作者：科學聲音吳京平

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猛禽發(fā)動機采用了全流量分級燃燒的設(shè)計，這種設(shè)計相當高效。海平面比沖334，真空比沖361，比煤油高一點，比氫氧機低一點，總推力310噸，而且甲烷從各方面來講都是非常適合馬斯克需求的一種燃料。

但是有個疑問我們還沒有回答呢，甲烷會不會積碳結(jié)焦呢？其實上個世紀80年代末，我們也是做過相關(guān)實驗的，甲烷、丙烷和煤油都可以當做火箭燃料，煤油是最容易積碳的，丙烷次之，甲烷是最少的。結(jié)焦的順序也是煤油最多，丙烷次之，甲烷最少，甲烷更不容易結(jié)焦。

圖：猛禽發(fā)動機在斯坦尼斯航天中心測試預燃室

對于全流量分級燃燒的發(fā)動機來講，富燃的預燃室產(chǎn)生高壓燃氣，吹動渦輪泵，輸送燃料到火箭的燃燒室，本來就是不完全燃燒。燃料中灰分在幾千度的高溫下會被變成液體甚至是氣體，碰到溫度低的東西就會發(fā)生凝結(jié)。碰上管道之類的玩意兒，但凡溫度比燃燒室低一大截，灰分就凝固在了表面上，冬天玻璃窗上的霧氣和霜花也是一樣的道理。積累起來就成了積碳和結(jié)焦。煤油的含碳量更高，更容易發(fā)生結(jié)焦的情況。燃料越是單純，越容易控制，煤油的成分實在是太復雜了。

猛禽發(fā)動機的設(shè)計大量使用了電腦模擬計算，他們自己開發(fā)了相關(guān)的模擬軟件，如今比特幣挖礦都知道用顯卡加速，他們的模擬軟件自然也是用到了，這也是他們的一大特點吧。

猛禽發(fā)動機的研發(fā)計劃是從2009年開始的，Spacex的一大特點就是最開始的設(shè)計方案和最終的成品之間差很大。最開始他們在氫氧發(fā)動機方面做了不少的而研究，目標也是制造一個二級火箭用的發(fā)動機，但是等到2012年正式宣布這個計劃的時候，發(fā)動機變成了液氧甲烷方案。而且也成了主力發(fā)動機。

猛禽從2014年開始部件測試，分級燃燒嘛，預燃室能不能達到要求，這是可以先行測試的。猛禽發(fā)動機有40%的零部件是3D打印制造的，能夠提高性能，而且能省錢，何樂而不為呢？SpaceX從來都會緊跟新技術(shù)。

圖：2016年9月25日，猛禽火箭發(fā)動機在德克薩斯州McGregor測試場首次測試點火

2016年9月份就進行了完整發(fā)動機的測試工作。到了2017年9月，他們完成了1200秒的發(fā)動機測試，這是多次測試加在一起的結(jié)果，最長的一次測試是100秒。

至此，猛禽發(fā)動機是可以實用化了。但是迭代從來就沒停止過，猛禽的性能也還是在一點一點的提高，如今猛禽的燃燒室室壓已經(jīng)超過了RD180，成了世界上室壓最大的火箭燃燒室。

當時馬斯克要造的是大獵鷹火箭，當時叫這個名字。這是一個直徑10米量級的巨大火箭，豎起來跟航天飛機是一樣高的。最開始設(shè)計了3條可伸縮的腿，這個思維方式還是延續(xù)獵鷹9號的思路。

但是到了2017年，方案就變了，不再需要3條腿了，火箭本身夠胖，自己就能穩(wěn)穩(wěn)當當?shù)恼咀?，不需要那么長的腿，火箭尾巴上多了兩片機翼。

到了2018年，方案又變了，尾部設(shè)計了三個機翼，品字形對稱排列，每個機翼的頂端帶個小著陸腿，這就等于是機翼兼任著陸支架。頭部也多了兩片小的機翼。

按照航天界的習慣，火箭當然是要選擇又輕又結(jié)實的材料，不是鋁合金就是碳纖維。我看到馬斯克公布過一個巨大的燃料罐，直徑12米，用的是碳纖維纏繞，他們打算用一艘大船帶到海上去做測試，看看要多大壓力才能把這個大罐子給漲破。我當時看著真是羨慕，人家碳纖維材料的性能真是好，美國人想買什么，別人都賣。我們想買日本人的高端碳纖維，人家封鎖，氣死人哦。

圖：碳纖維燃料罐

但是，馬斯克也指出了碳纖維的不足之處，你要在這樣的大罐子里放進低溫的液氧和液態(tài)甲烷，恐怕碳纖維會破裂，他們自己曾經(jīng)遇到過液氧和碳纖維犯沖的情況。到底行不行，還是要不斷的測試才知道。

沒想到的是，就在2018年，大獵鷹火箭改名叫星艦了。材料也換了，馬斯克透露這是一種非常重的金屬。這種金屬就是不銹鋼。

我們中國的軍迷對于不銹鋼材料用于航空領(lǐng)域，那是一點都不陌生。因為在70年代，蘇聯(lián)發(fā)生了一件大事兒。那就是蘇聯(lián)戰(zhàn)斗機飛行員別連科駕駛一架米格25戰(zhàn)斗機叛逃到了日本。

