揭秘SpaceX猛禽發(fā)動機：全流量分級燃燒的未來科技

在SpaceX 的新型猛禽發(fā)動機是一款以甲烷為燃料的全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機，它的研發(fā)難度非常大，此前從未有過類似的發(fā)動機進行過飛行！

所以為了更好地理解猛禽發(fā)動機，我們將概述幾種常見的火箭發(fā)動機循環(huán)類型，然后將猛禽發(fā)動機與其他一些常見的火箭發(fā)動機進行比較，例如 SpaceX 目前的主力發(fā)動機梅林發(fā)動機、航天飛機的 RS-25 發(fā)動機、RD-180 發(fā)動機、藍色起源的 BE-4 發(fā)動機和 F-1 發(fā)動機。

對火箭發(fā)動機感興趣的建議可以看看。

SpaceX不僅采用了瘋狂的發(fā)動機循環(huán)，還將使用液態(tài)甲烷作為燃料。

我們還會詳細講解所有不同的發(fā)動機循環(huán)類型，以便您了解全流量分級燃燒循環(huán)是什么，它是如何工作的，以及它與其他循環(huán)有何不同。

所以，希望讀完本文后，我們能夠了解猛禽發(fā)動機的特殊之處，它與其他火箭發(fā)動機相比有何不同，為什么它使用甲烷，并最終揭曉猛禽發(fā)動機是否會成為新一代火箭發(fā)動機之王……

如果你和我一樣，可能曾經(jīng)盯著這樣的圖表看好幾個小時，每次都看得頭昏腦脹。為了避免這種情況，我特意制作了一些非常簡化的火箭發(fā)動機循環(huán)圖，供大家參考，希望能幫助大家理解這些概念。

/*壓力供氣式發(fā)動機

火箭基本上就是推進劑，外面裹了一層外殼固定住推進劑，尾部有個裝置能把推進劑高速發(fā)射出去。簡單來說，推進劑發(fā)射速度越快越好。

最簡單的辦法就是把推進劑全部儲存在高壓罐里，然后在罐的一端裝上閥門和噴嘴，把推進劑加速成可用的推力。搞定！不需要什么復(fù)雜的泵，也不需要什么復(fù)雜的系統(tǒng)，只要打開閥門，發(fā)射就行了。

這被稱為壓力供給式火箭發(fā)動機，主要有幾種類型：冷氣壓力供給式、單組元壓力供給式和雙組元壓力供給式發(fā)動機。由于它們結(jié)構(gòu)簡單、可靠且反應(yīng)迅速，因此常用于姿態(tài)控制系統(tǒng)。

但是，壓力供氣式發(fā)動機有一個很大的限制因素。壓力總是從高壓流向低壓，因此發(fā)動機內(nèi)的壓力永遠不能高于推進劑儲罐內(nèi)的壓力。

為了在高壓下儲存推進劑，儲罐需要足夠堅固，因此也需要更厚更重。可以考慮復(fù)合材料纏繞壓力容器（COPV）。它們能夠儲存壓力高達近10,000磅/平方英寸（約700巴）的氣體。

盡管如此，它們能夠儲存的推進劑和壓力仍然有限。當(dāng)需要將有效載荷送入軌道時，這種限制就難以有效擴展。

所以，聰明的火箭科學(xué)家很快意識到，為了盡可能減輕火箭的重量，他們其實只有一件事可做：增加焓。

焓本質(zhì)上是體積、壓力和溫度之間的關(guān)系。燃燒室內(nèi)的壓力和溫度越高，效率就越高；火箭發(fā)動機吸入的物質(zhì)越多，推力就越大。

所以，為了向發(fā)動機內(nèi)注入更多推進劑，可以提高儲罐內(nèi)的壓力，或者直接用大功率泵將推進劑噴射到燃燒室。

但是，每秒輸送數(shù)百升燃料的泵需要大量的能量來驅(qū)動，而且我指的是真的非常多的能量。那么，如果我們用一個小型火箭發(fā)動機對準渦輪機，讓它高速旋轉(zhuǎn)呢？這樣就可以將火箭推進劑的部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動能，然后用這些動能來驅(qū)動這些強大的泵。

