DAOrayaki |SpaceX的猛禽发动机是火箭发动机之王吗?

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研究种类: SpaceX, Rocket Engines

原文作者:  Tim Dodd

贡献者:李泽宇@DAOrayaki

原文: Is SpaceX’s Raptor engine the king of rocket engines?
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SpaceX的新猛禽发动机是一个甲烷燃料的全流量级内燃循环发动机,开发起来非常困难,一直以来从未有过这样的发动机!

这个话题非常可怕,为了引入猛禽发动机,我们将介绍几种常见的火箭发动机循环,然后将猛禽与它们进行比较,如SpaceX目前的Merlin、航天飞机的RS-25、RD-180、Blue Origin的BE-4和F-1发动机。

如果这还不够,SpaceX不仅使用疯狂的发动机循环,还将使用液态甲烷作为燃料,这也是没有轨道火箭使用过的!因此,我们将了解液态甲烷作为火箭燃料的独特性,看看我们能否弄清楚为什么SpaceX使用甲烷来制造猛禽发动机。

我们还将分解并解释所有不同的发动机循环类型,以便你知道什么是全流级燃烧循环,它是如何工作的,以及它与其他循环相比如何。

因此,在本文结束时,希望我们能了解猛禽发动机为什么很特别,它与其他火箭发动机相比如何,为什么它使用甲烷,并希望了解猛禽发动机是否会成为新的火箭发动机之王……

如果你在点击这篇文章时没有注意到本文很长,那么不好意思。但是,如果你像我一样,总是听到很多关于猛禽引擎的炒作,想去了解它,但并不知道从哪里开始,那么欢迎阅读本文。

好吧,我已经花了相当长的时间真正研究这个问题了,这样我就可以奠定良好的基础,帮助我们充分欣赏猛禽发动机,坦率地说,所有火箭发动机!

如果你像我一样,也许你盯着这样的图表看了几个小时,每次你的头都会爆炸。因此,为了避免这种情况,我自己制作了一些非常简化的火箭发动机循环版本,供我们所有人享受,希望这将有助于我们掌握这些概念。

现在我们将从快速入门的物理课开始,但请耐心一点,我们会深入了解大量细节。我们将不遗余力地让你在读完本文时,牢牢掌握火箭发动机的工作原理,不同版本的液体燃料火箭发动机,以及为什么甲烷是燃料的有效选择;并且你将确切地知道猛禽发动机是如何胜过其他一些流行的火箭发动机的。

基本上,火箭只是推进剂的容器,背面有一个东西可以非常快地抛出推进剂。而且简单地说,抛出推进剂的速度越快越好。

最简单的方法是在非常高压下将所有推进剂储存在油箱中,然后在油箱的一端安装一个阀门和一个推进喷嘴,将推进剂加速到可行的推力。完成了!没有疯狂的泵或复杂的系统,只需打开阀门推进即可。

这被称为压力型火箭发动机,主要有几种类型,例如冷气发动机、单螺旋桨发动机、双推进剂压力供给发动机。你可能会经常发现它们被用于反应控制系统,因为它们非常简单、可靠、快速。

但压力供给发动机有一个很大的限制因素。压力总是从高流向低,因此发动机的压力永远不会高于推进剂罐。

为了在高压下储存推进剂,你的油箱需要坚固,因此需要更厚、更重。看看复合覆盖压力容器或COPV。它们能够将气体储存在近10,000 psi或约700 bar的气压。

尽管如此,它们可以储存的推进剂和压力仍然有限。当你试图将有效载荷送入轨道时,这并没有很好地扩展。

因此,聪明的火箭科学家很快意识到,为了使火箭尽可能轻,他们只能做一件事——增加焓。“增加焓(Increase the enthalpy)”听起来像个很棒的90年代金属乐队名称。

焓基本上是体积、压力和温度之间的关系。燃烧室内部的压力和温度越高,效率越大,通过火箭发动机推力越大,推力就越大。

因此,为了将更多的推进剂推入发动机,你可以增加油箱的压力,也可以只是用高功率泵将推进剂射入燃烧室。嗯,后者听起来是个好主意!