圖：別連科降落在函館機場，還沖出了跑道

他從遠東的機場起飛，飛到日本距離最近。本來他想飛到千歲軍用機場。這樣的話，蘇聯(lián)人以為他失蹤了，美國人悶聲發(fā)大財。結(jié)果他迷航了，降落到了函館民用機場。這一下，新聞界都知道了。還惹出蘇聯(lián)和日本以及美國的外交風波。

美國一直對米格25戰(zhàn)斗機非常重視，因為以色列人曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)這家伙能飛到3倍音速。美國人自己的SR71黑鳥偵察機也是能飛到3倍音速的，但是為了解決氣動加熱問題，不得不大量使用鈦合金。93%是鈦合金制造的，蘇聯(lián)人是不是也用了鈦合金呢？美國人心里沒底。他們采用的不少鈦合金還是通過皮包公司拐彎兒抹角的從蘇聯(lián)進口的，蘇聯(lián)是生產(chǎn)鈦金屬的大國。他們的潛艇也是鈦合金制造的。CIA的間諜甚至找到了高爾基工廠高級焊工的名單，發(fā)現(xiàn)其中有些人是參加了鈦合金潛艇焊接的。美國人猜想，蘇聯(lián)人搞定了鈦合金薄板焊接工藝。

圖：米格25戰(zhàn)斗機

結(jié)果美國人看到這架米格25，怎么看怎么別扭，鬧了半天是不銹鋼材料的。米格25渾身上下有80%是不銹鋼材料的，9%是鈦合金，剩下的是鋁合金的。

但是，真要深入下去，美國人還是不由得贊嘆蘇聯(lián)人的水平。人家的不銹鋼是專門設(shè)計的。當初美國造3倍音速的轟炸機XB70，也采用的是合金鋼。但是就因為結(jié)構(gòu)設(shè)計的比較輕巧，飛行測試屢屢出問題。強度不夠。蘇聯(lián)人設(shè)計的機體結(jié)構(gòu)真是結(jié)實啊。

當時蘇聯(lián)人遇到了一個很嚴重的問題，那就是熱障。米格19能飛到1.3馬赫。蒙皮的溫度上升到了72攝氏度。這個溫度似乎還能承受。但是后來研發(fā)出了2倍音速的米格21，蒙皮的溫度就上升到了107度。蘇聯(lián)人估算，如果飛行馬赫數(shù)達到3的話，蒙皮溫度就將達到300多度?？墒卿X合金的熔點只有400~500度，要想保持結(jié)構(gòu)強度，必須低于140度。假如真的飛到3倍音速的話，鋁合金早就軟了。不銹鋼的好處是價錢便宜量又足。在400度的高溫下，它也能保持強度，所以應付三倍音速的飛行是沒有問題的，而且不銹鋼的焊接技術(shù)非常成熟。不像鋁合金，非要用鉚釘不可，鈦合金的加工難度和這兩個不是一個數(shù)量級，所以這也算是一個好處。

既然別連科已經(jīng)把米格25的秘密公諸天下，蘇聯(lián)人也就不用再藏著掖著，米格25截擊機索性敞開了賣，伊拉克也是有米格25的。后來美國人打下了伊拉克，曾經(jīng)用M1A1主戰(zhàn)坦克去軋過米格25的機身，發(fā)現(xiàn)這個東西還是真結(jié)實，居然壓不壞。

圖：宇宙神火箭軟掉

所以蘇聯(lián)人和美國人都是使用過不銹鋼材料的。早期美國宇宙神火箭的燃料罐也是不銹鋼造的。但是為了盡量減輕重量，不銹鋼外殼都和易拉罐的皮差不多?？砍錃獗３指邏簛砭S持火箭的強度。曾經(jīng)出過一次事故，地面人員把液氧給抽出去了，結(jié)果燃料罐壓力不足，軟掉了，整個火箭癱軟在發(fā)射臺上。

當然，這些情況馬斯克都是很清楚的。他們內(nèi)部也經(jīng)過激烈的討論才轉(zhuǎn)向了不銹鋼。一開始馬斯克的團隊也是傾向于碳纖維的。但是他們發(fā)現(xiàn)自己的進展非常緩慢，因為有一大堆問題解決不掉。碳纖維每公斤的成本是135美元，而且會產(chǎn)生35%的廢料，有些料你裁減下去以后就沒法再用了。里外里一劃算，相當于200美金一公斤，而不銹鋼的最大優(yōu)點是足夠便宜1公斤才3美元，而且生產(chǎn)速度非?？欤吘共讳P鋼的焊接都是非常傳統(tǒng)的技術(shù)了。

當然SpaceX用的不銹鋼也不是一般的不銹鋼，這些不銹鋼必須在低溫下還能保持足夠的性能。有些鋼在低溫下會變脆，一敲就碎。比如說泰坦尼克號的鋼板就是因為含硫量高了一點，所以在低溫下就變得很脆，冰山一撞就碎掉了。這是一個非常慘痛的教訓。