但是，仍然會遇到一些限制因素，比如高壓總是會轉(zhuǎn)化為低壓，以及高溫會熔化物質(zhì)……所以，在竭盡全力榨取發(fā)動機每一分動力的同時，必須控制好所有這些因素。

我們有燃氣發(fā)生器循環(huán)、部分流量分級燃燒循環(huán)，最后我們將研究全流量分級燃燒循環(huán)……

/*渦輪泵和分級燃燒循環(huán)發(fā)動機

先從燃氣發(fā)生器循環(huán)（也稱為開式循環(huán)）說起。這可能是軌道火箭上最常見的液體燃料火箭發(fā)動機類型之一。它肯定比壓力供給系統(tǒng)復(fù)雜得多，但至少與閉式循環(huán)發(fā)動機相比，它相當(dāng)簡單。

實際上，這里面有幾十個閥門、錯綜復(fù)雜的電線和細小的管道、用來給燃料箱加壓的氦氣、流經(jīng)噴嘴和燃燒室進行冷卻的燃料，以及預(yù)燃器和燃燒室的點火源……

燃氣發(fā)生器循環(huán)的工作原理是利用渦輪泵將燃料和氧化劑泵入燃燒室。渦輪泵主要由幾個部分組成：

一個稱為預(yù)燃器的微型火箭發(fā)動機、

一個連接到軸上的渦輪，

以及一個或兩個將推進劑泵入燃燒室的泵。

你可能會聽到有人把渦輪泵組件稱為動力包，因為它確實是發(fā)動機的動力來源。在開式循環(huán)系統(tǒng)中，預(yù)燃器燃燒后的廢推進劑會被直接排放到發(fā)動機外，不會產(chǎn)生任何顯著的推力。這使得系統(tǒng)效率較低，因為用于驅(qū)動渦輪泵的燃料和氧化劑基本上都被浪費掉了。

渦輪泵的奇妙之處在于它存在一個“先有雞還是先有蛋”的悖論，這使得它的啟動相當(dāng)困難。因為驅(qū)動渦輪泵的預(yù)燃器需要高壓燃料和氧化劑才能工作……所以，

預(yù)燃器需要渦輪泵運轉(zhuǎn)才能達到其自身的工作壓力，而渦輪泵又需要預(yù)燃器點火才能運轉(zhuǎn)……但預(yù)燃器又需要渦輪泵，如此循環(huán)往復(fù)。

壓力總是從高壓流向低壓，所以渦輪泵的壓力必須高于燃燒室壓力。這意味著通往預(yù)燃器的進氣口實際上是整個火箭發(fā)動機中壓力最高的點，下游所有位置的壓力都較低。

看看SpaceX的梅林發(fā)動機，它使用RP-1（火箭推進劑1號）和液氧作為燃料。注意預(yù)燃器排氣口冒出的煙有多黑……

為什么火箭推進劑燃燒室的尾氣排放會如此濃重，而主燃燒室?guī)缀鯖]有可見的廢氣呢？這是因為火箭推進劑的溫度會非常高……高達數(shù)千攝氏度。為了防止溫度過高熔化渦輪機和整個渦輪泵組件，必須確保其溫度足夠低，才能持續(xù)運行。以最佳燃料和氧氣比例運行效率最高，能量釋放也最大，但同時也會產(chǎn)生驚人的熱量。

為了保持較低的溫度，預(yù)燃器可以以低于最佳比例運行，即燃料過量（燃油過濃）或氧化劑過量（氧氣過濃）。RP-1發(fā)動機燃油過濃時，你會看到一些未燃燒的燃料以黑色煙塵的形式出現(xiàn)。高壓下的未燃燒碳分子會結(jié)合并形成聚合物，這個過程稱為結(jié)焦。這些煙塵會粘附在所有接觸到的物體上，可能會堵塞噴油器，甚至損壞渦輪機本身！這就是為什么煤油發(fā)動機每次使用完都需要清理。

