从SpaceX创始人马斯克发布的无人机视角的视频看,星际飞船的雏形“星跳”7月25日的首次试飞状态稳定,稳稳的将星跳这个“大水塔”托起了约20米的高度,然后的水平移动也非常的平顺,最后顺利落地,尽管支撑腿出现了轻微的变形,但据称那是因为“吸能”所致,首飞过程取得了巨大的成功。在成功的背后,“星跳”上安装的这台推力巨大的“猛禽”发动机功不可没

星际飞船成功首跳的背后功臣 一定要了解的猛禽发动机的4大重点

星跳飞船首次点火

猛禽是世界首款成功起飞的“全流量分级燃烧”发动机

“全流量分级燃烧”发动机是在研火箭发动机中技术含量高、制造难度大,但燃料利用率非常高、能大幅度提升比冲的发动机。我国正在研制的同类型发动机主要是以富氧燃烧的开式循环结构为主,尽管研制难度较小,但工作中会有部分燃料不经过燃烧室,燃料利用率略低。但“全流量分级燃烧”发动机通过使用多个燃烧室,部分燃料先进入预燃室燃烧,产生的推力再推动涡轮泵,驱动全部燃料进入主燃烧室燃烧并产生推力,可以将每一丝的燃料都转换成推力

星际飞船成功首跳的背后功臣 一定要了解的猛禽发动机的4大重点

猛禽发动机试车

历史上只有前苏联在上世纪60年代试验过基于有毒肼燃料的“全流量分级燃烧”发动机RD-270项目,但由于各种原因已在1970年下马,未能应用于实战;美国在本世纪初也曾由空军推进过一个叫做“集成动力验证器”的试验项目,验证一款使用液氢作为燃料的全流量分级燃烧引擎,但最后也不了了之,部分技术成果被用到了“蓝色起源”的BE-4富氧补燃甲烷发动机上。

星际飞船成功首跳的背后功臣 一定要了解的猛禽发动机的4大重点

2015年 猛禽发动机预燃室点火试验

因此SpaceX研制的“猛禽”发动机是世界上首款“全流量分级燃烧”火箭发动机。猛禽发动机的直径仅有为1.3米,室压约30兆帕,单台推力不低于200吨,尽管推力略小于“蓝源”的BE-4,但体积和燃料利用率却远优于后者。根据马斯克的说法,未来安装在星际飞船上的猛禽发动机可以免维护使用100次,简单维护后可以重复使用1000次

作为首款甲烷发动机 猛禽为何要使用甲烷作为燃料?

现今世界上大约有四至五家火箭公司在研发大推力“液氧甲烷”发动机,包括美国SpaceX的“猛禽”、蓝色起源的“BE-4”以及中国蓝箭的“天雀”、星际荣耀的“焦点2号”等。但猛禽发动机是首款已经用于实战的甲烷引擎!

星际飞船成功首跳的背后功臣 一定要了解的猛禽发动机的4大重点

晨曦中的星跳飞船

之所以要使用甲烷作为燃料,主要有三点考虑,分别是性价比高、推力适中和易于制取。首先甲烷发动机的比冲介于煤油与液氢之间,尽管比不上液氢,但比煤油要好得多;其次甲烷的生产成本远低于液氢,对燃料箱的要求也低于液氢;最重要的一点是甲烷比较容易制取,考虑到作为未来征服火星的主发动机,在火星上可采用二氧化碳和氢的“沙巴提耶反应”制取甲烷,为星际飞船提供燃料,这一点受到了NASA的肯定。

美空军参与资助 从概念设计到投产只用6年

从2012年提出猛禽的正式的概念到2016年前,SpaceX都是在马斯克的私人支持下推进猛禽发动机的开发;取得阶段性成果后,美国空军开始展现出对该项目的兴趣,主动授予SpaceX3360万美金的研发费用,支持其研发猛禽发动机的真空版。至此,猛禽发动机衍生出两个型号,分别是海平面版和真空版。真空版猛禽的喷口直径约为2.4米,比海平面版多1.1米;真空版的比冲也比普通版多50秒,达到了380秒

星际飞船成功首跳的背后功臣 一定要了解的猛禽发动机的4大重点

星际飞船对接空间站想象图

截至2018年底,猛禽发动机的研制工作已经基本结束,如此算来从提出方案到生产成型,SpaceX只花费了6年的时间,远比其他发动机的研制效率要高。不过马斯克也透露现在的猛禽还在快速的迭代中,在执行任务前还将多次优化发动机的结构以提高其性能,也就是说猛禽的推力可能还会进一步提高。

未来的星际飞船系统将安装有43台“猛禽”发动机

猛禽发动机的服务对象主要就是自家的“大猎鹰火箭”(超重助推+星际飞船)。从2016年到2018年间,大猎鹰火箭的直径从12米降到了9米,使用猛禽发动机的数量也从51台降低到37台。尽管参数进行了适当的降低,但却能加速生产制造。

星际飞船成功首跳的背后功臣 一定要了解的猛禽发动机的4大重点

星船制造基地和大猎鹰火箭合成图

?不过在2019年7月份“星际飞船”首次试跳成功的前后,马斯克又不失时机的抛出了最新改款的“大猎鹰火箭”的参数,直径保持9米不变,星际飞船的6台猛禽不变,但助推器的猛禽台数从31台增加到37台,意味着未来一枚大猎鹰将使用总共43台猛禽发动机。如此看来,马斯克鼓吹的每年生产100台猛禽的效率也并不算高,顶多能够装配2台大猎鹰火箭而已。

作为一台近地轨道运载能力超过150吨的重型运载火箭,星际飞船取得的成绩并不容易,相信您通过本文也已经了解了SpaceX正是通过创造多个不可能,才成就了这一举世震惊的成果。马斯克承诺“星际飞船”未来半年将进行首次入轨试验,如果成功,大猎鹰火箭的首次正式飞行将在2021年进行。