四、太空探索技术公司SpaceX SpaceX是美国的一家航天业制造商和太空运输服务公司，总部位于美国加利福尼亚州霍桑。创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)是来自南非和加拿大的移民。他博士学业未完就开始创业，是一个虔诚的环保主义者，卖掉为他赚了3亿多美元的Paypal互联网公司后转身，改行创建了电动汽车特斯拉公司和太空探索技术公司SpaceX。后者在2002年成立，专注于降低发射成本、开发重复使用的“猎鹰”系列火箭,目标是降低太空运输成本，并最终使火星殖民成为可能。SpaceX开发的“猎鹰”系列火箭，单次发射的费用大大低于美国同类的发射公司，甚至低于相对廉价的中国长城火箭“长3乙”。 美国航天局(NASA)于2006年向SpaceX授予了商业轨道运输服务(COTS)合约，要求设计并演示一个可以执行国际空间站补给任务的发射系统。截止2016年7月，SpaceX利用公司研发的猎鹰9运载火箭进行了11次国际空间站ISS补给任务。NASA在2011年又向SpaceX授予了一份合约，商业开发“龙”飞船，用以向国际空间站运送航天员。 2011年，SpaceX开始可重复使用运载系统技术的研发。在2013年10月7日，SpaceX公司研发的“蚱蜢”火箭完成了“第八跳”，在发射测试中成功升空744米，随后准确降落到发射台上。“蚱蜢”火箭使用了全新的垂直起飞垂直动力降落(VTVL)概念，SpaceX公司希望凭借该技术打造出可重复使用的火箭系统，这样运载火箭在发射后就可以自动降落在预定场地上，不需要从海洋中人工打捞火箭助推器或者其他部件。这项技术有助于降低运载火箭的发射成本，甚至使火箭可以完成可重复使用。2015年12月，首次成功实现了猎鹰9运载火箭的第一级垂直动力着陆。2016年4月8日，又成功在海上的无人着陆平台上让猎鹰9火箭第一级垂直动力着落，同时将一艘“龙”飞船送入了低地球轨道后实现了在海上回收。 猎鹰9号运载火箭(Falcon 9) 2013年获得证书的猎鹰9是一款两级的推进剂为液氧煤油(LOX/RP-1)重型运载火箭，以其拥有9个发动机的第一级火箭而得名。这两级都配备了梅林1D火箭发动机：第一级用9个海平面梅林1D，第二级用1个真空梅林1D。以助推发动机的推重比155:1来估计，每个梅林1D能推起的重量相当于40辆小轿车。这样9台发动机组成的第一级可以产生600吨海平面推力，能把680吨重的第一级送出大气层。这9台发动机每秒烧掉540加仑(1640公斤)推进剂，足以在1分钟时间内吸干一个典型的家庭游泳池。 第二级与第一级的最大不同是推力喷管的膨胀面积比，前者是后者的7倍。用9台发动机而不是1台发动机的好处是：即使9台中有2台熄火，第一级仍能工作。每个发动机都使用三乙基铝-三乙基硼烷(TEA-TEB)的发火混合物作为发动机点火器。第一级发动机以SpaceX称为八角对称分布“Octaweb”的结构形式排列，中心发动机推力较小，主要是维持平衡。四个可伸缩的着陆腿附着在Octaweb的周围。为了控制助推级在大气中的平稳下落，精心设计的格栅翅片在分离后会自动展开，随着助推级返回地球，着陆腿会展开轻轻地落在地面上。 猎鹰9的推进剂罐壁和圆顶由铝锂合金制成，使用全摩擦搅拌焊接罐，可提供最高强度和最可靠的焊接技术。第二级的推进剂罐是第一级的缩短版，使用大部分相同的工具、材料和制造技术，从而降低生产成本。一二级的连接是采用碳纤维铝芯复合结构。可重复使用的分离收集器和气动推动器系统分阶段工作。最初设计的分离系统有12个附着点，在V1.1发射器中减少到3个。 猎鹰9在发射期间使用有效载荷整流罩来保护“龙”飞船，该整流罩长13米、直径5.2米，由覆盖在铝蜂窝芯上的碳纤维表层构成。SpaceX公司在位于加利福尼亚州霍桑的总部设计和制造整流罩。