如果你不想浪費那些高壓推進劑怎么辦…由于燃料過濃，發(fā)動機運行溫度更低，這豈不是意味著大量未燃燒的燃料被白白浪費掉了？如果能把那些高溫廢氣直接導(dǎo)入燃燒室呢？歡迎來到閉式循環(huán)！

/*閉式循環(huán)發(fā)動機

閉式循環(huán)或分級燃燒循環(huán)利用通常會損失的廢氣，并將其連接到燃燒室，從而提高發(fā)動機效率，幫助增加壓力，進而提高效率。

試試梅林發(fā)動機的閉環(huán)控制。我們把廢氣直接排進燃燒室！！哦不！！！我們弄進去一大堆煙灰，把噴油嘴都堵住了。看來今天上不了太空了。

但這個問題有幾種解決方案，讓我們來看看蘇聯(lián)是如何解決的。

他們制造的第一款可投入使用的閉式循環(huán)發(fā)動機是NK-15，最初是為N-1登月火箭設(shè)計的。后來他們將其升級為NK-33，之后又衍生出許多型號，包括如今阿特拉斯五號火箭使用的RD-180發(fā)動機。

由于NK-15和NK-33發(fā)動機和梅林發(fā)動機一樣使用RP-1燃料，所以不能讓預(yù)燃室采用富燃模式，因為會造成結(jié)焦問題……因此

如果想用RP-1制造一臺閉式循環(huán)發(fā)動機，答案是讓預(yù)燃室采用富氧模式。然而，現(xiàn)在噴出的卻是超高溫高壓的氧氣，這足以把任何東西都燒成糊狀，而噴頭卻是精密加工、公差極高的渦輪葉片。

美國當(dāng)時認為這根本不可能，所以基本上放棄了嘗試。他們認為根本不存在能夠承受這種極端嚴苛條件的金屬合金，而且直到蘇聯(lián)解體后，美國工程師親眼見到并親自測試后，他們才相信蘇聯(lián)真的制造出了如此高效強勁的RP-1發(fā)動機！但事實上，蘇聯(lián)人確實付出了巨大的努力，研制出了一種特殊的合金

在閉式循環(huán)發(fā)動機中，并非只是簡單地將燃料和氧化劑在預(yù)燃器中燃燒以驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，而是將所有富燃推進劑都送入渦輪。因此，在富氧循環(huán)中，所有氧氣都會進入預(yù)燃器，而進入預(yù)燃器的燃料量也恰到好處。你只需要足夠的燃料來為渦輪提供足夠的能量，使其能夠驅(qū)動泵高速旋轉(zhuǎn)，從而在預(yù)燃器和燃燒室中產(chǎn)生足夠的壓力，最終將物體送入太空。

現(xiàn)在，高溫的氧氣被強制送入燃燒室，與液態(tài)燃料混合。它們相遇后爆炸，產(chǎn)生干凈高效的燃燒，幾乎沒有浪費任何推進劑！太棒了！

但是，和所有發(fā)動機一樣，燃燒室壓力不能高于泵壓力，所以泵實際上承受著很大

如果你以為美國是不是眼睜睜看著蘇聯(lián)獨占閉式循環(huán)發(fā)動機的寶座，那就大錯特錯了。美國的確花了更長的時間，最終也研制出了閉式循環(huán)發(fā)動機，但它與富氧循環(huán)截然不同……

美國雖然也研發(fā)了閉式循環(huán)發(fā)動機，但他們選擇了富燃預(yù)燃器。等等……我們剛知道，富燃預(yù)燃器的尾氣會產(chǎn)生大量的煙塵，幾乎會毀掉所有東西……

如果用的是RP-1或其他任何高碳燃料，那肯定會是這樣的結(jié)果……所以美國選擇了另一種燃料—氫氣！好吧，現(xiàn)在我們避免了用高溫高壓氧氣噴射所有珍貴物品的麻煩，但現(xiàn)在又打開了潘多拉的盒子…… 氫氣的密度遠低于RP-1或液氧。事實上，氫氣的密度要低得多，因此需要一個巨大的渦輪泵才能將適量的氫氣輸送到燃燒室。

