利刃TO
和通常只需要增壓進(jìn)氣的航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)必須同時(shí)向燃燒室內(nèi)泵入替代氧氣的氧化劑和燃料，才能在真空環(huán)境下燃燒。但在泵的功率和流量越做越大之后，一個(gè)兩難的謎題就擺在人類面前：氧化劑和燃料彼此之間總是沒(méi)有辦法同時(shí)得到'充分利用'，二者就像一個(gè)蹺蹺板，這邊壓下去另一邊就彈起來(lái)。
但就在近日，這個(gè)難關(guān)也被人類攻破：隨著第一臺(tái)量產(chǎn)型'猛禽'液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)登上美國(guó)SPACEX公司的試車臺(tái)，標(biāo)志著下一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，也就是'全流量分級(jí)燃燒'進(jìn)入了工程量產(chǎn)階段。
圖為正在試車臺(tái)前吊裝的'猛禽'液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
在此之前，各國(guó)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大概可以被劃分為兩個(gè)派別，即'富氧燃燒'和'富燃燃燒'：前者能充分利用燃料，但過(guò)量的氧氣濃度使得燃燒室內(nèi)溫度過(guò)高，渦輪泵系統(tǒng)的壽命較短，代表作是俄羅斯的RD-180；而富燃燃燒雖然能在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)較大的使用壽命和較強(qiáng)可靠性，但始終無(wú)法令燃料充分燃燒。一旦燃料本身含碳，則火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各部件上很容易產(chǎn)生'積碳'，一樣會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)作。
圖為正在試車臺(tái)上測(cè)試的'梅林1D'火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，右側(cè)排出的黑煙含有大量未燃燒的碳微粒。
盡管使用'無(wú)碳'的燃料-氧化劑組合，也就是液氫-液氧能夠解決火箭發(fā)動(dòng)機(jī)富燃燃燒原理下積碳的'老毛病'，但一方面復(fù)燃燃燒依舊有推力損失，一方面液氫-液氧這個(gè)搭檔不僅難制備，更難儲(chǔ)存，價(jià)格還高，實(shí)在不是人類脫離地心引力的最優(yōu)選擇。
圖為運(yùn)輸液化天然氣的大型船只，富含甲烷的天然氣相比液氫無(wú)疑價(jià)格極低。
換句話說(shuō)，除卻偏二甲肼、戊硼烷這類劇毒的推進(jìn)劑之外，價(jià)格便宜的液氧-煤油和更便宜的液氧-甲烷才更符合航天市場(chǎng)門(mén)檻降低的需求，但同樣的，令氧化劑和燃料同時(shí)充分利用，不相互制約，也是這兩種推進(jìn)劑大展手腳的必要條件。
因此，最重視成本的SPACEX也就自然而然地從故紙堆里翻出了全流量分級(jí)燃燒技術(shù)：不同于燃料和氧化劑在主燃燒室里相互碰撞，必有一方勝出的極端情況，使用全流量分級(jí)燃燒技術(shù)的'猛禽'發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室里碰撞的是富氧燃?xì)夂透蝗既細(xì)猓@么一來(lái)兩種推進(jìn)劑就能完全利用，將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的效率最大化。
圖為拉出美麗火焰的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)。
但富氧燃?xì)夂透蝗既細(xì)獗旧?相對(duì)不可控'，這使得應(yīng)用全流量分級(jí)燃燒技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性問(wèn)題成為了一大挑戰(zhàn)，同時(shí)這也是這一'絕學(xué)'先前被束之高閣的原因。
也正因?yàn)槿绱耍瑴y(cè)試順利的'猛禽'原型機(jī)總是被歸類為藝術(shù)品，而非工業(yè)品：外界始終懷疑SPACEX是否能將全流量分級(jí)燃燒技術(shù)順利平和地推廣到量產(chǎn)領(lǐng)域，并最終服務(wù)于BFR大火箭。
圖為應(yīng)用猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的BFR火箭。
有鑒于此，SPACEX拿出了看家本事，也就是在獵鷹九號(hào)火箭和梅林發(fā)動(dòng)機(jī)上成功應(yīng)用的'迭代'思想：目前生產(chǎn)的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)推力僅有200噸，較原型機(jī)降低了100噸。但SPACEX會(huì)不斷地在大批量生產(chǎn)中更新版本，最終實(shí)現(xiàn)350噸海平面推力和300噸真空推力，并可多次復(fù)用的總目標(biāo)。
誠(chéng)然，這樣的說(shuō)法看上去有些天方夜譚。但在SPACEX的梅林1A火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以35噸推力亮相，并廣受歐洲航天局在內(nèi)的同行嘲笑時(shí)，誰(shuí)也不會(huì)想到不過(guò)幾年，推力翻了近三番的梅林1D會(huì)成為他們頭頂?shù)呢瑝?mèng)，把守舊的老家伙們壓得喘不過(guò)氣來(lái)。
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