[中配]如何SpaceX重新定義火箭發動機

如果說有一樣東西讓SpaceX在航天行業的競爭中脫穎而出 那就是他們敢於幻想那些連其他人都認爲不可能的瘋狂想法 如果說還有第二件讓SpaceX成爲一家特別公司的事情 那就是他們將那些瘋狂的想法變爲現實的能力 而Starship的Raptor發動機就是這一創新的完美實力 猛禽發動機不僅僅是另一款火箭發動機 這是重新定義的火箭發動機 讓我們從SpaceX首個量產火箭發動機Merlin開始 隨着SpaceX在Falcon 1火箭測試中不斷進展 我們看到了幾種不同版本的Merlin設計 Merlin EC引擎爲首次成功的Falcon 1發射提供動力 並在前5次Falcon 9飛行中繼續使用 目前SpaceX在其所有的Falcon 9和Falcon Heavy火箭上 都使用Merlin ED發動機 Merlin發動機的設計是SpaceX早期混亂時期的產物 在2000年代初期 讓一家來自加利福尼亞的私人科技初創公司 進入軌道火箭發射領域簡直不可思議 前所未有 沒人認爲他們會成功 因此也沒有人願意在這個項目上投資 埃隆·馬斯克用他在PayPal獲得的鉅額財富自籌資金 但SpaceX燒錢的速度與火箭燃料的消耗一樣快 所以埃隆對Merlin發動機的使命宣言是 打造儘可能簡單且便宜的火箭發動機 那麼這是什麼樣的呢? 我們簡要聊一下火箭發動機是怎樣工作的 以確保我們在同一個起跑線上 這裏的基本概念其實並不難理解 在火箭的主體內部有兩個推進機關 一個是用來儲存氧氣 另一個是用來儲存燃料 氧氣的部分對每種火箭來說都是一樣的 因爲火焰需要氧氣來燃燒 這就像往篝火裏吹氣以增強火焰 要把氧氣變成火箭推進劑 首先要將其液化 你通過將氧氣超冷至低溫狀態 將其從氣體轉變爲液體 氧氣的沸點是-183攝氏度或-297華氏度 所以在低於這個溫度的任何溫度下 它將穩定爲液態 這很酷 在燃料方面 Merlin使用一種叫做RPE的化學物質 其實就是純淨的煤油 它便宜且易於獲得 並且在常溫下是液體 當火箭發動機啓動時 兩個泵將把氧氣和燃料 以非常高的壓力輸送到燃燒室 在那裏兩種液體混合並點燃 這種燃燒將釋放出大量能量 推動推進劑燃燒並膨脹以產生壓力 所有這些能量將通過喉部排出燃燒室 這就像通過嘴脣的一個小縫隙 把肺裏的空氣吹出來以熄滅蠟燭 你在嘴裏產生高壓 並迫使氣體通過一個小開口排出 然後所有高壓高溫的燃燒廢氣 通過噴嘴排出 在那裏它從喉部的大小 擴展到噴嘴開口的大小 這種擴張實際上使排氣 加速到比離開喉道時更快的速度 從喉部到噴嘴末端的擴張比越大 排氣的加速就越大 這個過程將壓力轉化爲推力 我們越快將排氣氣體 從噴嘴後部排出 火箭前進的速度就會越快 每個行動都有相等且相反的反應 在梅林發動機設計中 燃料和氧氣的雙泵 有一種被稱爲氣體發生器的裝置驅動 這就像是一個微型火箭發動機 擁有自己的燃燒室和噴嘴 不同的是 這個迷你發動機是直接朝着渦輪噴射的 而不是直射向下 現在燃燒反應產生的壓力 正在驅動一臺渦輪 渦輪與一個主軸相連 這個主軸同時驅動 兩個主要的燃料和氧氣泵 當氣體完成了推動渦輪的工作後 多餘的氣體通過排氣管 從發動機側面排出 這就是我們所說的 開放循環燃氣發生器 這一設計可以追溯到1944年 德國研製的第一款遠程彈道導彈 V2火箭 所以當愛隆要求 儘可能簡單且便宜的火箭發動機時 這正是他所得到的 想象一下 每天都能通過窗戶看到 這令人驚歎的太空美景 我不能給你一艘宇宙飛船 但我有下一個最佳選擇 Displate 在我們繼續探索宇宙奇觀的同時 我要告訴你如何通過Displate 龐大的外太空經驗圖像收藏 將這些奇觀帶入你的家中 Displate是一種獨特的金屬海報 旨在捕捉你所有的激情 我們剛剛爲辦公室收集了一些內容 