利維坦按：SpaceX公司是美國(guó)一家私人太空運(yùn)輸公司，以成本控制聞名。公司首席執(zhí)行官埃龍·穆斯克（ElonMusk）曾在公司網(wǎng)站發(fā)表過(guò)一封信件，題為“為什么美國(guó)可以擊敗中國(guó)：SpaceX公司費(fèi)用的事實(shí)”。他十分自豪的提到了在《航空周刊》報(bào)道中，中國(guó)長(zhǎng)城公司承認(rèn)他們無(wú)法與SpaceX公司在價(jià)格上競(jìng)爭(zhēng)，并認(rèn)為這是美國(guó)創(chuàng)新戰(zhàn)勝了更廉價(jià)的海外勞工的典型事例。

他們的終極目標(biāo)是開(kāi)展火星殖民，并采用靈活的研發(fā)機(jī)制和推動(dòng)火箭復(fù)用技術(shù)的各項(xiàng)研究。

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文/聯(lián)合帝國(guó)

SpaceX公司負(fù)責(zé)推進(jìn)系統(tǒng)的副總裁和創(chuàng)始人之一的湯姆·穆勒（TomMueller）已經(jīng)透露該公司正深入開(kāi)發(fā)第一種全流量甲烷液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)綽號(hào)猛禽，9臺(tái)這種極為強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)裝在一個(gè)或者三個(gè)芯級(jí)上將用于SpaceX公司超重型運(yùn)載火箭（SHLV）未來(lái)前往火星的任務(wù)。

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史

SpaceX公司已經(jīng)證明他們生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)極具創(chuàng)意，尤其在開(kāi)發(fā)和制造成本上更是咄咄逼人，同時(shí)，盡管他們的技術(shù)很新穎，但是多少都有一定的驗(yàn)證基礎(chǔ)。

裝有默林（灰背隼）1C發(fā)動(dòng)機(jī)的獵鷹9 v1.0（版本1.0）型運(yùn)載火箭

測(cè)試中的默林（灰背隼）1D發(fā)動(dòng)機(jī)

比如，先進(jìn)的默林（灰背隼）1D發(fā)動(dòng)機(jī)有著商用領(lǐng)域最高的推重比，有著美國(guó)有史以來(lái)最高效的 RP-1燃?xì)獍l(fā)生器，還可能有著世界上最好的推力/成本關(guān)系，但這個(gè)燃?xì)獍l(fā)生器是基于最基本的渦輪泵輸送系統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工作。事實(shí)上，該公司一直在為其火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及推進(jìn)器發(fā)展最簡(jiǎn)單的循環(huán)方式和推進(jìn)劑?？墒?，對(duì)于更高要求的任務(wù)，很可能需要更高技術(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，特別是對(duì)于火星殖民體系而言，需要一種可完全重復(fù)使用的火箭技術(shù)。

2010年7月30日，在美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）聯(lián)合推進(jìn)會(huì)議上，SpaceX公司的麥格雷戈火箭開(kāi)發(fā)設(shè)施主管湯姆·馬庫(kù)斯克（Tom Markusic）提供了兩個(gè)系列的兩級(jí)探索型發(fā)射器和為它們量身訂造的兩種新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在計(jì)劃初始階段的信息。

SpaceX公司的獵鷹運(yùn)載火箭家族

默林（灰背隼）2發(fā)動(dòng)機(jī)方案

這兩型火箭分別是直徑6米的獵鷹X和直徑10米的獵鷹XX，其中第一種發(fā)動(dòng)機(jī)是一種帶燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的煤油/液氧動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，它可能甚至比土星V號(hào)火箭（用于阿波羅登月）上的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)更為強(qiáng)大，這種發(fā)動(dòng)機(jī)將用于獵鷹X和獵鷹XX的第一級(jí)，被稱為默林（灰背隼）2的這種發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)計(jì)海平面推力將有170萬(wàn)磅，真空推力可達(dá)192萬(wàn)磅，作為此種發(fā)動(dòng)機(jī)中最高效的一型，它的比沖（衡量推進(jìn)劑使用效率的標(biāo)準(zhǔn)）甚至好過(guò)目前的默林（灰背隼）1D發(fā)動(dòng)機(jī)。

