從梅林到猛禽，爲何馬斯克認爲去火星必須用液氧甲烷發動機？

作者：科學聲音吳京平

馬斯克在擁有了金牌火箭獵鷹9號之後，又用三枚獵鷹9號第一級做捆綁的方式發展出了重型獵鷹火箭，這個火箭近地軌道運送能力達到了60噸，目前還是我們地球上現役的最強火箭。

但是，馬斯克的目標不是簡單的發發衛星，而是奔着去火星的。現有的重型火箭根本就不夠去火星，必須開發更大的火箭。你想啊，去火星肯定要搞多級火箭，一級一級地扔太麻煩了，而且肯定很貴。你要想回收，難度就太大了。一級火箭能回收，那是因爲一級火箭根本沒達到第一宇宙速度，會走拋物線落回地表。二級火箭就不行了，通常二級火箭會達到第一宇宙速度。

圖：獵鷹9號第二級的殘骸

前幾天，外媒炒作我們的長征5B火箭一級的墜落問題。我還專門做了節目。大家有興趣，可以回顧一下。其實獵鷹9號的二級火箭殘骸也曾經掉在了一個農場裡，沒燒光，還多少剩了一點殘骸。二級火箭雖然是入軌了，但是速度並不算快，而且幾百公里高的太空，其實多多少少還有少量的大氣分子，也還是會產生阻力。繞的圈數多了，還是要掉下來的。比如說，國際空間站其實每天都會下落100米左右，有飛船對接上來，那就順便推一把，速度一上去，軌道就會升高一截。

也就是說，二級火箭還有少許回收的可能性。儘管技術難度比一級火箭大得多，畢竟速度比一級火箭快了不少。可是三級火箭怎麼辦？土星五號是登月火箭，第三級的速度達到了11.2公里/秒，已經達到了地球的逃逸速度，再也回不到地球上了。你怎麼回收呢？不行的。

所以，馬斯克在設計去火星的運輸系統，就必須簡化流程。火箭只能用兩級的，其實本質上有點類似於航天飛機了，也就是第二級也要能從太空裡返回地球降落，或者是直接落在月球上，直接落在火星上。只要兩級就夠了，不能再多了。

圖：最右邊的就是馬斯克的星艦

那也就意味着，這枚火箭是超級的大，比土星5號還要大好多。預計一級火箭重達3500噸，二級火箭重達1200噸。這麼大的火箭，拿梅林發動機去並聯是不可能的。必須造更大的發動機，即便是大發動機，也仍然需要並聯一大捆。單臺發動機的推力達到300多噸，這也就不小了。比我們的yf100大了兩倍多。這樣的發動機，需要並聯28臺，才能把這麼大的一顆火箭推起來，總推力達到8500噸左右。

馬斯克是這麼考慮的，一級火箭把二級火箭送進太空，然後自己飛回去，回收再利用。二級火箭靠自己的力量就能飛去月球，如果要去火星，那就不夠了。必須同時發射兩枚巨型火箭。一艘運人運貨，一艘當加油機，在太空裡邊，兩枚巨型火箭屁股對着屁股，對接加油。加油機回地球着陸，另一艘巨型火箭去火星，然後直接降落。

要從火星上回來，那就直接開着巨型火箭飛回來。從月球上回來也是一樣，直接開着飛回來，只是去火星是需要在火星基地補充燃料的。這些燃料必須是在火星上就地生產出來的。一切都要以這個流程爲標準，來設計火箭和發動機。

一個大問題就擺在大家的面前，火星上有石油嗎？不知道，反正現在是沒有。火星上有煉油廠嗎？沒有，這都不靠譜兒。

那麼如何在火星上生產燃料呢？辦法還是有的，那就是在火星上找到水源，比如說地下的冰，NASA的探測器的確在火星上發現了冰。火星大氣之中有二氧化碳，再加上水，那就可以利用電作爲能源，用一些催化劑，想盡辦法把二氧化碳和水還原成甲烷和氧氣，用甲烷來當做燃料。

當然，也可以直接電解水，生成氫氣和氧氣。氫也能當燃料，比衝非常高，燃燒熱值也高。但是氫氣實在是不好伺候，分子太小了，密度太低，重量沒多大，體積倒是不小，作爲星際航行，燃料罐要很大，工程設計實在是太難了。所以，還是甲烷好一點。

圖：煤油、甲烷、液氫的密度對比

馬斯克的團隊綜合考慮了很多很多的因素，確定了甲烷火箭這個方案是可行的，而且是綜合下來的最優解了。首先，煤油的密度是813克/升，液態甲烷是422克，液氫是70克，液氫的密度低得令人髮指。

不管是液氧煤油火箭，還是氫氧火箭，還是液氧甲烷作爲燃料，液氧是跑不了的，就以液氧爲標準，完全燃燒的話，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克液氫要搭配6克的液氧。