展示了從星艦發射到火星峽谷的所有景象 Displate目錄中有超過200萬個藝術作品可供選擇 你可以選擇全新原創的設計 或者來自你最喜歡的科幻作品的官方授權圖片 無論你是星球大戰迷 還是星際迷航迷 Displate都有適合你風格的作品 這還能變得更好嗎 好吧 磁鐵 這種畫板獨特的磁吸安裝系統無需工具 對牆面安全而且非常迅速 您所需的所有磁性固定系統的配件均包含在包裝內 無需鑽孔 無需打洞 無需煩惱 現在你可以隨時更換你的Displate 只需取下你的金屬海報 然後換上另一張 訪問www.Displate.com SpaceRace 或使用我的代碼spacerace 來享受我的折扣 這僅限一週 所以今天就行動吧 到今天爲止 Merlin發動機仍然是SpaceX的一個出色產品 未來幾年可能會繼續這樣下去 但當開始開發下一代SpaceX飛船時 他需要的是下一代SpaceX發動機 有了新艦 埃魯馬斯克給他的工程師們設定了新的使命聲明 製造出有史以來最爲複雜的火箭發動機 使其具備現有任何發動機中最高的推重比 並使用一種從未有人使用過的新型火箭燃料 依賴20世紀的經典設計的時代早已過去 是時候重新定義火箭發動機了 那麼讓我們從新的燃料來源開始 Raptor現在使用的是甲烷而不是煤油 與氧氣一樣 甲烷需要在低溫下液化 以便將其轉化爲適合的火箭燃料 這爲系統增加了額外的複雜性 但這些麻煩是值得的 讓我來解釋 煤油是一種長鏈釘 意味着它很難完全燃燒並轉化爲氣體 即使在火箭的燃燒室這樣的環境中 燃燒後你仍然會留下大量固體物質作爲副產品 那剩下的碳固體通常被稱爲菸灰 就是黑色的灰塵 就像煙囪內部一樣 那些煙垢傾向於附着在火箭發動機的內部 現在由於典型的火箭發動機使用一次後就直奔海底 這通常並不重要 但在像梅林這樣的可重複使用發動機中 這些基碳在發射之間都需要清除 而這對於埃隆計劃的快速重複 使用日程來說是遠遠不夠的 它希望這些東西每天能多次發射 甲烷主要由氫組成 每四個氫原子中就有一個碳原子 所以要完全燃燒這些碳 並不留任何副產品是很容易的 例如如果你家裏有天然氣 那幾乎完全是甲烷 你可以在你的爐子或竈臺上隨時燒它 而不必擔心碳殘流 那就是燃料 那麼Raptor發動機的內部系統與舊的梅林相比如何呢? Raptor的設計被稱爲全流量分級燃燒循環 這是一種非常複雜的泵 渦輪和管道佈局 我們回到發動機圖示上 在Raptor循環中 液體從儲罐流向主泵 然後直接進入一堆氣體發生器 燃料和氧氣分別經過各自的渦輪 因此與以往所有僅在氧氣側 或在少數情況下 在燃料側使用單個渦輪的發動機不同 Raptor是唯一配備雙燃氣渦輪的發動機 現在我們不再是所有東西都在一個主軸上旋轉 而是爲每個油箱配置獨立的渦輪和泵 當低溫液體到達這些渦輪時 它首先遇到的是一個預燃燒器 那是一個V型火箭發動機 預燃器剛好將液體燃燒到足以轉變爲氣體 但是由於氧氣和甲烷都不能單獨燃燒 因此需要在兩個預燃燒器之間建立一個交叉連接 使得少量氧氣能夠與甲烷硫相結合 同時少量甲烷也能夠與氧氣硫相結合 一旦實現燃燒 廢氣就會被衝入渦輪殼體旋轉液片 渦輪液片旋轉泵譜 隨後將現在氣化的推進劑 以極高的壓力送入燃燒室 不過等一下 如果渦輪旋轉泵 而泵又將液體送入渦輪 那這個過程到底是如何開始的呢? SpaceX在發射臺上使用設備 來外部啓動渦輪機 這就是爲什麼星際飛船發射臺 被視爲主火箭的零級發射臺 它對助推器的成功點火至關重要 這裏有兩點需要注意 第一 這個系統沒有排氣管 讓氣體在渦輪之後排出 這就是爲什麼我們稱Raptor爲B式循環 而不是Merlin的開放循環 因此在Raptor發動機中 兩個氣體發生器產生的所有壓力 都被保持在系統內 這使得其操作在極高的壓力下進行 這也是甲烷作爲清潔燃料來源的 另一個亮點 