整流罩的测试于2013年春天在美国航天局的梅花溪站工厂完成，在一个非常大的真空室中做了全尺寸的试验模拟。其中复现了发射过程中的声振和机械振动加上电磁和静电放电等条件。 SpaceX对Merlin飞行控制计算系统的容错设计采用了双冗余设计。每个处理单元采用3台计算机，每台均会定期检查其它计算机以实现容错设计，每个处理单元都是Merlin发动机的组成部分。猎鹰9号共采用了10台Merlin发动机(一级有9台，二级有1台)。每个Merlin火箭发动机由3台计算机控制，每台计算机有两个物理处理器，不断地互相检查。其中的软件在Linux上运行，并用C ++编写。为了灵活性，使用商用现货部件和全系统耐辐射设计来代替抗辐射部件。除了Merlin特定的发动机控制器之外，每个阶段都有阶段级别的飞行计算机，具有相同的容错三元组设计来处理级间控制功能。猎鹰9拥有的三重冗余的飞行计算机和惯性导航和GPS覆盖功能，提供了更高的入轨精度。 猎鹰9的发射顺序有一个抑制系统，可以在起飞前进行全发动机点火和系统检查。第一级发动机起动后，所有的发动机和飞行系统均需被确认运行正常，否则不能飞行。如果检测到任何异常情况，则会自动安全地关闭发动机并卸载推进剂。在发射日期之前，SpaceX总是要先完成对Falcon 9的测试，最终以第一级的Merlin 1D发动机点火运行持续三秒半来验证系统正常。类似的抑制系统曾用于其他运载火箭，如Saturn V和航天飞机。 目前，猎鹰9号已开发出3个型号：猎鹰9号1.0版(已退役)，猎鹰9号1.1版(已退役)，以及猎鹰9号重型。2015年,SpaceX 对猎鹰9作了改进。这个改进包括将液氧温度降到-206.7°C ，将煤油RP-1温度降到-7 °C，这样可以提升推进剂的密度，因而在给定的体积下可以装载更多的推进剂。改进后的第一级如果不带第二级或卫星可以直接进入地球低轨道。现役的猎鹰9号重型火箭能够在不回收第一级助推器的前提下，向低地球轨道发射重达22.8吨的载荷，向地球同步转移轨道发射8.3吨的载荷。 猎鹰9号运载火箭在人类航天史上创下了多项记录：它是第一枚完全于21世纪开发和设计的火箭、第一枚实现可控陆地和海上垂直着陆回收的火箭、以及第一枚实现第一级重复使用的火箭，此外也是美国首度由私人企业承包国家探索太空的发射工作。截至2017年10月30日，Falcon 9已经完成45个主要任务中的43个，另外两个任务失败了：一个在飞行中被摧毁，一个在发动机试验加油期间爆炸，成功率为95.6%。相比而言，目前的航天发射行业标杆是俄罗斯联盟系列，其发射的成功率为97%。 猎鹰9火箭的生产过程是：首先把发动机的主要部件(包括喷注器、涡轮泵、燃气发生器、推力室、阀和传动装置、涡轮)以及传感器等其他小部件集成一体，分别构成发动机的下组件和上组件(lower and upper assembly)。整体组装完毕后，要依据SpaceX的质量检查规范，做一系列极严格的检查才能进行飞行试验。 猎鹰9已经是当今商业市场上成本最低的火箭。能够以每次发射大约6000万美元的价格，将超过4,850公斤的有效载荷投放到超同步转移轨道上。相比之下，中国的长征三乙(CZ-3B)大约需要7000万美元。这主要得益于运载火箭的可重复使用，重复使用最具挑战性的一个方面就是硬件和推进剂的重量都要增加。对于后者而言，一般要保留30%的第一阶段燃料，以便将助推器返回发射场。仅考虑火箭推进剂，氧气、煤油和其他消耗性液体的成本仅为Falcon 9任务成本的0.3%。因此，回收火箭本体再重复使用，才是降低发射成本的根本。SpaceX的埃隆·马斯克表示，假设发射率高，能够全面和快速地重复使用整个火箭，包括第一和第二级，那么就有可能将成本进一步降低一倍以上。 尽管第二级的回收和重复使用性比较困难，但SpaceX从一开始就打算使猎鹰9的两级都可以收回重用。