但是有一些含有鉻和鎳的不銹鋼卻恰恰相反，在低溫下它們的強度反而有所增加，延展性仍然很好，即便是在零下165攝氏度，依然非常堅韌，也沒有斷裂的問題。你別忘了，液氧和液態(tài)甲烷可都是零下100多度。而且不銹鋼同時可以耐受高溫，兩頭都能兼顧。

鋁合金一般來講140~150度就不行了，偶爾可以承受到176度，但是溫度達到204度的時候就可能是極限了。某些碳纖維可以耐受超過204度的溫度，但是強度會降低，但是不銹鋼可以承受高達815~871攝氏度的高溫。

當然，星艦火箭遇到的問題和航天飛機相似，都要從外太空以非常高的速度返回大氣層，航天飛機從外太空返回大氣層的時候和空氣摩擦會產(chǎn)生大量的熱，為了對付摩擦產(chǎn)生的高溫，航天飛機渾身上下掛滿了陶瓷瓦。在鼻子和機翼前緣還用了碳碳復合材料。這個問題馬斯克其實也會碰到，所以它的星艦火箭正對著氣流方向的半個身子掛上了陶瓷瓦。背面半邊兒就是光禿禿的不銹鋼，因為背后的溫度不高不銹鋼本身也已經(jīng)足夠?qū)Ω丁?/p>

當然馬斯克有可能考慮讓燃料從蒙皮下面流過，這樣也可以帶走一部分熱量。而且他還打算在蒙皮表面開非常小的小孔，靠燃料向外蒸發(fā)來帶走熱量。這就是所謂的發(fā)汗金屬技術(shù)?；鸺l(fā)動機的內(nèi)部其實也是采用了這樣的技術(shù)的，否則關(guān)鍵的零部件在3000度的高溫下根本撐不住。既然這都是常用的技術(shù)，把它們拼接組合在一起好像也不意外。不過這些技術(shù)到底用沒用，暫時不敢確定。目前看來，發(fā)汗金屬這個方案算是放棄了，因為那些小孔要是堵了就麻煩了，還是算了吧。

說到底馬斯克的星艦火箭是要重復利用的，但是他又不想讓火箭變得像航天飛機那樣昂貴。當然是要想盡一切辦法讓火箭變得能夠免維護。這就是一切考慮的出發(fā)點。

最終馬斯克的星艦火箭還是選用了不銹鋼當做主要材料。按照他的習慣，首先要做個最簡單的原型機來測試一下，這個原型機叫做星蟲。他最早制造的垂直起降實驗火箭不是叫蚱蜢嗎？這不就是個蟲子嘛。星艦的原型機叫星蟲，倒是滿恰當?shù)摹?/p>

這個火箭那叫一個特別，渾身上下銀光閃閃，廢話都是不銹鋼，能不銀光閃閃的嗎？他請來負責不銹鋼焊接的公司是個造水塔的，讓美國那幫軍工大廠差點把鼻子氣歪了。怎么讓造水塔的公司來造火箭??？馬斯克就看中人家的不銹鋼焊接工藝了，你別說，星蟲的直徑有9米，一般的火箭真的沒這么粗啊。這個又粗又胖的星蟲火箭還真的就像個三條腿的水塔。不過在我看來，這家伙是個會飛的煤氣罐，這才恰當嘛。

火箭嘛，都是尖頭的，本來星蟲也是尖頭的，但是后來尖頭被大風給吹癟了。干脆就不要這個尖頭了，整個火箭的頭部就是燃料罐的半球形。反正只要飛150米高就算勝利，要不要那個尖頭問題不大。

這個火箭安裝了一臺猛禽發(fā)動機，這也是猛禽發(fā)動機的首次實戰(zhàn)。2019年的4月5號，猛禽發(fā)動機點火開車，星蟲飛起1米高。這一次是系留實驗?；鸺焕ψ?，不能高飛。就算為了測試發(fā)動機和控制系統(tǒng)。這也叫靜態(tài)點火，馬斯克的老傳統(tǒng)了。

圖：“水塔”飛起來了

7月25號，星蟲開始自由飛行，飛到20米高的空中懸停，然后落下來，前后不過才20秒鐘時間。但是這已經(jīng)是里程碑了，星蟲火箭這么大的一個煤氣罐是可以飛起來的，而且可控。第三次是在8月27號飛的，飛到了150米的空中，然后平移一段距離，降落在了著陸場。至此，星蟲的使命勝利結(jié)束，這個巨大的煤氣罐就此退休了。不過呢，它還會發(fā)揮余熱，成為一個測試發(fā)動機的試驗臺。也有人說，這個巨大的煤氣罐成了發(fā)射場存放燃料的儲存罐，這倒也不浪費。

下一步是制造新的原型機，要在原來的基礎(chǔ)上再前進一步。這一次馬斯克讓加州和德州的兩個團隊展開了競賽。欲知后事如何，關(guān)注我，下回繼續(xù)說。