但泵每秒移动数百升燃料需要很多,天哪,我的意思是需要大量的能量来为它们供电。那么,如果你有一个微型火箭发动机,把它对准涡轮机,从而让它旋转得非常快呢?你可以将火箭推进剂的一些化学能换成动能,然后用于旋转这些强大的泵。

这样我们获得了涡轮泵和分阶段燃烧循环!但仍然有一些限制因素,比如高压总是想进入低压,以及热量可能融化东西……所以,在试图从发动机中挤出每一点电力时,你必须控制所有这些因素。

实际上,在这里可以介绍很多火箭循环,但我只会介绍三个最常见的循环,或者至少三个在引入猛禽时最重要的循环。

我们有气体发生器循环,部分流量分阶段燃烧循环,最后我们将研究全流量分阶段燃烧循环……也许在未来的一篇文章中,我将尝试对所有液体燃料火箭发动机进行全面概述,包括有趣的新替代品,如火箭实验室的电子火箭上看到的电动泵馈送发动机。

因此,我们从气体发生器循环(也称为开放循环)开始。这可能是轨道火箭上最常见的液体燃料火箭发动机类型之一。它肯定比压力供给系统更复杂,但它相当简单,至少与封闭循环计数器部件相比是如此。

现在我要大大简化这一点,使它尽可能容易掌握。在现实生活中,确实有数十个阀门,一个电线和超小管道的蜂巢,用来提供反向压力使燃料流经喷嘴和燃烧室进行冷却的氦,以及预燃机和燃烧室的点火源……

但话说回来,为了使这尽可能简单和易于消化,不用知道那么多东西,因为我们只需专注于这些引擎的流程,以降低概念的复杂度。然后,一旦你掌握了这些简单的版本,就会更容易地理解复杂的版本,而不会看得云里雾里。

燃气发电机循环的工作原理是使用涡轮泵将燃料和氧化剂泵入燃烧室。涡轮泵有几个主要部件,一个叫做预燃机的迷你火箭发动机,一个连接到轴的涡轮机,然后是一两个将推进剂推入燃烧室的泵。

你可能会听到涡轮泵组件被称为Powerpack,因为它确实为发动机提供了动力。在开放循环系统中,预燃烧器的废推进剂被简单地倾倒在舷外,不会产生任何重大推力。这降低了效率,因为用于旋转泵的燃料和氧化剂基本上是浪费的。

现在,涡轮泵的有趣之处在于,它有一种鸡和鸡蛋综合症的情况,这使得启动起来相当困难,因为为涡轮泵供电的预燃器需要高压燃料和氧化剂来操作……因此,预燃机需要涡轮泵旋转,然后才能完全达到操作压力,但涡轮泵需要预燃机开火才能旋转涡轮泵……但预燃机需要涡轮泵等。

这使得启动燃气发生器变得棘手。有几种方法可以做到这一点,但我们不需要在这篇文章中讨论所有这些,但这听起来像是未来文章的一个有趣话题。

因此,回到涡轮泵,请记住,压力总是从高流向低,因此涡轮泵的压力需要高于室压力。这意味着进入预燃烧器的入口实际上是整个火箭发动机的最高压力点,下游的所有东西都是较低的压力。

但请注意这里的一些事情。看看SpaceX的Merlin发动机,它运行在RP-1或火箭推进剂1和液氧上。注意预燃机排气的烟雾是如何变黑的……

为什么它与几乎没有可见排气的主燃烧室相比烟这么多?嗯,那是因为火箭推进剂可能会变得超级热……可能有成千上万摄氏度。因此,为了确保温度不会太热以至于融化涡轮机和整个涡轮泵组件,他们需要确保它足够凉爽地持续运行。以完美的燃料和氧气比运行是最高效和释放的能量最多的,但它也会产生疯狂的热量。

为了保持低温,你可以以低于最佳比例运行预燃机,因此要么是燃料丰富的燃料太多,要么是氧化剂或氧气含量过高。运行富含RP-1发动机燃料意味着你将看到一些未燃烧的燃料以烟尘云的形式出现。高压未燃烧的碳分子结合并形成聚合物,这是一个被称为焦化的过程。这种烟灰开始粘住它接触到的一切,可能会阻挡注射器,甚至损坏涡轮机本身!

那么,如果你不想浪费这种高压推进剂呢……我的意思是,毕竟,既然它通过富含燃料而运行得更低温,这难道不意味着有一堆未燃烧的燃料被浪费吗?如果你能用管道输送热废气并将其放入燃烧室呢?这样就引入了封闭循环!

封闭循环或分阶段燃烧循环通过使用通常丢失的废气,并将其连接到燃烧室,帮助增加压力,来提高发动机效率。

让我们使用Merlin引擎,尝试封闭循环,把排气管装入燃烧室。但这样的话我们相当于用一堆烟灰堵住了所有的喷射器,那还怎么去太空呢!?