你會發現火箭除了發動機就是燃料罐，液氧煤油火箭，煤油是個小罐子，液氧是個大罐子。到了氫氧火箭，液氫絕對是個超級大罐子，比液氧的罐子大五倍，這就是超低密度帶來的問題，罐子太大，也就加大了結構重量。用甲烷的話，罐子比煤油大了40%，但是和液氧罐子大小差不多，比較平均。綜合下來是划算的。

甲烷還有一個好處，液態甲烷的溫度-161度，液氧是-183度。煤油是常溫儲存，不同的煤油凝固點不統一，大概也就零下40多度吧，液氫是-253度。反正液氧和煤油的溫度差達到了-200度左右。液氫和液氧的溫度也差了將近70度。也就是說，液氫會把液氧凍成大冰坨子，液氧也會把煤油給凍成固體，這倆燃料罐是儘量不要做成背靠背。要想減輕結構重量，做成共底儲箱，難度相當大，起碼要解決保溫的問題。

圖：共底儲箱

但是，液氧和甲烷的溫度差不多，甲烷的冰點是-182度，比液氧的沸點-183度恰好高了一絲，沒關係，這點溫差稍微採取一些保溫措施就能解決。這樣，我們就可以把燃料罐做成一體的，中間加個隔板隔開，一邊放液氧，一邊放甲烷。這就是所謂的共底儲箱。這就是液氧甲烷作爲燃料帶來的一個額外的好處。共底儲箱變得比較省事兒。液氧煤油或者是氫氧要做共底儲箱也不是不行，但是代價比較大。

那麼，最關鍵的是液氧甲烷發動機的性能怎麼樣呢？發動機的一個非常重要的指標就是比重。比衝的上限是由燃料決定的。理論極限，液氧煤油發動機是370，液氧甲烷是422，氫氧發動機是532。但是，實際上沒有那麼高，RD180是著名的液氧煤油發動機，海平面比衝也才311，真空比衝338。航天飛機的發動機是最出色的氫氧發動機，海平面比衝366，真空比衝才452。

可想而知，甲烷發動機的性能也就在氫氧發動機和液氧煤油發動機之間。不高不低，海平面比衝能有330多，也就能滿足馬斯克的需求。

圖：宇宙神5型火箭發射X37B的時候，二級火箭的尾焰擴散很快

我們這裡補充說明一下，火箭發動機噴出去的燃氣當然是越快速膨脹效率越高，這樣熱能才能充分轉化成機械能。但是，在大氣層之中，因爲大氣壓的存在，所以噴出去的高溫燃氣無法徹底的擴散，還是被大氣壓給束縛住的。所以，比衝會低一點。你看火箭發射的時候，尾部的火焰都是常常的一條，那就是因爲噴得快，擴散的慢，所以是一窄條。但是二級火箭發動機在真空裡燃燒，尾焰就不是一長條了，而是一個大喇叭口。噴的快，橫向擴散也很快，就成喇叭口了。所以，咱們看火箭發射還是要看門道。不能只看熱鬧。我還有視頻節目專門介紹了不同火箭的不同尾焰，大家可以搜出來看看。

既然燃料選擇了甲烷，工程師們發現，如今的世界上連一個成熟的甲烷發動機都沒有。SpaceX只能靠自己設計了。

我們不得不再來稍微複習一下有關火箭發動機的基本知識。最開始，火箭發動機就是把燃料擠進燃燒室，一燒一噴就完了，跟噴燈差不多。但是，後來發現供不上這麼多的燃料。布勞恩的辦法是用雙氧水催化分解，產生高溫高壓氣體來吹動渦輪泵，把燃料供給燃燒室。這就是V2火箭採用的招數。

圖：電子號起飛重量只有10噸

這種設計需要使用額外的雙氧水，太麻煩了，後來大家都不這麼幹。但是新西蘭的電子號火箭也是採用了外置能源驅動燃料泵的技術，只是他們用的是鋰電池+電動泵的辦法，這個技術用在小型火箭發動機上還是可行的，電子號只有10噸，專門用來打小衛星，很輕，可以用降落傘回收，結構簡單倒是真的。因爲這個電動的泵和燃燒徹底沒關係。其他的火箭發動機的燃料泵都是有複雜的關係的，所以纔會這麼麻煩。

