的那个预燃室是富氧的，推动燃料的那个预燃室是富燃的，如此一来，主燃烧室里面烧的就是富氧燃气和富燃燃气的混合气体，气体加气体，混合最好，燃烧更充分，而且，因为富燃燃气推燃料泵，富氧燃气推液氧泵，所以哪怕是有泄漏，富燃燃气泄露到燃料里面，并不会进一步燃烧爆炸，你想它本来就已经燃料多了，同理，富氧燃气泄漏到氧气里面，也不会发生燃烧爆炸。所以，它的这个泵的密封要求就不想航天飞机的那个RS25那么变态。维护保养也方便。

历史上只有过三种使用这种循环方式的发动机，前两种都失败了，没上过天，星舰如果成功，那猛禽将是世界上第一种成功将火箭送上太空的，使用全流量分级燃烧循环的发动机，这也是为什么我一开始说，星舰的这个猛禽，是一种跨时代的发动机。

03

我国有没有能力造出全流量液氧甲烷火箭发动机？

在回答这个问题之前，我们要先搞清楚全流量液氧甲烷火箭发动机的最大技术难点是什么？

答案是：在于如何确保燃气发生器在“富氧燃烧”和“富燃燃烧”条件下长期稳定工作。

火箭发动机按照工作原理可分为开式循环和闭式循环两大类。主流的开式循环火箭发动机都采用燃气发生器驱动涡轮泵，产生高压泵送燃料和氧化剂的动力，将燃料和氧化剂泵送到燃烧室混合燃烧，产生推力，其中，进入燃气发生器的混合燃料一般采用富燃预燃方式产生动力驱动同轴涡轮泵，尾气直接排到外面，这会导致部分燃料不能完全完全燃烧利用。主流的闭式循环火箭发动机工作原理与主流的开式循环火箭发动机大同小异，差别在于进入燃气发生器混合燃烧产生的废气并没有直接排出，而是引入主燃烧室补充燃烧，所有燃料都能完全利用。

4类主流液体火箭发动机运行原理示意图

闭式循环火箭发动机又可以进一步细分为分级燃烧循环火箭发动机和全流量分级燃烧循环火箭发动机两类。其中，分级燃烧循环火箭发动机按照燃气发生器动力来源又分为“富燃预燃”和“富氧预燃”。

“富燃预燃”是指氧化剂先分成两部分，其中一小部分氧化剂在预燃室与过量燃料混合富燃燃烧，产生高压燃气推动涡轮后再进入燃烧室补燃，涡轮则通过连轴带动离心泵将剩余的大部分氧化剂和燃料泵入燃烧室燃烧。

“富氧预燃”则是指燃料先分成两部分，其中一小部分燃料在预燃室与过量氧化剂混合富氧燃烧，产生高压燃气推动涡轮后再进入燃烧室补燃，涡轮则通过连轴带动离心泵将剩余的大部分燃料和氧化剂泵入燃烧室燃烧。

从技术难度来看，实现“富燃预燃”技术难度更低，毕竟过量的燃料不具有强氧化性，不会与预燃室的金属内壁材料或涡轮材料发生化学反应，而“富氧预燃”则十分棘手，非常容易在几百度条件下腐蚀金属材料而导致燃气发生器迅速损坏。

美苏冷战时期，美国就因为没把握研制出能够承受几百度高温高压下液氧腐蚀的特殊材料，干脆放弃研制高压补燃液氧煤油发动机。苏联则大胆尝试，没想到最终还真让它研制出这种特殊合金，所以才造出至今都领先世界的RD170、RD180、RD190系列高压补燃液氧煤油火箭发动机。

全流量分级燃烧循环火箭发动机相当于一台同时集成了“富燃预燃”分级燃烧循环火箭发动机和“富氧预燃”分级燃烧循环火箭发动机的特殊火箭发动机。在攻克“富氧预燃”之后，全流量分级燃烧循环火箭发动机（简称全流量火箭发动机）主要技术难点就被突破了。

全流量火箭发动机的最大优势在于，燃料和氧化剂都能通过全部通过燃气发生器的预燃室，最大限度地为其提供冷却，而高压补燃火箭发动机则只能做到部分燃料或者部分氧化剂通过燃气发生器的预燃室，冷却效果大大低于全流量火箭发动机。好处是，燃气发生器预燃室温度相同的前提下，全流量火箭发动机的燃气发生器输出功率相比高压补燃火箭发动机更大，可以给火箭燃烧室提供更大的压力，产生更大的推力和更高的比冲。

据了解，世界上燃烧室压最高的高压补燃液氧煤油火箭发动机是俄制RD-191，室压为26.1Mpa，而Space X公司研制的猛禽2代全流量液氧甲烷火箭发动机的室压却高达30Mpa，其中地面型号室压甚至能提升到33Mpa，这是高压补燃火箭发动机所做不到的。

上面提到全流量液氧甲烷火箭发动机的最大技术难点在于如何让燃气发生器在“富氧预燃”环境下长时间稳定运行。我国通过YF100高压补燃液氧煤油火箭发动机彻底掌握了“富氧预燃”燃气发生器技术。我国正在研制的YF90高压补燃氢氧发动机于2021年9月23日和2023年2月2日分别成功进行1次全工况半系统试车，标志着我国掌握了“富燃预燃”燃气发生器技术。可见我国在这两类高压补燃火箭发动机技术的基础上，研制出一款全流量液氧甲烷火箭发动机也只是时间问题。

最后

虽然4月20日的发射功败垂成，但是事实上，在马斯克和SpaceX的探索之路上，最不缺的就是疯狂尝试与疯狂失败。马斯克善于在过程中积累经验，最终才得以迎来一个又一个的成功里程碑。

也许马斯克提出的殖民火星计划，在很多人看来更是极为疯狂的妄想——通过星际飞船，从2029年开始将人类送往火星，并在2050年实现将总计100万人去火星生活，并让他们在火星建立城市，实现真正的移民，成为“火星人”。 但SpaceX的实际表现还是让这项“妄想”一点点变得“可信”起来。

正如百年前的宇航先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基所言，“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里”。人类是时候该大步迈进，探索新的星际文明了。