这个问题有几个解决方案,所以让我们看看苏联人是如何解决这个问题的。他们制造的第一个运行中的封闭循环发动机是为他们的N-1月球火箭设计的NK-15,他们后来将其升级为NK-33,然后从那里产生了许多版本,包括今天Atlas V上使用的RD-180。

由于NK-15和NK-33像Merlin一样在RP-1上运行,因为焦化问题,你无法充分使用预燃机燃料……因此,如果你想使用RP-1创建一个封闭循环发动机,答案是运行预燃机富含氧气。就这样简单吗?但是,现在你正在用超级热的高加压气态氧气摧残精密加工的高公差涡轮叶片爆破,这将把所有东西熔化。

实际上,美国认为这样做是不可能的,所以他们基本上放弃了尝试。他们认为金属合金的存在无法承受这些疯狂的疯狂条件,直到苏联解体后,他们才相信苏联制造了如此高效和强大的RP-1驱动发动机,美国工程师才看到它们并进行了第一手测试!但苏联人确实拼命工作,制造了一种特殊的合金,这种合金可以神奇地抵御富氧预燃机的疯狂条件。

使用封闭式循环发动机,不仅会需要一些燃料和氧化剂,并在预燃烧器中燃烧来旋转涡轮机,还会通过涡轮机喷射所有丰富的推进剂。因此,通过富氧循环,所有氧气实际上都通过预燃烧器,适量的燃料进入预燃烧器。你只需要给涡轮机足够的能量,就能足够快地旋转泵,为预燃机和燃烧室获得正确的压力,从而产生正确的动力将物体射入太空AH

回到这个富含氧气的预燃烧器,现在热气氧气被迫进入燃烧室,在那里它与液体燃料相遇。然后他们互相作用,发生轰鸣,我们得到了干净高效的燃烧,而不会真正浪费任何推进剂。

但像所有发动机一样,腔室压力不能高于泵压力,所以泵实际上占据了很多重量。

现在,如果想知道美国是否只是躺平了,让苏联人摘得封闭循环的桂冠,那你就错了。美国花了更长的时间,但他们最终找到了一个封闭式循环发动机,但它与富氧气循环非常不同……美国追求封闭循环,但他们选择了富含燃料的预燃烧器。但等等……我们刚刚了解到,富含燃料的预燃机的废气太焦了,几乎会毁掉任何东西……对吗?

当然,如果你使用的是RP-1或任何其他碳基燃料,那肯定会是这样……所以美国选择了另一种燃料,氢气!所以现在我们避免了一个向所有贵重的设备喷射疯狂的热高压氧气的问题,但现在我们遇到了新的麻烦……氢的密度明显低于RP-1或液氧。事实上,它的密度要小得多,需要巨大的涡轮泵才能将适量的氢气流入燃烧室。

由于RP-1和LOX的密度和比率相对相似,它们可以使用单个预燃烧器在单个轴上运行……但对于氢气,你需要每质量氧气运行更多的氢气,因此在密度较低和氢气需要更高的燃料比之间,氢气和LOX之间的泵差异很大。

因此,Rocketdyne的工程师们设计了一种名为RS-25的发动机,该发动机将继续为航天飞机提供动力。他们意识到,由于泵之间的差异很大,他们可能只有两个预燃器,一个用于氢泵,另一个用于氧气泵。他们就是这么做的!

但有两个独立的轴造成了另一个新问题。现在,工程师们正在将高压热气态氢气放在同一个轴上,就在液氧泵的隔壁。如果一些氢气从预燃烧器中泄漏出来,它会在LOX泵中引发火灾,这非常糟糕。氢气也很难控制,因为它太不稠密,喜欢偷偷穿过裂缝,尽可能地出去。因此,工程师们不得不精心制作密封,以防止热氢气偷偷溜走。

这所需的密封称为净化密封,它实际上是用氦加压的,所以它是最高压力点,所以如果密封泄漏,它只会泄漏惰性氦!天才。但看看LOX涡轮泵和氢涡轮增压泵密封件看起来有多大不同。你可以想想做出这些LOX密封需要花费多少工程时间和精力。想到这些东西的人真是疯狂!

好吧,既然我们已经谈论了双燃烧器、富含燃料的RS-25,这里有一个简化的图。我没有费心让燃料泵变大,因为我只想专注于这里的流量,简化这一点。

请注意,RS-25的两种预燃机有丰富的运行燃料,只是为不同的泵供电。RS-25仍然被认为是有史以来最好的发动机,其推力与重量比相当高,效率无与伦比。

因此,封闭循环提高了发动机的整体性能,并且非常有利,那么它怎么能做得更好呢?