再複雜一點的設計是膨脹循環，就是讓燃料繞着噴口內壁轉圈流動，用噴口給燃料加熱，產生高溫高壓，然後推動一個燃料泵來往燃燒室裡快速輸送燃料，這就是所謂的膨脹循環。

圖：梅林發動機的燃氣發生器廢氣排放口濃煙滾滾，大量燃料被白白浪費了

再進一步，用少量的燃料和氧化劑放到一個專門的燃燒室裡去燒。然後用廢氣吹動渦輪泵，往燃燒室裡輸送燃料。這種就叫燃氣發生器。獵鷹9號用的梅林發動機就是這種模式。要是燃料充分燃燒，溫度能高達3000度，渦輪泵葉片根本受不了。爲了降低溫度，只能加大燃料的量，到那時氧氣只給一點點，這樣沒有完全燃燒的燃料就會帶走大量的熱。不至於讓溫度太高，還在渦輪泵的耐受範圍之內。但是，燃料不完全燃燒，實在是太浪費了，所以燃氣發生器的比衝是不高的，耗油量大。這種模式也叫開式循環。

自然而然有人想到，既然廢氣裡含有大量沒有完全燃燒的燃料，乾脆送進燃燒室燒掉算了，也也算是不浪費，但是，事情哪有這麼簡單呢？不完全燃燒是會產生大量黑煙的，其實就是產生了大量的碳顆粒。這玩意兒進了燃燒室，你不怕發動機結焦啊，萬一把噴注器堵了，你負責是吧，真的沒人敢這麼幹。

你可能會想啊，能不能倒過來呢？讓氧化劑過量，燃料少一點，這樣不就不會產生那麼多黑煙了嘛，也就沒有結焦問題了對吧。你想的太簡單了。富含氧化劑的高溫燃氣不就是氧氣切割機嗎？你打算把渦輪泵葉片全切下來啊？你這是跟渦輪泵有多大的仇啊。

美國人也曾經想搞啊，要是這個路子走通了，發動機就由開始循環變成閉合循環了，燃料和氧化劑是一點都沒浪費啊。可惜美國人在這條路上走的那叫一個慘，最後還是放棄了。後來乾脆就放棄了液氧煤油發動機這條路。

這條路蘇聯人走成了，這條路就是所謂的高壓補燃發動機，或者叫分級燃燒發動機。他們硬是研發出了抗高溫耐氧化的金屬零件，而且他們的煤油不太容易結焦。這事兒跟燃料品質也是有關係的，煤油不是個單純的物質，裡面成分複雜的很呢。

圖：RD180發動機試車，這是一臺雙噴口的發動機

所以，美國人的宇宙神5型火箭用的就是俄國人的RD180，這個發動機就是典型的高壓補燃發動機。美國人看到俄國人的發動機，讚歎不已啊，這東西真是個價錢便宜量又足的好東西。但是俄國人有個缺陷，那就是燃燒室的室壓上不去，所以，他們採用多噴口的方式，RD180是個典型的一拖二，一個渦輪泵給兩個燃燒室供燃料。

美國人在沒有走通富氧分級燃燒的路子，但是富燃分級燃燒他們搞定了。那就是航天飛機的主發動機，這個發動機的水平極高，推重比高，比衝也高，效率驚人。燃料是氫氣，完全沒有結焦的問題。美國人繞過了麻煩的問題。

圖：航天飛機主發動機試車

這個發動機做了兩個預燃室，分別驅動兩個渦輪泵，一個管供應氫氣，一個供應氧氣。因爲氫氣的特性和氧氣差的太遠，所以，渦輪泵的轉速差好多，還是分開比較合適。

但是，這個發動機也有麻煩事。用富含氫氣的燃氣去驅動渦輪泵，如果這個燃料泵是輸送氧氣的，那麼高溫高壓的氫氣和氧氣之間的距離非常近，有一點泄漏都會造成災難。渦輪的軸不可能一點縫隙都沒有對吧。美國人只能硬是用高壓的氦氣來想辦法把氫氣給堵回去，所以，還是需要攜帶額外的氦氣，氦氣是惰性氣體，不燃燒。但是這不是麻煩嘛。而且造成輸送氧氣的渦輪泵極其複雜，真是佩服這幫工程師啊，居然給弄出來了。

圖：全流量分級燃燒

那麼有沒有其他辦法呢？還是有的，那就是所謂的全流量分級燃燒。用富含燃料的渦輪泵去輸送燃料，漏一點出來也只會碰上燃料，不會炸。用富含氧氣的渦輪泵去輸送氧氣，稍微漏掉點也沒關係，道理都是一樣的。

馬斯克最新研發的猛禽發動機，就是少有的全流量分級燃燒發動機。富燃廢氣和富氧廢氣最後統統送進燃燒室，一點都不浪費。所以，這個發動機的比衝達到了海平面334，真空比衝361，比煤油高一點，比氫氧機低一點，總推力310噸。比航天飛機的發動機大了一點。

圖：猛禽試車

但是，富燃燃燒的廢氣難道不會冒黑煙嗎？灌進主燃燒室，難道不會產生結焦嗎？這個問題，我下次再說。關注我，後續更精彩。