可是最有趣的莫過(guò)于猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，它打破了SpaceX公司的傳統(tǒng)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)引入了一種新的推進(jìn)劑和一種新的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)模式。

測(cè)試中的美國(guó)航天飛機(jī)RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)

生產(chǎn)的RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始被設(shè)計(jì)為一種分級(jí)燃燒的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，真空推力15萬(wàn)磅，比沖470秒，以作為超重型火箭的上面級(jí)。經(jīng)過(guò)真空優(yōu)化，類似于強(qiáng)大航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25的迷你版，無(wú)論在效率（470秒Vs465秒）還是推力（15萬(wàn)磅Vs2.5萬(wàn)磅）上，猛禽都能夠擊敗當(dāng)前最高效的發(fā)動(dòng)機(jī)——噴氣飛機(jī)洛克達(dá)因公司的RL10-B2。

對(duì)于一家專注于低成本的公司來(lái)說(shuō)，這條發(fā)展軌跡令人意外，因?yàn)檫@需要處理低溫液氫（華氏零下423.17度/-423.17°F/20.28開(kāi)爾文）的專業(yè)知識(shí)，這遠(yuǎn)冷過(guò)液氮（華氏零下321度/-321°F/77開(kāi)爾文）、液氧（華氏零下297.33度/-297.33°F/90.19開(kāi)爾文）或者液態(tài)甲烷（華氏零下258.68度/-258.68°F/111.66開(kāi)爾文）。

氫也有一種脆化金屬的作用，作為推進(jìn)劑，它需要該公司當(dāng)前使用的RP-1/液氧（RP-1/LOX）燃料箱（SpaceX公司從他們獵鷹1時(shí)代起就開(kāi)始使用）的三倍量。而且還要考慮到在發(fā)射臺(tái)必須實(shí)現(xiàn)一套雙燃料地面供給與支持設(shè)備，這將顯著增加運(yùn)營(yíng)成本和開(kāi)支，而這正是該公司創(chuàng)始人埃龍·穆斯克（Elon Musk）一直以來(lái)力求避免的。

可是，在當(dāng)年晚些時(shí)候，埃龍·穆斯克公開(kāi)表示，那些介紹是基于“靈光一閃”和“各種設(shè)想的探討”，馬庫(kù)斯克不久后離開(kāi)了公司，這引起了大家對(duì)他公開(kāi)資料行為的更多猜測(cè)。

SpaceX公司正認(rèn)真考慮使用分級(jí)燃燒甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的第一個(gè)線索來(lái)自2011年5月，當(dāng)時(shí)該公司在回復(fù)美國(guó)空軍可重復(fù)使用助推器系統(tǒng)高推力主發(fā)動(dòng)機(jī)的信息需求時(shí)首次提及這一方案。美國(guó)空軍的需求指定了一組性能要求，這只能由極高性能的分級(jí)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)所提供，比如俄羅斯的AJ-26-500或者RD-191，在需求中指定采用煤油和液氧作為推進(jìn)劑。

SpaceX公司問(wèn)及計(jì)劃主管是否對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)和計(jì)劃向其它客戶提供的發(fā)動(dòng)機(jī)有興趣，以及是否使用RP和甲烷推進(jìn)劑（可能連同飛行測(cè)試）是一個(gè)可以接受的回應(yīng)。

由于該計(jì)劃指定的推力范圍是30萬(wàn)磅到50萬(wàn)磅，海平面最小比沖300秒，這就意味著SpaceX公司必須提供一種與默林（灰背隼）系列完全不同的發(fā)動(dòng)機(jī)。