早期发射的两级都覆盖了一层可烧蚀的软木结构，并用降落伞轻轻地降落在海中，还采用耐盐水腐蚀材料、阳极氧化并注意电化学腐蚀。马斯克说，如果不能重复使用，“我会认为我们失败了”。但是，通过增加轻型热保护系统的能力，并且使用降落伞恢复，早期的努力并不成功，没有经受住空气动力压力和分离后再入大气层加热等问题。这样就启动了新的采取推进式降落方法的设计。2012年2月，SpaceX开始用亚轨道蚱蜢火箭飞行测试第一级。在2012-2013年间，这种低空低速示范试验进行了8次VTVL试飞，其中包括飞行高度为744米、时间为79秒的往返。他们说：“将继续进行这样的测试，直到它们能够返回到发射场和动力着陆为止。” 2017年2月，SpaceX的CRS-10发射是第一次使用Falcon 9全推力运载火箭内置的新型自主飞行安全系统(AFSS)的运行发射。对于SpaceX，2017年3月16日之后的所有发射，自主的AFSS已经取代了“地面任务飞行控制人员和设备，具有机载定位，导航和定时源和决策逻辑”，AFSS的优点包括：增加公共安全，减少依赖范围内的基础设施，降低的航天升级成本，提高的时间表可预测性和可用性，运营灵活性和发射槽灵活性。 猎鹰9不同版本的性能比较表 猎鹰9成功的意义 北京时间2015年12月22日上午9点，美国太空探索公司 SpaceX 成功将其自主研制的 Falcon 9 FT 火箭发射升空，成为首个成功进入太空并回收重复使用运载火箭的民间企业。同时，Space X 采用的是可回收重复使用一级火箭，所以它的成功也带来另一种意义。媒体对此的评价是：“这是民间外太空探索迈出的第一步，也是可回收火箭迈出的第一步。”这是一项里程碑式的成功.也可以说是民间外太空探索企业发展的里程碑。他们打破了被各国航天局垄断的局面，让民企的外太空探索成为可能。SpaceX曾宣称，凭借猎鹰9号一级回收，未来可将航天发射成本降低80%。火箭发射费用的大幅降低，人类前往太空不再昂贵，廉价太空时代即将到来。 梅林发动机Merlin 梅林火箭发动机(Merlin rocket engine) 这是一种由SpaceX研制的火箭发动机，用于猎鹰1号、猎鹰9号火箭。它是美国在21世纪中，除洛克达因的RS-68外，所研发的第二款火箭发动机;其中采用燃气发生器循环，利用高压的液氧和RP-1煤油作为推进剂;在设计上考虑了海上回收和重复使用。它与其他发动机不同之处是：使用了阿波罗登陆舱曾经采用的针栓式喷注器。推进剂通过一个单轴双叶片涡轮泵输出进入燃烧室，涡轮泵也同时提供控制推力向量的高压液体，然后进入燃料的低压入口。这样排除了对独立的液压系统的依赖，不会因液压系统故障而失去对推力方向的控制。涡轮泵另外的用处是提供侧向推力来控制火箭自旋。 现有的燃气发生器循环的问题是：预燃室的剩余燃料都变成废气浪费掉了。但是SpaceX的梅林发动机采用的是富燃的预燃室，排出的废气中含有大量碳颗粒，如果这部分燃料重新引回燃烧室，极易堵塞细密的喷注孔，导致爆炸事故。 猎鹰1号上使用的梅林1A、梅林1C有可以活动的燃气发生器排气管，通过改变废气喷出的方向来控制火箭的自旋。用于猎鹰9号第一级的梅林1C发动机几乎和猎鹰1号上的一样;它们的区别在于：猎鹰9号上的涡轮泵排气装置是固定的。梅林真空版则用于猎鹰9号的第二级。梅林真空与猎鹰9号第一级上使用的发动机的区别在于：前者的喷管面积比更大。 SpaceX梅林1A 发动机的最初版本为梅林1A，使用一种便宜的一次性的烧蚀冷却的碳纤维复合材料喷口，产生340千牛的推力。梅林1A只飞行了两次，第一次在2006年3月24日，发射之后不久因为燃料泄漏而起火，导致发射失败。第二次在2007年3月21日，这次发射非常成功。梅林1A在这两次发射中都被用在猎鹰1号的第一级上。