我们终于准备好谈论全流阶段燃烧循环了,它基本上只是结合了我们刚刚谈论的两种封闭循环方法。通过全流量分阶段燃烧循环,你可以使用两个预燃烧器,一个运行富燃料的预燃烧器,另一个运行富氧的预燃烧器。富含燃料的预燃机为燃料泵提供动力,富含氧的预燃机为LOX提供动力。这意味着整个循环需要解决氧化剂丰富的问题,这个问题再次通过开发非常强大的金属合金来解决。

因此,SpaceX在内部开发了自己的超级合金,他们将其命名为SX500。根据Elon的说法,它能够产生800多bar富含热氧的气体。这可能是开发猛禽发动机的最大障碍之一。

幸运的是,燃料丰富的一面只输出燃料,所以如果一些高温燃料在轴上泄漏,它只会接触到更多的燃料,没什么大的问题。由于富含燃料的预燃机的焦化问题,全流量可能无法与RP-1配合使用,但其他燃料仍然可以使用此设计,稍后再详细了解……

这个系统的优点是,由于燃料和氧化剂都以高温气体的形式进入燃烧室,因此燃烧更好,温度更高。正如我们之前提到的,对这种疯狂的密封系统的需求也较少,这使得翻新更少。当你计划一遍又一遍地重复使用发动机,在两次飞行之间几乎没有维护时,这是件好事。

最后,由于质量流量固有的增加,所有推进剂射入预燃烧器的速度有多快,涡轮机可以运行得更低温,压力也更低,因为旋转涡轮泵所需的燃料和氧化剂的比例要低得多。这么想想,在一个开放的循环中,你只想在预燃机中使用尽可能少的燃料和氧化剂,因为它都是浪费,你会希望它尽可能热,以提高效率。

但是,由于所有燃料和所有氧化剂都通过预燃烧器,因此有了完整的循环,你可以燃烧必要的推进剂来为涡轮泵提供动力……但是,你的燃料与氧化剂的比例将非常富含燃料和氧气,以至于涡轮机的温度将低得多,这意味着涡轮泵组件的寿命更长。这也意味着燃烧室燃烧更多,预燃烧器燃烧更少。

现在这是疯狂的部分。史上只有三台发动机拥有全流级燃烧循环……

在60年代,苏联开发了一种名为RD-270的发动机,该发动机从未飞行过,在21世纪初,Aerojet和Rocketdyne开发了一个集成动力头演示器,称为“等待”的集成动力头演示器,该演示器再次从未通过测试台。

开发全流级燃烧循环发动机的第三次尝试是SpaceX的猛禽发动机!我们做到了!

没错,猛禽发动机只是制造这种疯狂发动机的第三次尝试。这是第一个做任何工作并离开测试台的人!它也将是第一个进入轨道的全流级燃烧循环发动机。好吧,实际上,这个引擎所做的几乎一切都将是第一次。

但所有这些意味着SpaceX必须解决许多非常困难的问题。他们不仅需要用富氧循环来解决同样的问题,还必须精确控制燃料,以创造有史以来最高的火箭发动机室压,达到270 bar,最终打破了RD-180约265 bar的记录。而且他们还没有完成,他们的目标是300bar,这真的很疯狂!

由于猛禽不能使用RP-1运行富含燃料的预燃机,你会认为下一个最合乎逻辑的选择是氢……好吧,SpaceX没有选择RP-1或氢,他们选择了液态甲烷!所以现在我们终于有了另一个话题要谈……为什么SpaceX为猛禽发动机选择了液态甲烷?哪些性质使其比氢或RP-1更有利?

到目前为止,还没有液态甲烷或甲氧基发动机进入轨道,那么它有什么特性使其成为理想的?让我们看看甲氧基与角石和羟基相比……让我们将甲烷介于RP-1和氢之间……你会很快看到为什么……

因此,在设计第一阶段时,让我们从也许最关键的因素开始——推进剂的密度。燃料密度更高意味着在给定燃料质量下,油箱更小、更轻。较小的油箱=较轻的火箭。

这是这三种燃料的密度,以每升克为单位,换句话说,这种物质的重量是多少,或者它到底有多大?

RP-1开始,一升约为813克,RP-1的密度是氢的11倍,氢只有每升70克,Methalox正好处于中间,每升422克?

记住飞艇或齐柏林飞艇过去是如何充满氢气的,使它们“比空气轻”……这是因为氢的密度比我们的大气低得多,它为气球制造了一种极好的气体,尽管是易燃的气体。我的意思是,我们都记得兴登堡……对吗?