在后來(lái)的會(huì)議中，特別是2012年和2013年，埃龍·穆斯克指出未來(lái)火星殖民計(jì)劃采用的推進(jìn)劑將是液態(tài)甲烷與液氧，相關(guān)的事實(shí)是希望它可以從火星獲得，這相比于液氫也更容易存貯和處理，比RP-1/LOX組合的體積只增加27%，燃料罐和推重比可以保持在一個(gè)最佳尺度上，他也提到將采用分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

此外，埃龍·穆斯克還介紹了神秘的MCT項(xiàng)目，后來(lái)發(fā)現(xiàn)這是火星殖民運(yùn)輸艦的縮寫(xiě)（Mars Colonial Transport），這個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)備每次運(yùn)輸100名殖民者，可以完全重復(fù)使用。

而到了2013年第二季度，一些消息表明猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)已突變?yōu)橐环N65萬(wàn)磅推力的分級(jí)燃燒甲烷/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。

一些推測(cè)指出，2010年俄羅斯可重復(fù)使用發(fā)射火箭MRKN研究競(jìng)爭(zhēng)（已經(jīng)解決了45萬(wàn)磅推力），兩家主推進(jìn)器公司各自提出了一種煤油和一種甲烷類型的分級(jí)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，即動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體（NPO Energomash）的RD-191發(fā)動(dòng)機(jī)（煤油燃料）和RD-192發(fā)動(dòng)機(jī)（甲烷燃料），以及化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)局（KbKhA）的RD-0162發(fā)動(dòng)機(jī) （甲烷燃料）和RD-0163發(fā)動(dòng)機(jī)（煤油燃料）。評(píng)估的第一個(gè)結(jié)論是甲烷是最好的推進(jìn)劑選擇。

在大多數(shù)行業(yè)中，煤油和甲烷的性能基本相同，盡管煤油有一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，但是甲烷被認(rèn)為更有效。此外甲烷還有更好的重用性，而煤油會(huì)結(jié)焦，所以需要富氧化劑燃燒，這會(huì)對(duì)渦輪泵系統(tǒng)造成相當(dāng)?shù)母g與侵害，對(duì)于煤油在發(fā)動(dòng)機(jī)里燃燒后的殘留物需要昂貴的清洗甚至是重制。甲烷則可以通過(guò)燃料預(yù)燃來(lái)運(yùn)作，基本上已經(jīng)沒(méi)有結(jié)焦問(wèn)題，而且有著更好的冷卻特性，如果從液化天熱氣來(lái)使用，它是最便宜和最豐富的燃料。

根據(jù)評(píng)審的信息，RD-0162實(shí)際運(yùn)行推力可以達(dá)到133%，即提供60萬(wàn)磅的推力，所以無(wú)論是俄羅斯還是SpaceX公司都決定了非常相似的推進(jìn)劑解決方案。

SpaceX公司為猛禽批準(zhǔn)了一個(gè)研發(fā)測(cè)試項(xiàng)目，這將在斯坦尼斯航天中心進(jìn)行，該公司升級(jí)E-2測(cè)試臺(tái)使之具備處理甲烷燃料的能力，他們的工程師們已經(jīng)了解測(cè)試臺(tái)的升級(jí)已接近完成，盡管現(xiàn)在還不清楚猛禽的硬件何時(shí)在此測(cè)試，可是在2月19日，湯姆·穆勒在加利福尼亞州圣巴巴拉主題為“探索新領(lǐng)域：空間商業(yè)化騰飛”的一次企業(yè)論壇上已經(jīng)表示猛禽現(xiàn)在變成了一種100萬(wàn)磅級(jí)的全流量液態(tài)甲烷/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，海平面比沖321秒，真空比沖363秒。

穆勒確認(rèn)每臺(tái)10米直徑的9臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)將用于火星殖民運(yùn)輸艦，他說(shuō)：“我為自己能參與這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目而感到自豪?！敝匾牧x在于，SpaceX公司現(xiàn)在完全踏入了未知的領(lǐng)域。