SpaceX全新的涡轮泵是由巴贝尔-尼克尔斯公司设计的。 SpaceX为猎鹰1号开发了梅林1B火箭发动机，它是梅林1A的升级版，能够产生380千牛的推力。梅林1B通过提高涡轮泵的功率(从1490千瓦到1860千瓦)来增加推力。起初，SpaceX打算将梅林1B用于猎鹰9运载火箭，那是一个包含9个发动机的组合，但是由于猎鹰1号的发射失败，SpaceX开始转向采用热交换冷却技术的梅林1C。 梅林1C使用再生冷却系统。2007年11月，它完成了一次170秒的完整点火，在2008年8月猎鹰1号的首次任务中投入使用。2008年9月，装备梅林发动机的猎鹰1号将载荷送到了轨道上。2010年6月，梅林1C帮助猎鹰9号完成了第一次飞行。配置在猎鹰1号上时, 梅林1C的海平面推力为350千牛, 真空推力为400千牛，真空比冲为304秒。在这种配置下，发动机每秒消耗140千克推进剂。对该发动机所做的测试表明，单台发动机能连续工作27分钟，大约是10次飞行任务时间的总和。 梅林真空1C火箭发动机采用针栓式喷油器，它简单、便宜，而且耐受燃烧的不稳定。在2008年3月10日，SpaceX宣布成功地测试了梅林1C真空发动机。作为梅林1C发动机的一个变种，梅林真空采用了更大的排气部分和一个更大的扩张喷管，以此来使真空下发动机推力最大化。燃烧室通过热交换散热，2.7米长的锆铌合金制成的扩张喷口通过辐射散热。梅林1C真空发动机提供411千牛的推力，在真空条件下有342秒的比冲。 2010年1月2日，第一台梅林真空进行了全时间测试。2010年6月4日，它被用于猎鹰9号的第二级火箭发动机，进行猎鹰9号的第一次飞行。在全推力下，梅林真空发动机实现了美国研发、制造的碳氢燃料火箭发动机的最高效率。 一个计划外的梅林真空发动及其改进实验在2010年12月进行。之后，在猎鹰9号第二次飞行之前不久，梅林真空发动机的铌锆合金喷口上发现了两条裂缝。这是在发射之前的两天，工程师的解决方案是：裁掉喷管最下面的1.2米部分。因为即便没有长喷管带来的额外推力，也能完成此次任务。最后，虽然用了比较短的喷管，发动机依然把第二级送上了11000千米高的轨道。 梅林1D发动机是SpaceX最好用的发动机，于2011年至2012年期间研发，2013年首飞。燃烧室压力为9.7 兆帕，节流100%至70%。最低能够以满推力的40%工作。发动机的基本混合比由推进剂供应管道的大小来控制，只有少部分燃料流采用一个由致动器控制的节流阀来调节，以提供混合比的精细控制。发动机重470千克(包括推力致动器)，海平面推力为845千牛，真空推力为914千牛，推重比约为158，升级后推重比将约为180。它的真空比冲为348秒，是燃气发生器循环液氧煤油发动机中最高。而燃烧室压力与第一级相同。最大的区别是喷管，膨胀面积比大了7倍，喷管出口直径为喉道直径2.7倍。真空梅林1D的喷管是无冷却薄壁(底部壁厚1.6mm)。非真空梅林1D喷管的壁厚则大得多，分布有主动冷却通道。梅林1D在三个方面有所改进：(1)提高可靠性。主要是减少部件和组件，提高疲劳寿命，燃烧室和喷管的热余裕;(2)提高性能。主要是增加推力和节流能力;(3)改进可加工性。简化设计更易于制造，以使得部件数更少，工时更短。梅林1D的成功，移除了不断提高可靠性和适应性的障碍，埃隆·马斯克相信，发射每磅负荷到地球低轨道的费用可降低到1000美元以下。 RD-180是一个推力大得多的火箭发动机，它的推力是梅林1D的4.5倍而且运行时间更长，其闭循环分级燃烧效率更高。RD-180由RD-170派生而来，是现有推力最大的液体火箭发动机。然而，推力大是不是就更好?这取决于任务的背景。梅林1D从不单个使用，一串梅林1D可产生非常大的推力，或者说，4.5个梅林1D可以产生和RD-180同样的推力。