还应注意的是,每升813克是RP-1的平均值,但SpaceX在猎鹰9和猎鹰重型中冷却了RP-1,密度增加了约2%-4%。但从历史上看,RP-1的密度正好在每升813克左右。

因此,就密度而言,甲烷就在其他介质中。但不仅仅是密度,我们还需要考虑燃烧的燃料与燃烧的氧化剂的比率。这是氧化剂与燃料的比率。

这也是事情变得更有趣,局面变得更糟的地方。火箭工程师必须考虑燃料的质量和油箱的相应重量,这样他们实际上就不会以完美的化学计量燃烧比燃烧推进剂,他们找到了完美地平衡油箱尺寸与推力输出和特定脉冲的介质。

让我们看看工程师们想出的燃料和氧化剂的质量比……因此,对于这些数字,RP-1燃烧在2.7克氧气到1克RP-1时燃烧,氢燃烧在6克氧气到1克氢气时燃烧,甲烷燃烧在3.7克氧气到1克甲烷时燃烧。这些数字现在可以帮助抵消密度的巨大差异。

让我们想象一下这一点,以帮助理解。液氧为每升1141克,比RP-1密度略高一点。因此,以2.7比1的比例燃烧LOX和RP-1,每升LOX,你需要略高于半升的RP-1。接下来我们计算氢气吧。现在,氢的密度比RP-1低11倍,你会认为它需要一个大11倍的罐子……但幸运的是,工程师们发现,以6:1的比例燃烧LOX和氢气是值得的,这是一个很好的妥协。

这意味着每升LOX,你需要2.7升氢气!因此,与RP-1相比,你的油箱需要大约5倍……

这就是为什么当我们查看氢动力的Delta IV和RP-1驱动的猎鹰9时,你可以看到燃料箱比猎鹰9上的LOX油箱小得多,但Delta IV正好相反!LOX油箱比油箱小得多。

所以现在让我们看看甲烷,这很有趣。LOX的密度是液态甲烷的2.7倍,但燃烧率是3.7克氧气对1克甲烷。因此,每升LOX都需要0.73升甲烷。换句话说,Methalox(SpaceX使用的燃料,甲烷和氧气的混合物)的油箱需要比RP-1大约40%,尽管RP-1的密度实际上几乎是RP的两倍!与氢气相比,它的油箱将小3.7倍。

因此,燃料与氧化剂的比例有助于使Methalox的燃料箱比Hydrolox更接近RP-1。

任何火箭发动机的另一个巨大变量是它的效率。这是用特定的脉冲或ISP来衡量的,但你可以想象这就像汽油动力汽车的燃油经济性。因此,高比脉冲类似于高mpg或kmpl。思考特定脉冲的最佳方法是:想象你有一公斤推进剂,发动机能用9.81牛顿的力推动多少秒钟?它在仍然用力推力的同时,吸取燃料的时间越长,比冲就越高,因此它用相同数量的燃料可以做的工作就越多,这在燃油方面非常经济。

因此,比冲越高,完成相同数量的工作所需的燃料就越少,这是一件好事。节能发动机极其重要!现在,由于每种燃料的分子量及其燃烧时释放的能量,废气排出喷嘴的速度存在不同的潜力。这意味着每种燃料都有不同的理论特定脉冲。

在一个理想而完美的世界中,RP-1驱动的发动机可以达到大约370秒,理想的氢动力发动机可以达到532秒,猜猜怎么着,甲烷驱动的发动机正好在中间,459秒。然而,现实世界中的例子要低得多,RP-1发动机大约350秒(Merlin 1D真空),甲烷发动机(猛禽真空)大约380秒,氢气发动机(RL-10B-2)大约465秒

接下来,让我们谈谈每种燃料燃烧有多高温。燃烧冷却器的燃料在发动机上更容易,并可能延长寿命。RP1可以燃烧高达3670开尔文,氢3070开尔文,如果你现在还没有猜到,甲烷又在3550开尔文,处于两者之间。

说到对高温的考虑,让我们看看这些燃料的沸点,或者液体燃料在什么时候沸腾并变成气体?由于所有这些燃料都需要保持液态才能保持稠密,温度越高,储存燃料就越容易。较高的沸点还意味着防止推进剂沸腾的罐体的绝缘材料更少,甚至没有。当然,绝缘性越低意味着罐子越轻。

RP-1的沸点非常高,甚至高于490开尔文的水。另一方面,在疯狂的低温,20开尔时,氢气接近绝对零度!那太冷了,要认真考虑把任何东西保持在那个温度下……甲烷介于111开尔文时,尽管这仍然很冷,需要热考虑,但它至少在类似于LOX的温度下沸腾,所以就是这样!

由于油箱离LOX的温度很近,它可以放在一起让重量更轻。LOX和氢的温度变化很大,以至于LOX会沸腾氢气,氢会冻结LOX固体!