由于RP-1和液氧的密度和比例相對相似，它們可以使用單個預(yù)燃器在同一軸上運行……但是氫氣需要更多的氫氣才能達到相同的氧氣質(zhì)量，因此，由于氫氣密度較低且需要更高的燃料比，氫氣和液氧的泵截然不同。

羅克達因公司的工程師們著手研發(fā)一種名為RS-25的發(fā)動機，這種發(fā)動機后來被用于航天飛機。他們意識到，由于兩種泵之間的巨大差異，他們不妨直接使用兩個預(yù)燃器，一個用于氫氣泵，一個用于氧氣泵。

但使用兩個獨立的軸又帶來了另一個新問題。現(xiàn)在，工程師們將高壓高溫的氫氣輸送到同一軸上，而且緊挨著液氧泵。如果部分氫氣從預(yù)燃器泄漏出來，就會引發(fā)液氧泵起火，后果不堪設(shè)想。

氫氣也很難控制，因為它密度很低，或者說很輕？它很容易從縫隙中滲漏出來。因此，工程師們必須設(shè)計一個復(fù)雜的密封裝置，以防止高溫氫氣泄漏。

這種密封件叫做吹掃密封件，它實際上是用氦氣加壓的，所以它是壓力最高的點。因此，如果密封件泄漏，只會泄漏惰性氦氣！

既然我們已經(jīng)討論完了雙燃燒器、燃油豐富的RS-25，這里是它的簡化示意圖。我沒有把燃油泵畫成不同尺寸，因為我只想重點展示燃油流動，力求簡化說明。

但需要注意的是，RS-25發(fā)動機的兩個預(yù)燃室都采用濃燃模式，只是它們驅(qū)動的燃油泵不同。RS-25發(fā)動機至今仍被認為是史上最佳發(fā)動機之一，擁有相當(dāng)高的推重比和無與倫比的效率。

閉式循環(huán)提高了發(fā)動機的整體性能，具有極大的優(yōu)勢，還能比這更好嗎？那就是下面的全流量分級燃燒循環(huán)

/*全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機

它基本上結(jié)合了我們剛才提到的兩種閉式循環(huán)方法。全流量分級燃燒循環(huán)采用兩個預(yù)燃器，一個運行在富燃區(qū)，另一個運行在富氧區(qū)。富燃預(yù)燃器驅(qū)動燃油泵，富氧預(yù)燃器驅(qū)動液氧。這意味著全流量循環(huán)需要解決氧化劑過濃的問題，而這個問題同樣可以通過開發(fā)高強度金屬合金來解決。

因此，SpaceX自主研發(fā)了一種名為SX500的超合金。據(jù)馬斯克稱，這種合金能夠承受超過800巴的高溫富氧氣體。這或許是猛禽發(fā)動機研發(fā)過程中最大的障礙之一。

幸運的是，富燃側(cè)只負責(zé)泵送燃料，所以即使有少量高溫燃料從軸上的密封件泄漏，也只會接觸到更多燃料，不會造成太大問題。由于富燃預(yù)燃器容易產(chǎn)生結(jié)焦問題，全流量模式可能不適用于RP-1燃料，

該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，由于燃料和氧化劑都以高溫氣體的形式進入燃燒室，因此燃燒更充分，溫度更高。此外，正如我們之前提到的，它也減少了對復(fù)雜密封系統(tǒng)的需求，從而減少了翻新次數(shù)。

但是，在全循環(huán)燃燒模式下，由于所有燃料和氧化劑都經(jīng)過預(yù)燃器，因此可以燃燒足夠的推進劑來驅(qū)動渦輪泵……

然而，燃料與氧化劑的比例會非常高，燃料和氧氣的濃度都會大幅降低，導(dǎo)致渦輪機的溫度顯著降低，這意味著渦輪泵組件的使用壽命會更長。同時，這也意味著更多的燃燒發(fā)生在燃燒室，而預(yù)燃器的燃燒量會減少。