只有兩種全流量項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試臺(tái)實(shí)驗(yàn)，一種是動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體格魯什科（Valentin Glushko）的RD-270，另一種是洛克達(dá)因/噴氣飛機(jī)公司的集成動(dòng)力驗(yàn)證器。從某種意義上來(lái)說(shuō)，猛禽似乎與那些項(xiàng)目在目標(biāo)上有一些交集。

以前的全流量發(fā)動(dòng)機(jī)：

土星V與N1的對(duì)比圖

在登月競(jìng)賽的年代，N-1與OKB-1（科羅廖夫的第一試驗(yàn)設(shè)計(jì)局/后來(lái)的能源火箭航天公司）首席設(shè)計(jì)師謝爾蓋·科羅廖夫（SergeiKorolev）與OKB-456（現(xiàn)在的動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體）首席設(shè)計(jì)師格魯什科有一個(gè)嚴(yán)重的意見(jiàn)分歧，關(guān)鍵點(diǎn)在于誰(shuí)將為火箭提供第一級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)。

科羅廖夫的副手瓦西里·米申（VasilyMishin）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格提出過(guò)于先進(jìn)的要求有所懷疑，而堅(jiān)持采用煤油或氫與液氧配合作為推進(jìn)劑。格魯什科已經(jīng)提供了一種最先進(jìn)和最強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)，但采用的是劇毒的自燃推進(jìn)劑，他在這上面很有經(jīng)驗(yàn)，特別是在分級(jí)燃燒循環(huán)上，這場(chǎng)爭(zhēng)論后來(lái)發(fā)展到了科羅廖夫與格魯什科關(guān)起門(mén)來(lái)爭(zhēng)吵的地步，從此以后他們兩人之間再也沒(méi)有說(shuō)過(guò)話。

N1火箭

科羅廖夫?qū)⒃O(shè)計(jì)的N－1發(fā)動(dòng)機(jī)交給了生產(chǎn)飛機(jī)渦輪的庫(kù)茲涅佐夫設(shè)計(jì)局（OKB－276），格魯什科則找了科羅廖夫的對(duì)手弗拉基米爾·切洛梅（Vladimir Chelomei）的設(shè)計(jì)局（OKB-52），他們提出了UR－700項(xiàng)目用于登月。

格魯什科UR－700方案

UR－700M是一種1萬(wàn)6千噸的怪物，即便是其它的巨型火箭如土星V在它面前也相形見(jiàn)絀，這種火星將能使蘇聯(lián)征服火星，這也正是SpaceX公司希望猛禽能做到的。

RD－270發(fā)動(dòng)機(jī)

為了驅(qū)動(dòng)如此一個(gè)項(xiàng)目，格魯什科決定采用最先進(jìn)的渦輪泵循環(huán)輸送發(fā)動(dòng)機(jī)（全流量或者全分級(jí)燃燒），使用偏二甲肼與四氧化二氮組成自燃推進(jìn)劑。這種帶一個(gè)噴口的RD-270發(fā)動(dòng)機(jī)，海平面推力140萬(wàn)磅，比沖301秒，真空推力150萬(wàn)磅，比沖322秒。不僅僅是蘇聯(lián)造過(guò)的最強(qiáng)大的單個(gè)噴口，而且它在海平面的推重比達(dá)到驚人的127，主燃燒室壓力更是達(dá)到聞所未聞的26.6兆帕，即便是動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體最新的RD-191也難以企及（RD-191主燃燒室壓力25.7兆帕）。

從1967年10月23日到1969年7月24日，RD-270進(jìn)行了測(cè)試臺(tái)測(cè)試，22臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)總計(jì)進(jìn)行了27次點(diǎn)火，雖然克服了最困難的問(wèn)題，但是不穩(wěn)定的問(wèn)題一直沒(méi)有得到解決，最后與UR-700項(xiàng)目一同被放棄。但是直到今天，相對(duì)于所有的分級(jí)燃燒或全流量分級(jí)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，RD-270依然保持著最大的單個(gè)噴管推力紀(jì)錄。