在排气时,这些发动机的燃烧副产品是什么?RP-1确实是这三个中唯一一个真正污染了与水蒸气一起留在大气中的任何未燃烧的碳,但氢只产生水蒸气,甲烷会产生一些二氧化碳和水蒸气。但有趣的是,信不信由你,就温室气体而言,高层大气中的水可能相当糟糕……但是,我以后会写一篇关于火箭污染程度的文章,既要考虑空气污染,还要考虑海洋污染,甚至空间碎片。

我们接下来讨论的一个指标是通常只与每种燃料相关的成本。不同燃料间往往差异很大,实际上很难可靠地确定确切的价格。但出于考虑,RP-1基本上是一种高度精炼的喷气燃料,而喷气燃料是一种高度精炼的煤油,而煤油是一种高度精炼的柴油。因此,可以安全地假设它会比柴油更贵。

尽管氢气丰富,但相对昂贵,精炼、储存和运输可能很昂贵。另一方面,甲烷基本上与天然气相同,而且可能相对便宜。燃料成本可能会很快累积,所以尽管燃料成本不应该考虑太多,但当然应该被纳入考虑。但如果没有关于这个的确切数据,我甚至不想把它放在我们的图表上,所以,相反……让我们谈谈燃料更重要的方面——制造燃料。

以下是我们具体探讨为什么SpaceX将甲烷视为公司未来的重要组成部分,甚至是必要的部分。

SpaceX的最终目标是开发一个能够将人类一次又一次带入火星的系统。火星大气中富含二氧化碳,通过电解和沙巴捷工艺从火星地表和地下水域开采水相结合,火星大气可以制成甲烷燃料!所以你不必带上回家所需的所有燃料。你可以利用火星的资源就在那里。

这被称为现场资源利用或ISRU。现在你可能在想,如果有水,你不就能在火星表面制造氢气作为燃料吗?嗯,是的,但氢和长期任务的最大问题之一是氢的沸点。将氢气保持在作为有用燃料所必需的液态时,需要认真考虑。

因此,对于SpaceX来说,甲烷是个明智的选择!它适当的密度意味着可以让火箭的尺寸保持合理,高效且燃烧干净,是高度可重复使用的发动机,燃烧温度较低,有助于延长发动机的寿命,这同样有利于可重复使用,价格便宜,易于生产,可以在火星表面轻松生产!

现在我们已经了解了不同发动机的运行方式和它们可能使用的燃料,我们终于可以把它们的各个指标合并比较,以帮助了解每个发动机的位置。

因此,让我们比较SpaceX为猎鹰9号和猎鹰重型火箭提供动力的开放循环Merlin发动机,NPO Energomesh的富氧封闭循环RD-180为Atlas V火箭提供动力,以及Rocketdyne的开放循环F-1发动机为在RP-1上运行的土星V提供动力。SpaceX的全流级燃烧循环猛禽发动机将为他们的星际飞船和超级重型助推器提供动力,Blue Origin的闭环富氧甲烷驱动的BE-4发动机将为他们的新格伦火箭和ULA即将到来的火神火箭提供动力,以及Aerojet Rocketdyne的闭环燃料丰富的RS-25发动机将为航天飞机提供动力,并将为即将使用氢气运行的SLS火箭提供动力。

这里有一些简短的说明。截至本文撰写时,猛禽和BE-4仍在开发中,因此我们的数字要么像猛禽一样处于当前进步状态,后者正在不断改进,就BE-4而言,这些是Blue Origin尚未达到的目标。因此,请记住这些数字可能会发生变化。

另一个有趣的说明,看看RD-180。不要混淆了,这是一个单一的发动机,它只有两个燃烧室!只有一台涡轮增压泵将其功率分为两个燃烧室。苏联能够解决可怕的热氧富封闭循环问题,但他们无法解决大型发动机的燃烧不稳定性,所以他们没有一个大型燃烧室,而是制造了多个小型燃烧室!

因此,首先,让我们看看它们在海平面的总推力输出,因为所有这些发动机都在海平面运行,这是一个公平的比较。让我们从最小的推力到最多,Merlin产生0.84 MN的推力,RS-25产生1.86 MN,猛禽目前为2 MN,BE-4希望达到2.4 MN,RD-180 为3.83 MNs,F-1仍然是6.77 MNs的王。