因爲我們並沒有排放預燃氣的廢氣 如果你用沒有燃料來嘗試 這些菸灰會迅速在系統內積聚 最終毀掉一切 第二 燃料和氧氣泵與燃燒室之間 沒有直接的通道 這意味着所有的甲烷和氧氣 在到達燃燒室之前 必須經過一個預燃燒室 這就是我們稱Raptor循環 爲全流動分級燃燒的原因 現在我們的氧氣和甲烷 都以非常熱且壓力極高的氣體形式 從渦輪中排出 當氣體在燃燒室中 發生氣體與氣體的反應時 將產生最高效的燃燒效果 氣體之間的反應產生的能量 將顯著高於液體之間的反應 埃隆·馬斯克聲稱 這種反應的效率超過99% 這是物理學所允許的最大值 伊朗說 只有上帝才能比Raptor燃燒室 更好的結合分子 現在如果聽起來很複雜 那是因爲確實很複雜 畢竟這是火箭科學 埃隆曾形容點燃Raptor發動機 是一種燃料系統和氧氣系統之間的微妙舞蹈 萬物相互關聯 彼此影響 所以如果出現任何問題 甚至如果甲烷與氧氣循環稍微不同步 整個發動機就會爆炸 至少部件會融化 所以我們知道Raptor是如何運作的 我們來討論一下 這對發動機的性能和功率意味着什麼 Raptor是一款相對較小的發動機 卻能產生相對巨大的推力 目前的Raptor2版本 在海平面上產生230公噸的推力 這不是最強大的火箭發動機 那個稱號屬於推動土星五號火箭的F1發動機 它的推力超過了Raptor的兩倍 但它也是一個絕對巨大的發動機 裏面可以停下一輛吉普車 相比之下 Raptor的高度爲3米 Panzer寬度爲1.5米 結構非常緊湊 這使得SpaceX能夠將33個發動機 裝進直徑爲9米的助推器中 Raptor比類似的RS-25引擎要小得多 後者曾用於航天飛機 並已被改裝用於SLS登月火箭 但RS-25只產生大約190噸的推力 因此Raptor擁有無與倫比的公衆比 Raptor的重量僅爲1600公斤 而RS-25則接近3200公斤 而Raptor通過 以遠高於世界上其他火箭發動機的 壓力運行燃燒式來實現這一點 目前Raptor-2的燃燒式壓力爲380約合 435一磅每平方英寸 作爲比較舊的梅林發動機的 燃燒式壓力約爲180 請記住 火箭發動機利用喉部和噴管 將壓力轉化爲推力 因此更高的壓力意味着更大的推力 埃隆·馬斯克表示 未來對Raptor設計的工作 將主要是減化發動機 從而降低成本並加快生產速度 這回歸到埃隆最喜歡的說法之一 最好的部分就是沒有部分 這正是它第一性原理哲學的核心 伊朗在設計時遵循的步驟是 首先質疑約束和要求 減少無意義的限制 也就是說不遵循任何沒有道理的規則 其次 刪除設計過程中的任何不必要的部分 如果你沒有被迫恢復至少10% 你刪除的東西 那麼你刪除的就還不夠 第三步優化 第四步加速 步驟五 自動化 而我們已經能夠在Raptor 1到Raptor 2的 過渡中看到這一點 新發動機上可見的部件明顯減少 伊朗說它想把發動機上所有繁瑣的細節都刪除 這意味着將更多的小管道和電線 整合到更大的導管中 並用更少的螺栓法蘭和實心焊接來替代 埃隆說 通過整合更多發動機的組件 它們實際上可以去掉外罩 這基本上是保護性的隔熱護盾 顯然減少火箭設計中的任何部分 都會使其更輕更便宜 這對於可持續的太空飛行至關重要 這個過程還將繼續使Raptor更便宜 更易於生產 這也是最終的主要目標 你可能會想 既然火箭是完全可重複使用的 爲什麼它們還需要這麼多發動機 那麼我們得從長遠來看這個問題 這就是埃隆的想法所在 他對星際飛船的最終目標 是讓這些火箭像今天的噴氣式飛機一樣普遍 艦隊數量至少達到1000艘或更多 這些飛船將持續運營 用於地球和火星之間 地球和月球之間的往返 甚至在地球內部進行點對點運輸 星際飛船的最終目標 是成爲人類歷史上最重要的交通工具之一 這與首批跨越海洋連接全球的帆船一樣重要 星際飛船可以連接整個太陽系