买不到自己造~SpaceX核心科技刷记录

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作者：头头势道




2002年成立SpaceX后，马斯克曾向俄罗斯求购火箭/洲际导弹，但因对方要价太高，决定自己造，竟然成功。不但如此，SpaceX已走向了火箭制造行业的巅峰。

330个大气压~SpaceX猛禽发动机再刷燃烧室压记录
近日，第39号猛禽发动机测试中，燃烧室达到了330个大气压而没有爆炸或损坏。比设计预期的300个大气压 高出10%。



相比之下，猎鹰9的的梅林1-D，室压大约100bar不到
；俄罗斯RD180，大约255（得益于优秀的RD180，美国ULA的火箭发射成功率相当高。）
燃烧室压上限的提高，意味着发动机的提升了稳定性和可靠性，1000次发射的寿命成为可能。






“萌新被壮大成老司机”掌握火箭核心科技——发动机
即便只是猎鹰9的梅林1D，也有其特色：



体积小巧，结构紧凑，推重比将近200:1，傲视全球。猎鹰9的一级火箭捆绑多达9台梅林1D发动机，推力冗余，LEO近地轨道可回收运力约17吨。其二级真空发动机也由其改进而来，通用性高，成就了可回收火箭猎鹰9的“爆款奇迹”，占全球过半的市场份额，最近又签单了。



另一边，原本经典骄人的俄罗斯RD180，几乎无人问津。因为猎鹰9的价格优势，以及蓝色起源BE-4液氧甲烷发动机被ULA选用，美国完全摆脱了俄制发动机。




燃料
但液氧煤油比冲不高，猎鹰9回收版本的深空航程是短板，且宣布了暂停改进。但可以通过捆绑出猎鹰重型来提升。
甲烷的比冲则高很多，459s，对煤油370s，高出了将近1/4，而成本仅为煤油的1/3。
而且只要保证燃料纯度 降低硫含量，就没有煤油的结焦影响寿命的问题，对发动机更友好，保养要求降低，是未来航天理想燃料。



而与液氢相比，发动机推力与效率跟室压有比较大的关系，尤其甲烷，只有较高的燃烧室压，才能发挥更大潜力。


燃烧室压
液氧液氢组合：



液氧甲烷组合：



为了达到这个效果，SpaceX还不惜攻克了核心技术中的核心——材料。


早在2016年9月，进行了测试，没有损坏。并公布了设计指标期望达到300bar。
到了2019年2月 推力调节实验，172吨，室压172-257bar，然后又以269bar打破了RD180保持的记录



也就是在燃烧室压这方面的挖潜上，SpaceX做到了接近极致。再往后提升不会很明显。却能大大提高发动机寿命。


燃烧循环技术：
由简化示意图可知，开式循环有一部分燃料没有燃烧完全，直接喷走，另外的闭式循环虽然进入燃烧室，但是燃烧不完全，或者使用过多液氧，或者使用过多燃料，效率仍不足。而全流量分级理论上则刚刚好，液氧与甲烷燃烧反应更充分，利用率更高





得益于其优秀的合金，猛禽是当今唯一采用了 FFSC全流量分级燃烧循环方式的 液氧甲烷发动机，世界顶级：



其次是贝佐斯 蓝色起源的BE-4，闭式富氧燃烧循环：



然后是我国Landspace蓝箭航天的TQ12发动机 开式：



至于欧洲未来阿里安6 的普罗米斯 发动机在研，开式：



普罗米修斯


而我国星际荣耀 焦点2号，在研。


关键指标过硬
和经典发动机对比：



2019年正常工作版本的猛禽发动机

之前室压 300bar，最大推力曾达到300+吨，远远超过实际应用中要求的200吨，且此次室压提升到330bar后，推力在基础运用时可轻松提升至220吨。只发挥2/3的力气，推重比方面，马斯克说其大小与梅林相仿，若真如此，推重比可远不止107:1，很可能大于150:1，甚至达到或超过梅林的200:1，这就不得了。
对比之下，重得多的蓝色起源BE-4发动机推力近240吨，推重比约80:1，海平比冲310s。
我国TQ12发动机推力约80吨，推重比 约 60:1，海平比冲270+s。
欧洲在研的 普罗米修斯 发动机约100吨，比冲估计300+
猛禽2019年的海平比冲就已经有330+s，竟然逼近了一些氢氧发动机的海平比冲 比如RS-25的366s。




而且值得注意的是，其节流达到了20%，对比梅林40%，推力调节范围大，能适应更多情况。减轻载人飞行时，过载加速度对人体造成的伤害。


这次刷新纪录。证明猛禽发动机得益于优秀的合金，全流量分级燃烧循环的方式，确实领先全球液氧甲烷发动机，理论效率最高。
室压耐压上限超过设计预期，使可靠性再提升，1000次的使用寿命成为可能。

超重型火箭 配置多达31台 推力更加冗余，即使个别几台发动机失灵 都可以根据实际情况尝试继续任务。



超重火箭 猛禽布局可能之一
而上面级 星舰内圈配备3台猛禽，他们还会在外圈 安装3台 真空优化版猛禽，
即 高比冲版本，大约350+s，更高的比冲，意味着 同样多的燃料，飞的更远。



关于SpaceX技术含量的高低。首先他们的目标很明确，航天普及，让更多的人有机会上太空
因此为了达到这个目的，设计上就面做出了选择

1、全可回收，比猎鹰9更极致，猎鹰9无法回收复用二级火箭；
2、材料以廉价的不锈钢为主，放弃昂贵的复合材料和铝锂合金，对发动机有信心；
3、燃料 甲烷，成本仅为煤油的1/3，也不用昂贵的液氢；
4、大空间，大燃料箱，可在轨道加注燃料，进一步做深空航行。这好比你练一辈子也不一定能成为乔丹，但是搬个楼梯，逐级踩上去，还是能体验“扣篮”和“滞空”。国际空间站也是多次发射组合而成。



在轨燃料加注结构示意
5、发动机小型化，火箭结构与部件模块化，例如构造上 分成多个钢圈，如此可大批量通用化生产，降低成本。



综上，星舰发射成本有望降到300万美元以下。相比之下，可回收猎鹰9的约2000万美元，其余不可回收火箭有的5000万美元，甚至还有数亿的。航天飞机技术是高，但是发射成本15亿美元，发射2次事故已经被抛弃了，名副其实的“虚高”。
其“全球飞”的价格则在 民航 经济舱 和头等舱之间，这已然是普及化的档次，就看其可靠性了。



因此两年前，SpaceX在德州选址Boca Chica博卡奇卡，建设未来航空港与星舰工厂。如今施工与星舰研制甚至批量打造、改进 同步进行。大量原型机部件露天放置，形式相当简陋，看起来以为是“包工头”在施工，而且奇葩的造型好比某高市值的酒瓶：



因此，马斯克之所以 成为没房有车的 航天“包工头”，且能吸引到越来越多的工程技术人才，生产各种“铁桶”进行测试，不仅仅是有梦想基因，更是有技术基础与科技含量的，并且是经过比对选择的。



之前说过的火箭回收，也实现了，载人航天也实现了，继续沿用猎鹰重型到达月球也完全没有问题。而现在星舰研发也有了不少进展，为世界所瞩目，就看接下来的测试了。



如今看来，真该感谢当年那些让你独立自强、负重前行的人，对我国科技来说，还要感谢沉不住气的川普。
也许将来SpaceX星舰 和 我国芯片一样，真如局座张召忠 所说 “3年后烂大街”。。。

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by头条 头头势道、百家 爱客行、公众 Ai爱阅福音 特约作者 天行客
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