RD-170实际上比F-1产生的推力更大,但由于它几乎从未飞行过,我认为它在这个阵容中没有那么相关,因为我们最好考虑实际使用过的发动机。

推力很重要,但在设计火箭时,可能同样重要的是推力与重量比……或者发动机与它产生的推力相比有多重。发动机的推力越高,最终意味着火箭需要拖来拖去的载重量就越小。

让我们按照推力与重量比从最低到最高排序。最低的是73:1的航天飞机RS-25,然后是78:1的RD-180,然后我们在80:1左右有BE-4,但请记住,我们在这方面没有非常出色,所以有很大的进步空间,然后F-1是94:1,然后我们有107:1(目前)的猛禽,最后,Merlin实际上是这里的王者,推力与重量之比惊人地达到198:1,像个发电厂一样……

这都很棒,但如果发动机效率极低,谁在乎它有多强大呢?因此,接下来让我们看看具体数值,以秒为单位。为此,我们将在真空中显示海平面特定脉冲和特定脉冲。因此,从效率最低的发动机开始,即263到304秒的F-1发动机,然后是282到311秒的Merlin发动机,然后我们以311到338秒的速度获得RD-180,在同一水平的是BE-4,大约310到340秒,接下来是Raptor发动机,即330到350秒左右,最后,到目前为止,这里的赢家是RS-25,即366到452秒!wow!

影响推力和比脉冲的因素之一是腔压。一般来说,机房压力越高,发动机的推力就越大,效率也可能越高。更高的腔室压力使发动机在给定的推力水平下变小,这也提高了发动机的推力与重量比。这里最差的实际上是F-1,其腔压只有70 bar。现在我确实需要停下来提醒你,70 bar是大气压力的70倍……或者你在水下700米时会经历的压力……所以即使是最低的腔压也仍然令人难以置信。

因此,接下来是97 bar的Merlin发动机,然后BE-4大约135 bar左右,然后是206 bar的RS-25,然后是RD-180,它被认为是257 bar的操作引擎之王,直到猛禽现在上线,这是目前高达270 bar的压力的新王,他们希望它高达300 bar!!!300 bar就相当于在海洋深处 3 公里,我甚至无法理解。

好吧,这些引擎的规格已经够了,现在让我们看看它们的操作考虑。从他们的大致成本开始。现在,再说一遍,这有点难以确定,所以这些是我能得出的最佳估计。这些数字确实考虑到了通货膨胀,都以今天的美元计算。

让我们从最贵的看到最便宜的。这个阵容中最昂贵的发动机是RS-25,每台发动机的标价超过5000万美元。然后我们有F-1发动机,每个发动机3000万美元,然后是RD-180,每个发动机2500万美元,然后是BE-4,每个发动机大约800万美元,然后我们有不到100万美元的Merlin发动机,对于猛禽,Elon提到,他认为如果他们能消除当前版本的很多复杂性,他们可以比Merlin发动机便宜或更接近Merlin发动机的价格生产猛禽……所以就目前来说,我们认为大约需要200万美元,这非常不错。

嗯,成本是一回事,但发动机成本的另一个强烈考虑因素是它是否可以重复使用。在这里,只有RD-180和F-1不可重复使用,或者至少从未重复使用……这与所有其他发动机不同,因为它们都可被多次重复使用。

RS-25被反复重复使用,创纪录的是单台发动机起飞了19次飞行,经过几个月的翻新……Merlin希望看到多达10次飞行没有重大翻新。我们知道BE-4的设计目标是最多重复使用25次,我认为猛禽号希望看到多达50次飞行,但同样,愿望是一回事,我们将看看历史如何处理这些说法。

关于价格的话题,当我们开始查看这些数字时,实际上有些非常有趣的事情。第一个是Elon在2019年2月的推文中提到了一个有趣的指标,他说他们希望让猛禽队在推力/美元比率方面变得更好。

现在你再想想,这是一个非常有趣的概念。如果相同的推力下一个大发动机比两个小发动机便宜,那么谁在乎一个发动机的成本是多少。因此,让我们真正看看这些发动机的$-kN比率。从最昂贵的$到kN发动机开始,RS-25的推力为26,881美元:kN,然后RD-180的推力为6,527美元:1kN,然后是F-1,价格为4,431美元:1kN,然后我们到达BE-4,价格为3,333:1kN,然后是Merlin,价格约为1,000美元:kN。

但现在我们可以再进一步,因为我们知道它们的$/kN比率,但我们也知道它们的可重复使用潜力……现在我们可以预测它们每架航班的潜在成本,这取决于发动机的可重复使用性。

因此,首先,由于RD-180和F-1不可重复使用,它们的价格保持不变,但对于其他发动机来说,如果我们考虑到他们拥有/将拥有多少次飞行,现在我们开始看到RS-25的可重复使用性得到了回报并缩小了差距,使其潜在成本降至仅14美元:kN,但事情变得疯狂了。Blue Origin的BE-4有可能真正改变游戏规则,约为133美元:超过25个航班的kN,这可能使运营成本与Merlin一样便宜,每次飞行每kN要117美元。但如果猛禽发动机真的不辜负它的炒作,它可以将这一数字完全降低到每次飞行每千牛顿20美元。现在这绝对改变了游戏规则。