好像迄今為止，只有三臺發(fā)動機演示過完整的分級燃燒循環(huán)……

20 世紀 60 年代，蘇聯(lián)研制了一種名為 RD-270 的發(fā)動機，但從未試飛過。21 世紀初，Aerojet 和 Rocketdyne 合作研制了一種名為“集成動力頭演示器”的集成動力頭演示器，但同樣，它也從未通過測試臺的考驗。

第三次嘗試研發(fā)全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機就是SpaceX的猛禽發(fā)動機！

是的，馬斯克成功了。

猛禽發(fā)動機只是這種奇特發(fā)動機的第三次嘗試。它是第一臺真正投入使用并離開測試臺的發(fā)動機！但愿它也能成為第一臺進入軌道的全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機。實際上，這臺發(fā)動機的幾乎所有成就都將是史無前例的。

但這也就意味著SpaceX必須克服許多極其棘手的難題。他們不僅需要解決富氧循環(huán)的相同問題，還必須精確控制燃料，以創(chuàng)造火箭發(fā)動機有史以來最高的燃燒室壓力—270巴，最終打破了RD-180發(fā)動機約265巴的紀錄。而且他們還沒完，他們的目標是300巴，這還是很難的。

由于猛禽發(fā)動機無法使用RP-1燃料進行富燃預(yù)燃，你可能會認為下一個最合乎邏輯的選擇是氫氣……然而，SpaceX既沒有選擇RP-1也沒有選擇氫氣，而是選擇了液態(tài)甲烷！

讓我們先從設(shè)計第一級火箭時最重要的因素——推進劑的密度開始。燃料密度越高，在燃料質(zhì)量相同的情況下，燃料箱就越小越輕。燃料箱越小，火箭就越輕。

需注意的是，813克/升是RP-1的平均密度，但SpaceX在獵鷹9號和獵鷹重型火箭中會對RP-1進行冷卻，使其密度提高約2%-4%。不過，RP-1的歷史密度基本穩(wěn)定在813克/升左右。

所以就密度而言，甲烷的密度大致處于中間水平。但影響燃燒性能的因素不僅僅是密度，我們還需要考慮燃料燃燒量與氧化劑燃燒量的比例，也就是氧化劑與燃料的比例。

火箭工程師必須考慮燃料的質(zhì)量和相應(yīng)的燃料箱重量，因此他們實際上并不是以完美的化學(xué)計量比燃燒推進劑，而是找到一個完美的平衡點，以兼顧燃料箱尺寸、推力輸出和比沖。

根據(jù)這些數(shù)值，RP-1 的燃燒比例為 2.7 克氧氣比 1 克 RP-1，氫氣的燃燒比例為 6 克氧氣比 1 克氫氣，甲烷的燃燒比例為 3.7 克氧氣比 1 克甲烷。這些數(shù)值有助于稍微彌補密度上的巨大差異。

為了便于理解，我們不妨想象一下。液氧的密度為每升1141克，比RP-1略大。因此，如果液氧和RP-1的混合比例為2.7:1，那么每燃燒1升液氧，就需要略多于0.5升的RP-1。

接下來我們來看氫氣。氫氣的密度比RP-1小11倍，你可能會認為它需要一個容量大11倍的儲罐……工程師們發(fā)現(xiàn)，液氧和氫氣以6:1的比例混合燃燒是一個不錯的折衷方案。

這意味著每升液氧需要2.7升氫氣！所以你的燃料箱需要比RP-1燃料箱大大約5倍…

這就是為什么當(dāng)我們比較氫動力德爾塔IV火箭和RP-1動力獵鷹9號火箭時，你會發(fā)現(xiàn)獵鷹9號火箭的燃料箱比液氧箱小得多，但德爾塔IV火箭的情況則恰恰相反！它的液氧箱比燃料箱小得多。

