7月31日消息，據國外媒體報道，SpaceX公司首席執行官埃隆·馬斯克(Elon Musk)決心要把人類送上火星。要做到這一點，人類需要一艘巨大的宇宙飛船，并由一種前所未有的新型火箭發動機提供動力。而猛禽(Raptor)發動機就是SpaceX未來努力的方向。

猛禽發動機的設計目的是為SpaceX正在建造的新型可重復使用的航天器、星際飛船以及超重型火箭提供動力。在設計上，這些巨大的航天器最多可同時搭載100人進入太空。SpaceX計劃在2023年將人類送入月球軌道，為前往月球和火星做準備。2019年2月，SpaceX測試了首個飛行版的猛禽發動機，并于上周在對名為Starhopper的星際飛船原型進行“跳躍”測試的過程中對猛禽發動機進行了飛行試驗。

猛禽發動機已經開發了近十年時間，經歷多次迭代。其核心就像其他火箭發動機一樣，燃燒化學燃料來產生推力。但它所使用的液氧和甲烷在火箭行業基本上是前所未有的，加上發動機的創新設計意味著猛禽發動機是SpaceX探索太陽系的王牌主力。

“沒有其他火箭發動機能像猛禽發動機那樣，從液態甲烷和液態氧的反應中產生如此多的推力，”運營Everyday Astronaut YouTube頻道的行業專家蒂姆·多德(Tim Dodd)表示。“SpaceX的想法是讓它猛禽發動機在幾乎不進行翻新的情況下，得以重復使用。如果這種發動機能夠一遍又一遍地投入發射，這肯定會有助于公司的商業運營。”

火箭發動機的可重用使用是一個關鍵方面，正如馬斯克所說，每個火箭發動機需要能夠重復飛行1000次，以支持星際飛船的運營。這是一個重大挑戰：在太空探索的歷史上，重復使用最多的發動機是每架航天飛機的主發動機，但每架航天飛機最多也只能飛行幾十次。多德說：“這是一項雄心勃勃的計劃。“我不知道在不久的將來猛禽發動機是否一定能實現1000次重復飛行。如果它能完全發揮出潛力，也許終有一天能達到1000次。”

現有的梅林發動機

SpaceX現有的發動機名為“梅林”(Merlin)，主要用于其獵鷹9號和重型獵鷹火箭的發射，但猛禽發動機相比于梅林預示著一個重大改進。其一是由于發動機的壓力更高，其推力比梅林增加了一倍。盡管大小相似，但相比于梅林的86000公斤的推力，猛禽發動機在海平面上的推力達到了17萬公斤。

另一個方面是甲烷的使用。迄今為止還沒有任何甲烷動力火箭進入軌道，Starhopper幾天前的測試跳躍是甲烷發動機第一次真正飛行。與煤油等其他燃料相比，甲烷可以防止發動機中沉積物的累積，而煤油在燃燒過程中會因為焦化現象而導致沉積物在發動機中不斷累積。此外，甲烷的密度比其他燃料要高，因此可以以更低的成本獲得更高的性能。

“液體火箭的推進劑成本在總發射成本中所占的比例很小，”空間顧問蘭德·辛伯格(Rand Simberg)表示。“對于可重復使用的飛行器，我們想要達到關心推進劑成本的程度。在航空公司，燃料通常占總運營成本的35%。傳統上，燃料成本占火箭發射總成本的比例不到1%。”

猛禽發動機采用了全流量分級燃燒發動機的設計，這是歷史上第三臺采用這種技術的發動機，而梅林發動機使用了更常見的開式循環系統。上世紀60年代的蘇聯和本世紀初的美國都曾嘗試過開發全流量分級燃燒發動機，但都沒有成功。

全流量分級燃燒發動機是利用在預燃室中注入少量燃料，產生高溫燃氣推動發動機的渦輪和泵。通常情況下，傳統的開式循環發動機會在啟動發動機這一過程中消耗掉一些推進劑，而猛禽發動機將有效利用每一滴可用的推進劑，使其成為有史以來最為高效的火箭發動機之一。

來自麻省理工學院的太空顧問查理·加西亞(Charlie Garcia)說:“猛禽發動機在足夠高的壓力下燃燒這些燃料，然后把預燃室中的廢氣和推進劑一起注入燃燒室，從而實現推進劑的完全燃燒。”“這是一種非常聰明的方式，只有俄羅斯人以前這么做過……通過預燃室把所有推進劑都注入發動機。”

最終的結果是猛禽發動機的壓力要比梅林發動機高得多，大約是后者的三倍，這使它成為現存壓力最高的火箭發動機。高壓也使得同等體積的猛禽發動機推力比梅林更大。2016年，馬斯克提到發動機主腔內的“瘋狂壓力”達到了30Mpa(300個大氣壓)，這需要開發為猛禽發動機開發一種新的金屬合金。

當然，猛禽發動機相對于其前輩梅林發動機的重大創新是甲烷的使用，這可以追溯到SpaceX的最終目標。SpaceX并不是唯一一家轉向采用甲烷作為燃料的公司，由亞馬遜首席執行官杰夫·貝索斯(Jeff Bezos)領導的競爭對手藍色起源公司也在開發自己的甲烷發動機，名為Blue Engine 4 (BE-4)。由于液態甲烷發動機有很多顯而易見的好處，這是一個早就應該到來的轉變。

以前的大多數火箭發動機都依靠煤油等燃料。但使用甲烷的主要好處是，它比其他燃料密度大得多，這意味著火箭可以更小。它的低成本也意味著總發射成本可以降低。

這一點可能至關重要，因為SpaceX至少希望制造數量巨大的猛禽發動機。每艘星際飛船都配備6個猛禽發動機，而超級重型火箭有35個猛禽發動機，這意味著每次發射總共有41個猛禽發動機。SpaceX目前最大的火箭重型獵鷹一共使用了28個梅林發動機，其中底部27個，上部1個。隨著SpaceX計劃發射更多數量的星際飛船和超級重型火箭，發動機的生產速度將需要顯著提高。

多德表示：“由于他們在超級重型火箭上使用了如此多的猛禽發動機，SpaceX將不得不以絕對瘋狂的速度提高制造能力。”“伊隆說要在12小時內完成一個，這在業內是聞所未聞的。即使他們每周做一個，也會讓人印象深刻。”

人們還相信，可以在火星表面或太空的其他地方提取甲烷用作發動機燃料。也許是通過在其他天體表面開采水和二氧化碳達到這一目的，這種方式被稱為就地資源利用。來自咨詢公司SpaceWorks的行業分析師凱萊布·威廉斯(Caleb Williams)說：“你可以很容易地從火星表面，甚至是月球表面提取甲烷。”

這對于SpaceX實現星際飛船從地球往返火星的目標至關重要，使其在燃料方面幾乎能夠自給自足。“這一直是人類進入太陽系的圣杯，”加西亞說。“因為當你可以在太空中補充燃料時，你的推進劑就不必來自地球了。”

除此之外，猛禽發動機還代表著SpaceX的雄心壯志發生了重大轉變，從規模不大的地面發射轉向了對太陽系的無盡探索。Starhopper星際飛船原型最近的測試是朝著正確方向邁出的關鍵一步，如果猛禽發動機能實現它的部分承諾，未來將會非常光明。如果SpaceX真的能到達火星，猛禽發動機將在其中扮演重要角色。(騰訊科技編譯/皎晗)

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