梅林1D最大的优点是推重比为180:1，换言之，它产生的推力是自身重量的180倍。RD-180非常适合重火箭，梅林1D适合中等火箭。用RD-180将中等负荷送到地球近地轨道相当于用一辆军用吉普将一包杂货从卧室送到厨房。而用梅林1D将很重的负荷送到地球近地轨道相当于背100公斤走10公里。 猛禽火箭发动机(Raptor) 猛禽(Raptor)发动机由SpaceX 于2009年首次提出，原来是设计上面级的液氢液氧(LOX/LH2)发动机，要求真空比冲470秒，推力68吨，节流范围50%-100%。它在真空中运行的性能为最佳，带加长喷管，面积比250:1。与梅林发动机系列不同，猛禽最初的概念是闭循环的低温分级燃烧发动机，大部分的液氢和部分的氧化剂以高压进入预燃室进行燃烧，燃气推动两台涡轮分别带动液氢和液氧的涡轮泵，剩余的富燃气体注入燃烧室与其余的氧化剂燃烧，一部分燃料注入燃烧室前用于发动机冷却(再生冷却)。美国航天飞机主发动机(SSME)也使用分级燃烧过程，俄罗斯的多种火箭发动机(如RD-180)有很高的燃烧室压力(256 公斤/厘米2)，猛禽燃烧室设计的压力为117大气压。2012年，猛禽的研发方向改变，SpaceX的埃隆·马斯克宣布猛禽将成为液氧甲烷发动机，不再专门为上面级设计，猛禽不同的变种将可以用作第一级和上面级。 随着液氢变甲烷的设计，猛禽的推力大为增加。新设计的猛禽保持分级燃烧，但是采用以前没用过的全流量循环(Full-Flow cycle)。全流量循环分级燃烧是上图所示的分级燃烧的变种：燃料首先通过喷管热交换器对喷管冷却，然后进入预燃室通过燃气带动燃料涡轮，氧化剂直接从它的涡轮泵进入预燃室带动液氧透平。要带动这两个涡轮，两个管路间有少量燃料氧化剂交换，然后在两个预燃室燃烧(一个富氧、一个富燃)，于是富氧和富燃的热气会带动各自的涡轮从而驱动各自的涡轮泵。 全流量循环分级燃烧的优点是：预燃室有更多的流量通过，从而让涡轮可以在较低的温度下运行，于是提高了可靠性且延长了发动机的寿命。这对发动机重复使用十分重要。此外，通过设计更高的室压(deliver higher chamber pressures)，发动机的效率能得以改进。甲烷的比冲比多数火箭推进剂高但达不到氢的比冲，然而优点是储存和操作容易也没有氢脆的问题，而且价格便宜。加上甲烷的密度高于液氢，这对于减小燃料罐和飞行器尺寸大为有利。与RP-1煤油相比，甲烷没有煤油需要富氧燃烧抑制积碳等问题，对环境保护有利。涡轮泵输入处的汽蚀风险也能降低。利用火花点火，将消除猎鹰9发动机点火的三乙基铝发火混合物。涡轮泵和喷油器的许多关键部件利用3D打印制造。 2013年10月，猛禽在NASA的斯坦尼空间中心(Stennis Space Center)进行试验。但是，该中心的E-2试验台只有最大500千牛的试验能力，只够开展猛禽的预燃室试验，试验完整的猛禽还需要更大的试验台。经过2014年后精心设计的猛禽要达到：海平面推力380吨;真空推力440吨，真空比冲360秒，超过俄罗斯的甲烷发动机RD-0162。 猛禽与其他发动机设计的比较表 猛禽(Raptor)分析 SpaceX的梅林系列发动机在面对未来的载人火星登陆任务明显力不从心，需要开发一款新的液体火箭发动机来支撑宏伟的火星殖民愿景，同时可以摆脱SpaceX发动机技术水平低下的形象。 猛禽比梅林的推力更大，至少是200吨级别，甚至更高，可以满足规划中的重型火箭BFR(也就是现在的ITS火箭)的要求。由于发动机数量的简单堆砌是有限度的，当面对几千吨(事实是上万吨)起飞推力的需求时，用80吨级别的发动机来凑数简直是无法想象的。 SpaceX正式发布的猛禽发动机参数为海平面推力311吨，真空推力357吨，远超之前预测的230吨的推力水平;采用预先冷却的液氧-甲烷推进剂组合，燃烧室的室压高达300大气压。