液氧的密度是液態(tài)甲烷的2.7倍，但燃燒比是1克甲烷消耗3.7克氧氣。也就是說，每1升液氧需要0.73升甲烷。換句話說，盡管RP-1的密度幾乎是甲烷的兩倍，但甲烷液氧的燃料箱容量需要比RP-1大40%左右！而與氫氣相比，甲烷液氧的燃料箱容量則要小3.7倍。

因此，燃料與氧化劑的比例使得 Methalox 的燃料箱更接近 RP-1，而不是 Hydrolox。

火箭發(fā)動機的另一個重要變量是其效率。效率用比沖（ISP）來衡量，你可以把它想象成汽油車的燃油經(jīng)濟性。因此，高比沖類似于高燃油效率（mpg 或 kmpl）。理解比沖的最佳方法是：假設(shè)你有 1 千克推進劑，發(fā)動機能以 9.81 牛頓的推力持續(xù)多少秒？

在保持如此大推力的情況下，發(fā)動機消耗燃料的時間越長，其比沖就越高，因此用相同燃料量能做的功就越多。也就是說，它就是燃油經(jīng)濟性。

在理想情況下，RP-1發(fā)動機的續(xù)航時間可以達到約370秒，理想的氫動力發(fā)動機可以達到532秒，而甲烷發(fā)動機則介于兩者之間，為459秒。然而，現(xiàn)實世界中的例子要低得多，RP-1發(fā)動機的續(xù)航時間約為350秒（Merlin 1D真空發(fā)動機），甲烷發(fā)動機約為380秒（猛禽真空發(fā)動機），氫發(fā)動機約為465秒（RL-10B-2）。

我們來談?wù)劯鞣N燃料的燃燒溫度。燃燒溫度越低的燃料對發(fā)動機的損害越小，也可能延長發(fā)動機的使用壽命。RP1 燃料的最高燃燒溫度可達 3670 開爾文，氫氣為 3070 開爾文，而甲烷的燃燒溫度介于兩者之間，為 3550 開爾文。

說到熱力學(xué)方面的考慮，我們來看看這些燃料的沸點，也就是液態(tài)燃料在什么溫度下會沸騰蒸發(fā)成氣體？由于所有這些燃料都需要保持液態(tài)才能維持密度，因此溫度越高，燃料就越容易儲存。沸點越高，也意味著燃料箱的隔熱層可以減少甚至無需隔熱，從而防止推進劑沸騰蒸發(fā)。

RP-1 的沸點非常高，甚至比水還高，高達 490 開爾文。而氫氣的沸點則接近絕對零度，低得驚人，只有 20 開爾文！這溫度低得離譜，要保持這種溫度需要非常謹慎的考慮。 而甲烷的沸點則介于兩者之間，為 111 開爾文。雖然這仍然很低，也需要考慮熱力學(xué)因素，但它的沸點至少與液氧相近，所以也算是個優(yōu)點吧！

現(xiàn)在來說說尾氣排放，這些發(fā)動機燃燒的副產(chǎn)品是什么？

RP-1 是這三種發(fā)動機中唯一真正會造成污染的，因為未燃燒的碳會和水蒸氣一起殘留在大氣中。氫氣只產(chǎn)生水蒸氣，甲烷則會產(chǎn)生一些二氧化碳和水蒸氣。

/*spacex的發(fā)動機戰(zhàn)略

接下來，我們將具體探討SpaceX為何將甲烷視為公司未來發(fā)展的重要組成部分

SpaceX的最終目標是開發(fā)一套能夠?qū)⑷祟惙磸?fù)送往火星并返回地球的系統(tǒng)。

火星大氣富含二氧化碳，結(jié)合利用電解和薩巴蒂爾法從火星地表和地下水中提取水，火星大氣就可以轉(zhuǎn)化為甲烷燃料！這樣一來，就無需攜帶返回地球所需的全部燃料。可以利用火星資源在火星上直接生產(chǎn)燃料。