当然,金钱和可重复使用性是21世纪太空飞行的焦点,但在过去发生了什么?为此,让我们先看看每个引擎有多少次运行飞行。在撰写本文时,猛禽号和BE-4号没有看到任何飞行记录,尽管猛禽开始离开测试台,用于StarHopper等测试车辆。但目前两台发动机都没有真正的飞行记录。然后我们有用于17次飞行的F-1发动机,其次是71次飞行的Merlin发动机,快速赶上了79次飞行的RD-180,但这些发动机中之王是RS-25,它有135次飞行。

那么,它们的服务的可靠性怎么样呢?在航班数量和这个数字之间,我们可以很好地了解发动机的真正可靠性。这个数字真的很难确定,因为一些发动机可能已经提前关闭了,但任务在其中一些例子中仍然成功……所以我们不可全然相信。同样,BE-4和猛禽还没有飞行,所以这些数字不可用,然后我们有超过99.5%的航天飞机主发动机,但当发动机没有完全关闭时,因此这很难定义……

然后我们有99.9%的可靠性的Merlin……当车辆每次飞行有10台发动机时,它很有帮助,而且在职业生涯的早期,只有一台发动机在飞行中失败,尽管如此,任务仍然很成功……所以它是一个非常可靠的发动机!但是,从技术上讲,RD-180和F-1是100%可靠的,但由于F-1在飞行中从未停机,它在这里更胜一筹……根据我们对成功和可靠性的定义,严格地说,RD-180只是100%可靠,因为它真的幸运了一次——

有一次,由于阀门故障,它在2016年的Atlas V任务中提前关闭了6秒,但由于当时火箭上台有足够的备用Delta V来执行任务,任务仍然取得了成功!如果那个阀门早一秒钟就坏了,任务定将失败。

伙计……看到所有这些数字和考虑因素,你就会意识到设计火箭到底有多少变量。想想如果你调整一个小变量,会影响多少事情,真是太疯狂了。改变任何一件事,它都会对整个设计和实施产生巨大的涟漪效应。

因此,既然我们知道SpaceX的循环、燃料和愿望,让我们回顾全文,看看我们能否弄清楚猛禽发动机存在的原因,并弄清楚它是否值得付出所有的努力。

让我们看看SpaceX的最终计划。制造一个快速且完全可重复使用的飞行器,能够尽可能便宜和定期地将人类送往月球和火星,这不同寻常。为了快速和完全可重复使用,发动机需要运行干净,需要低维护,具有简单的涡轮泵密封和低预燃器温度。甲烷燃料的全流量级燃烧循环发动机听起来很合适……

考虑到可靠性、冗余性和制造规模,使用大量发动机是有道理的。为了缩小发动机的规模,但保持高输出,腔室压力需要很高。听起来像一个甲烷燃料的全流量分级燃烧循环发动机,很合适……

对于行星际旅行来说,甲烷是最棒的,因为它的沸点使它可用于长途旅行来说合理,并且在火星上可以产生甲烷……所以对于行星际旅行来说,一个由甲烷驱动的全流量级燃烧循环发动机听起来也很合适……

甲烷密度合理,这意味着罐体尺寸仍然合理。这同样适用于行星际旅行,不需要拖着负重物……让甲烷燃料的全流量分级燃烧循环发动机听起来很合适……

所以,言归正传,猛禽发动机真的是火箭发动机之王吗?火箭科学和所有事情一样,是一系列复杂的妥协。这是最有效的发动机吗?不。这是最强大的引擎吗,不。可能是最便宜的发动机吗。也许它是最可重复使用的发动机吗?但它能很好地完成所有事情吗?是的。它确实是一个出色的发动机,完成它需要做的一切,做得非常好。对于星际旅行的宇宙飞船来说,它是非常适合的。

尽管工程的复杂度非常高,但SpaceX正在快速开发这个引擎。考虑SpaceX在十年来对他们的Merlin引擎做了多少调整,我们可以推测我们才刚刚进入猛禽引擎的初期。从现在开始,它只会变得越来越好,这太疯狂了!

因此,总而言之,猛禽发动机是这个领域的王者。这是一个满足SpaceX星际飞船目标的绝佳引擎。它会是其他领域的王吗?也许,也许不是,我会把这个决定留给火箭科学家和工程师,他们可以做出所有这些疯狂的尝试!


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