如果投入使用，将使猛禽成为世界上推力第四大的现役液体火箭发动机，仅次于天顶火箭的RD-171(790吨推力)、宇宙神5火箭的RD-180(383吨推力)、还有德尔塔-4重型火箭的RS-68A(313吨推力)。 各种重型火箭的性能参数比较表 好的重复使用能力是没有积碳，或者是在预定的解体翻修周期内积碳不足以影响发动机性能。这是甲烷燃料的最大优点。而且关键的失效点应当是有明确的翻修周期，而不是每次发射后都需要大卸八块。发动机的故障寿命满足标准的澡盆曲线。 在推进剂组合的优劣对比表中，绿色代表该项特性好，黄色代表尚可，红色代表糟糕，红叉代表没戏，甲烷在可重复使用性(Reusability)上当仁不让的是优秀，而氢氧发动机的可重复使用性已经由航天飞机的主发动机SSME(RS -25)给予充分证明。 根据上表所示，液氧-甲烷这种推进剂组合使猛禽具有了优秀的可重复使用性，这主要是因为其在各种混合比之下，都不会产生令人头疼的积碳。这意味着采用猛禽的火箭可以迅速的重复发射，而无须解体清理和翻修，这对于SpaceX的ITS火星任务架构至关重要。 甲烷的电传热试验结果汇总表 新研制的发动机比冲必需要高于现有的梅林发动机(真空比冲至少在350秒以上)，以此来同时满足深空推进和起飞离地两个阶段的不同要求，为了这个目标可能需要改进循环方式和换用比冲更高的燃料组合。猛禽的实际比冲水平分别为：海平面334秒，真空382秒，这符合之前的预测。为了达到这样的推进效率，除换用了高比冲燃料组合外，最重要的就是告别梅林发动机一直被诟病的“燃气发生器”循环方式，换用了“高大上”的“全流量分级燃烧循环”。 新研制的发动机必须要能够深度节流;必须要能够多次启动;必须要能够进行精确快速的矢量调整。这些要求和现在的梅林系列发动机要求基本一致。结果是完全符合，而且远超预期，尤其是猛禽低至20%的节流能力(最新的梅林1D+最低也只能到40%)，也就是推力能够下降到全推力状态下的20%，这是节流能力最强的起飞级发动机。由于ITS飞船在长达三年的火星任务过程中要数次启动，所以在多次启动性能上要比梅林更进一步，但是甲烷发动机的点火其实一直都是个技术难点。因此猛禽的点火机构经过了全新设计，淘汰了现有的TEA- TEB，这套新的点火系统在理论上将支持无限次点火。由于猛禽既要在地球大气层内工作，又要在深空中工作，还要在火星大气内工作;既要能起飞，而且还要充当着陆发动机，简直是一个“万能发动机”了。 新研制的发动机所采用的燃料组合要廉价，至少不能高于现有的液氧煤油，显然，昂贵的液氢液氧组合不适合。因为未来BFR这种全复用的火箭，燃料成本便成为了关键因素，而甲烷占80%以上的天然气在美国则是“白菜价”。考虑到ITS每次发射有近万吨的推进剂需求量，低价燃料组合所带来的巨大成本优势不可小觑。 此外，SpaceX在3D打印的应用上再创新高，猛禽发动机有40%重量的部件是由3D打印制成的。此外，猛禽将用热交换器加热甲烷和液氧，也就是常说的自生增压，使储罐内燃料在不断消耗后自己加压，淘汰现有的已经导致两次爆炸的氦气增压系统。 为什么一直没有实用化的甲烷发动机投入使用?其实早在齐奥尔科夫斯基时代，液氧-甲烷就已经是液体火箭的备选燃料了，但是自冯·布劳恩博士的V2导弹诞生至今已经有70多年的时间了，甲烷发动机却依然没有作为主要动力来源投入到实际发射中。背后的原因是什么呢?首先简单认识一下甲烷。甲烷是低密度碳氢化合物，具有类似于氢和煤油的优点。1个碳、4个氢，就这么简单的结构。甲烷也是一种优良的冷却剂，具有高热容，能用作膨胀发动机的冷却剂，并满足结构传热和膨胀的要求。密度约为氢的6倍，贮箱的结构质量将远比氢贮箱轻。在所有碳氢化合物中，甲烷的比冲最高。简单来说，与煤油相比，甲烷具有4项优点：比冲高;冷却通道中压降低;冷却能力强;结焦温度高，积碳少。