這被稱為原位資源利用（ISRU）。你可能會想，既然火星上有水，為什么不直接在火星表面制氫作為燃料呢？沒錯，但氫氣和長期任務(wù)面臨的最大問題之一是氫氣的沸點。要使氫氣保持液態(tài)，從而成為有效的燃料，需要認真考慮各種因素。

所以對SpaceX來說，甲烷是個非常合適的選擇！它的密度相當(dāng)高，這意味著火箭的尺寸可以保持在合理的范圍內(nèi)；它的效率相當(dāng)高；它的燃燒清潔，使得發(fā)動機具有很高的可重復(fù)使用性；它的燃燒溫度相對較低，有助于延長發(fā)動機的使用壽命，這同樣有利于發(fā)動機的重復(fù)使用；它價格低廉，易于生產(chǎn)，而且可以在火星表面輕松生產(chǎn)！

我們將按燃料類型和循環(huán)方式對發(fā)動機進行分類。

首先，我們來比較一下SpaceX的梅林（Merlin）發(fā)動機（用于獵鷹9號和獵鷹重型火箭）、NPO Energomesh的富氧閉式循環(huán)RD-180發(fā)動機（用于阿特拉斯5號火箭）以及羅克達因的F-1發(fā)動機（用于土星5號火箭），它們都使用RP-1燃料。

接下來是SpaceX的猛禽（Raptor）發(fā)動機（全流量分級燃燒循環(huán)），它將為星艦（Starship）和超重型火箭（Super Heavy）提供動力；

藍色起源的BE-4發(fā)動機（富氧閉式循環(huán)，使用甲烷燃料），它將為新格倫（New Glenn）火箭和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）即將推出的火神（Vulcan）火箭提供動力；

以及Aerojet Rocketdyne的RS-25發(fā)動機（富氫閉式循環(huán)，曾為航天飛機提供動力，并將為即將推出的SLS火箭提供動力），它使用氫氣作為燃料。

推力固然重要，但如果發(fā)動機效率極低，再強大的推力又有什么意義呢？接下來，我們來看看它們的比沖，比沖的單位是秒。我們將展示海平面比沖和真空比沖。

首先是效率最低的F-1發(fā)動機，比沖為263到304秒；然后是梅林發(fā)動機，比沖為282到311秒；接著是RD-180發(fā)動機，比沖為311到338秒；BE-4發(fā)動機的比沖也差不多，約為310到340秒；接下來是猛禽發(fā)動機，比沖為330到350秒左右；最后，效率最高的當(dāng)屬RS-25發(fā)動機，比沖高達366到452秒！

接下來是梅林發(fā)動機，壓力為97巴；然后是BE-4，壓力在135巴左右；再往后是RS-25，壓力為206巴；之后是RD-180，它曾被認為是現(xiàn)役發(fā)動機之王，壓力高達257巴。

然而，猛禽發(fā)動機的出現(xiàn)打破了這一紀錄，它以驚人的270巴的燃燒室壓力成為新的王者，而且他們還希望將其提升到300巴！300巴相當(dāng)于在3公里深的海底。我簡直無法想象。

我們先從最貴的發(fā)動機開始，然后往下看最便宜的。

這系列發(fā)動機中最貴的是RS-25，單價超過5000萬美元……真是嚇人。接下來是F-1發(fā)動機，單價3000萬美元；然后是RD-180，單價2500萬美元；BE-4，單價約800萬美元；

之后是梅林發(fā)動機，單價不到100萬美元。至于猛禽發(fā)動機，埃隆·馬斯克曾說過，如果能簡化現(xiàn)有版本的復(fù)雜性，猛禽發(fā)動機的生產(chǎn)成本可以低于或接近梅林發(fā)動機…所以目前，我們暫且把價格定在200萬美元左右，這應(yīng)該算是一個比較合理的估算。

成本固然重要，但發(fā)動機成本的另一個關(guān)鍵因素是其是否可重復(fù)使用。而RD-180和F-1發(fā)動機恰恰是不可重復(fù)使用的，或者至少從未被重復(fù)使用過……這與其他所有可以多次重復(fù)使用的發(fā)動機截然不同。