測(cè)試中的集成動(dòng)力驗(yàn)證器（IPD）

另一個(gè)全流量發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目是集成動(dòng)力驗(yàn)證器（IPD），作為一種25萬(wàn)磅的發(fā)動(dòng)機(jī)，它是美國(guó)國(guó)防部（DOD）/美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）綜合高回報(bào)火箭推進(jìn)技術(shù)（IHPRPT）項(xiàng)目的一部分，這個(gè)計(jì)劃的目的是測(cè)試有高回報(bào)價(jià)值的技術(shù)，這將比航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)有更高的性能，但是使用壽命只有200次。為了兼容美國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)技術(shù)，它使用液氫/液氧作為推進(jìn)劑。

集成動(dòng)力驗(yàn)證器的主承包商是洛克達(dá)因，但是噴氣飛機(jī)公司負(fù)責(zé)關(guān)鍵的富氧預(yù)燃室和噴管通道壁，IPD項(xiàng)目還發(fā)展了靜壓軸承。

當(dāng)前的渦輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子或者滾珠軸承，由于在旋轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生熱量和磨損，進(jìn)而對(duì)接觸的材料造成損害。靜壓軸承使用渦輪泵自身的流體浮動(dòng)來(lái)泵入高壓液體，它的優(yōu)點(diǎn)在于減少了磨損（只在啟動(dòng)時(shí)有磨損），顯著增加了使用壽命，延長(zhǎng)了任務(wù)期，但是，假如你用其它推進(jìn)劑元素（即氧化劑氣體連帶液體燃料或者反之）的熱氣體運(yùn)行渦輪，它會(huì)發(fā)生爆炸。

所以，這種技術(shù)特別適合于氧化劑與燃料完全獨(dú)立的渦輪泵系統(tǒng)，反過(guò)來(lái)由于不要求內(nèi)部密封，還消除了一個(gè)失敗模式。在氣體發(fā)生器和分級(jí)燃燒系統(tǒng)中，必須在燃料和氧化劑間設(shè)置密封，任何密封失敗后果都是災(zāi)難性的，而使用分離的獨(dú)立系統(tǒng)則消除了風(fēng)險(xiǎn)。

突破性的特點(diǎn)是，每個(gè)渦輪由其自身的推進(jìn)劑有效輸入，可以有多得多的渦輪功率，這樣的功率可以用于提升主燃燒室的壓力并提升整體性能，或者用于冷卻氣體，提供分級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的性能，但是材料應(yīng)力少的多，所以可以顯著降低材料疲勞或重量。另一個(gè)好處則在于，較低的壓力通過(guò)泵送系統(tǒng)，不僅增加了壽命，而且減少了風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)難性故障的影響。

由于SpaceX公司癡迷于重復(fù)使用性，所以猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)與IPD可能有著相同的目標(biāo)。

裝有默林（灰背隼）1D發(fā)動(dòng)機(jī)的獵鷹9 v1.1（版本1.1）型運(yùn)載火箭

獵鷹重型運(yùn)載火箭的28臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中的一臺(tái)

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“利維坦”（微信號(hào)liweitan2014），也就是我本人（寫(xiě)詩(shī)的時(shí)候叫“二十月”）的訂閱號(hào)，純粹個(gè)人興趣——神經(jīng)基礎(chǔ)研究、腦科學(xué)、詩(shī)歌、小說(shuō)、哲學(xué)……亂七八糟的什么都有。反清新，反心靈雞湯，反一般二逼文藝，反基礎(chǔ)，反本質(zhì)，不以商業(yè)化為目的，也不追求所謂用戶數(shù)量，喜歡就來(lái)看看，沒(méi)準(zhǔn)兒能給你些啟示，不喜歡就麻煩你手一哆嗦取消對(duì)我的關(guān)注。