后两条优点对于可复用特别重要。而且甲烷是半低温推进剂，沸点-161.5℃，与液氧沸点(-183℃)相差不到20度，因此在采用共底储箱时可以进一步简化贮箱结构。两种推进剂温度相近，就降低了ITS飞船共底储箱的隔热结构设计难度。在ITS飞船上，储箱必需是万无一失的，所以换用甲烷还有这方面的好处。甲烷发动机一直没有上位的主要原因，有以下几点。 首先是现有的发动机已经足够好了，或者反过来说，甲烷发动机的好处并不那么“明显”。相对常用的煤油发动机，甲烷组合最突出的特色就是比冲更高，但是其优势并没有氢氧发动机那么大。因此伴随着煤油发动机的不断发展，尤其是冷战时期RD-170发动机成功解决了大推力液氧/煤油发动机的燃烧不稳定性、高压推力室冷却和高性能补燃循环等一系列技术挑战后，以及衍生型号RD-180、RD-191的成熟和大规模应用，甲烷发动机便无人问津了。而且，就性能而言，补燃煤油发动机已经追平甚至稍高于发生器循环的液氧/甲烷发动机的水平，这就让全新开发甲烷发动机变得很不划算。ULA的广告“无人能及的超过80次的不间断成功发射”，这里RD-180确实成就了ULA令所有竞争对手都不得不敬畏的超高发射成功率，这样高压补燃煤油风洞机的可靠性和性能都得到了印证。 另一方面原因是自冷战结束后，航天投入骤降，加上通货膨胀等原因，全新研发发动机的费用甚巨，绝大部分企业都对研制新发动机兴趣缺失，更别提研发甲烷发动机了。这样造成的结果就是：美国自1981年航天飞机首次发射之后的30年间，除RS-68外，直到SpaceX的梅林发动机的出现，才有了新的机种。而老牌承包商研发火箭发动机的费用，如NASA为了给SLS(太空发射系统)提供后续起飞级发动机，请洛克达因在现成航天飞机发动机RS-25D的基础上缩水简化出一次性使用的RS-25E和F型，都是相当巨大的。 除此之外，甲烷不受重视还有火箭设计思路上的问题。公认的多级火箭最理想的燃料组合形式是：助推级或一级发动机应为高密度比冲(推进剂密度与其比冲的乘积)燃料组合，当同样使用液氧为氧化剂时，这就需要采用高密度燃料，如液氧/煤油发动机;而上面级尽可能用高比冲燃料组合，比如液氧/液氢发动机。经充分论证和计算，这种组合的火箭是运载能力最大和质量最轻的。典型的火箭就是俄罗斯的“能源”和美国的“土星5号”，都利用了液氧/煤油和液氧/液氢发动机组合，这种组合充分利用了发动机的密度效应。因此，最尴尬的问题就出来了——甲烷的密度低，导致密度比冲不如煤油，做一级发动机没优势;单纯比冲也比不上液氢液氧，做上面级也没有优势。总之，两头不靠，做什么都不是特别适合。土星5号的三级就是采用的高比冲氢氧发动机，因为液氢密度太低，导致液氢储箱远大于液氧储箱，因此如果在ITS火箭上采用液氢作为燃料，由于其密度比冲太小，贮箱会变得非常大、非常重。 其实，美、俄、欧、日，甚至包括我国，都有研发过各种推力级别和循环方式的液氧甲烷发动机。俄罗斯曾基于液氧煤油发动机，试验了一大波液氧甲烷发动机，甚至还有RD-183 /185 /190等一批液氧天然气发动机。而美国其实也做了不少尝试，比如围绕重返月球计划，普惠公司就对“牵牛星”月球着陆器下降级发动机采用液氧甲烷膨胀循环开展了参数估算，还提出了发动机的具体方案。此外，NASA曾将RS-18发动机(其前身就是阿波罗登月舱的起飞级发动机)改造为月球着陆器上升级的挤压式液氧甲烷发动机。但是，随着该计划被奥巴马一刀砍掉，然后就没有然后了。 总结起来，就是甲烷发动机不上不下地走到了今天。也算是生不逢时，世界各航天大国都在甲烷上做过许多努力，但是很可惜，几乎都没有走到发动机发射的那一天。 来源：力学园地(lxyd.imech.ac.cn)，作者：余力。 |
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