RS-25發(fā)動機被反復(fù)使用，單臺發(fā)動機的記錄是飛行19次，而且是在經(jīng)過幾個月的翻新之后……梅林發(fā)動機希望在不進行重大翻新的情況下飛行10次。我們知道BE-4發(fā)動機的設(shè)計目標是重復(fù)使用25次，而猛禽發(fā)動機的目標是飛行50次，

由于RD-180和F-1發(fā)動機不可重復(fù)使用，它們的價格保持不變。但對于其他發(fā)動機，如果我們考慮它們的飛行次數(shù)，RS-25發(fā)動機的可重復(fù)使用性優(yōu)勢就能顯現(xiàn)出來，縮小與其他發(fā)動機的差距，使其潛在成本降至每千牛1414美元。

然而，更令人驚訝的是，藍色起源公司的BE-4發(fā)動機在25次飛行后每千牛的成本約為133美元，其運營成本可能與每千牛117美元的梅林發(fā)動機相近，有望真正改變行業(yè)格局。但如果猛禽發(fā)動機真的名副其實，它甚至可能將每千牛的成本降至每千牛20美元。這才是真正的顛覆性創(chuàng)新。

讓我們來看看SpaceX的終極計劃：制造一種能夠快速、完全可重復(fù)使用的運載火箭，以盡可能低的成本和常規(guī)的方式將人類送上月球和火星。這可不是一般火箭的設(shè)計目標，對吧？為了實現(xiàn)快速、完全可重復(fù)使用，發(fā)動機需要清潔運行，維護成本低，采用簡單的渦輪泵密封件和較低的預(yù)燃溫度。嗯，甲烷燃料全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機聽起來很合適……

出于可靠性、冗余性和生產(chǎn)規(guī)模方面的考慮，采用大量發(fā)動機是合理的。為了縮小發(fā)動機尺寸并保持高輸出功率，燃燒室壓力需要很高……聽起來甲烷燃料全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機似乎很合適……

對于星際旅行來說，甲烷是最合適的燃料，因為它的沸點使其適用于長途旅行，例如前往火星。而且，你猜怎么著，火星上也能生產(chǎn)甲烷……所以對于星際旅行來說，使用甲烷作為燃料的全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機聽起來是個不錯的選擇……

甲烷密度相當(dāng)高，這意味著儲氣罐的尺寸可以保持在合理范圍內(nèi)。這對于星際旅行來說非常有利，無需攜帶額外的重量……因此，制造一臺以甲烷為燃料的全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機似乎是個不錯的選擇……

所以……讓我們回到正題，猛禽發(fā)動機真的是火箭發(fā)動機之王嗎？

火箭科學(xué)，就像所有事物一樣，都是一系列復(fù)雜的妥協(xié)。

它是最高效的發(fā)動機嗎？不是。

它是最強大的發(fā)動機嗎？也不是。

它是最便宜的發(fā)動機嗎？可能也不是。

它是最容易重復(fù)使用的發(fā)動機嗎？ 也許是。

它真是一款恰到好處的發(fā)動機，完美地完成了它需要做的所有事情。它是你的星際飛船的完美之選。

總而言之，猛禽發(fā)動機在這個應(yīng)用領(lǐng)域堪稱王者。它是一款出色的發(fā)動機，能夠完美實現(xiàn)SpaceX星艦飛船的目標。

至于它在其他應(yīng)用領(lǐng)域是否也能稱王？也許是，也許不是，

這個問題就留給那些需要做出各種復(fù)雜妥協(xié)的火箭科學(xué)家和工程師們來評判吧！

那么，你怎么看？開發(fā)這樣一款復(fù)雜精密的發(fā)動機值得嗎？猛禽發(fā)動機的故事才剛剛開始嗎？

最重要的是，猛禽發(fā)動機真的能稱得上是火箭發(fā)動機之王嗎？歡迎在下方評論區(qū)留言分享你的看法。