黄志澄：从“猛禽”发动机看SpaceX通向火星的创新之路
从“猛禽”发动机看SpaceX通向火星的创新之路
远望智库研究员 黄志澄
2016年9月28日，美国SpaceX公司创始人埃隆·马斯克,在墨西哥召开的第67届国际宇航大会上，作了名为“让人类变成多星球物种”的主题演讲，并推出了用于人类火星殖民的“星际运输系统(Interplanetary TransportSystem, 以下简称ITS）”，提出最早在2025年实现载人登陆火星，更长远的计划是实现人类向火星移民。
目前，由于SpaceX公司的火星计划，在经济、技术等方面，还存在较大的不确定性，特别是特朗普上台后，美国宇航局（NASA）是否继续支持SpaceX公司，存在较大变数，因此，要评估这个计划是否可行，就显得十分困难。因此，下面我们将主要分析这个计划采用的技术方案，特别是其研制的“猛禽（Raptor）”火箭发动机，将是SpaceX公司通向火星的创新之路。
ITS的方案设想
众所周知，自1969年人类登上月球以来，火星就是人类太空探索的下一个目标，唯一的问题只是：谁在什么时候以什么方式登上火星。殖民火星，让人类成为一个多行星的物种——这是2002年埃隆马斯克建立的SpaceX公司一向的愿景。马斯克在上述报告中指出，火星是太阳系内最适合我们殖民的星球，而要飞向火星，降低发射和运营成本至关重要。为了解决这一问题，他提出了几项关键措施。
首先，要实现完全的重复使用！马斯克以成本9000万美元、载客180人的波音737为例，如果其只是一次性使用，从洛杉矶飞到拉斯维加斯的票价将高达50万美元，而现在由于重复使用，则只需要43美元，如果能让现在一次性使用的运载火箭实现完全重复使用，同样可以大大降低费用。
第二，实现在轨加注！SpaceX公司发射的飞船将分为客船（Ship）和货船(Tanker)两种，货船将为客船加注推进剂，从而降低运载火箭的发射规模。若不采用在轨加注的话，则需要研制三级结构的运载火箭，同时火箭的尺寸和重量要比现在的方案大5到10倍之多。
第三，在火星表面生产返回地球的推进剂。航天员将利用火星的水和二氧化碳，在火星表面制取甲烷和氧，为返航飞船提供充足的推进剂。
最后，为了减少研制费用和提高可靠性，ITS将继续采用“猎鹰 9号”火箭成功并联单一品种发动机的办法。
综上所述，研制满足上述要求的火箭发动机就成为重中之重。这样的发动机就是一种全流量分级燃烧循环的液氧甲烷发动机，即“猛禽发动机”。
马斯克提出的ITS方案主要分为“Lander（大飞船）”和“Booster（大火箭）”两个部分。组装起来后直径超过12米，高度达到122米。二者均可重复使用。火箭可以重复使用1000次，飞船可以重复使用20次。
ITSLander的性能如下：
长度：49.5米
直径：12米，最宽处17米
干重：150吨(客船)，90吨(货船)
燃料重量：1950吨(客船)，2500吨(货船)
海平面推力：9.1兆牛
真空推力：31兆牛
发动机：3个Raptor海平面发动机（比冲361s）
5个Raptor真空发动机（比冲382s）
运送到低地球轨道的货物或燃料的重量：300吨(客船)，380吨(货船)
运送到火星的货物重量：450吨
ITS Booster的性能如下：
长度：77.5米
直径：12米
干重：275吨
燃料重量：6700吨
起飞推力：128兆牛
真空推力：138兆牛
发动机：42个Raptor海平面发动机
“梅林”发动机不堪重负
一家以发展运载火箭起家的公司，其关键就是寻找一款满足需求的火箭发动机。说起SpaceX公司的火箭发动机，就不得不提到以液氧煤油为燃料的“梅林”发动机。伊隆·马斯克2002年创办SpaceX公司之初，考虑到研发液体火箭发动机难度非常大，他也曾考虑过购买俄罗斯的火箭发动机，但由于洽谈屡屡碰壁，迫使他必须自行研制。
为此，马斯克聘请了几位具有丰富发动机研发经验的工程师，包括TRW公司TR-106火箭发动机的总设计师汤姆·穆勒。工程师们采用阿波罗计划中登月舱下降级发动机中的标志性的针栓式喷注器和低成本的一次性烧蚀冷却碳纤维复合材料喷口，开发出了使用液氧煤油为燃料和燃气发生器循环的“梅林-1A”发动机（梅林（Merlin）的中文意思是“灰背隼”）。
2006年，研制的“梅林-1A”发动机安装在“猎鹰1”火箭上，首次投入使用。至今，“梅林”发动机已经服役了10年之久，在此期间，SpaceX公司对该发动机不断改进，并衍生了“梅林-1B”、“梅林-1C”、“梅林-1C真空版”、“梅林-1D”、“梅林-1D真空版”等多个型号。现在，“梅林-1D”发动机及其真空版，已作为”猎鹰9”火箭的主发动机，成功地执行了20余次发射任务，并还将作为今后首射的重型猎鹰火箭的发动机被继续使用。
梅林发动机在演进过程中，其喷管结构、冷却方式、涡轮泵等均有改进，因此其推力和比冲不断提高。在2016年底完成进一步增推后，最新型“梅林-1D”发动机的海平面推力将从最早的34.6吨升至86.2吨，增长幅度高达150%，真空版推力则升至93.2吨。其海平面比冲提高到282s,真空版比冲提高到311s。得益于“梅林”发动机的改进和最大为40%的节流能力，猎鹰9火箭成为了首款能够垂直反推回收的火箭，其近地轨道的运载能力也从最早的9吨提升至22.8吨。
在SpaceX公司提出通向火星的ITS方案之前，SpaceX公司也曾设想研制“梅林-2”发动机，来发展重型运载火箭。它采用“梅林-1”的设计，并进行等比例放大，燃料组合不变，具有70%或100%的节流能力。它在海平面的推力达到7560千牛，比冲达到285s；真空版推力达到8540千牛，比冲达到321s。但面对SpaceX未来通向火星的ITS目标，“梅林2”发动机还有多方面的不足：
首先，“梅林”发动机并不是一款可完全复用的发动机，因为影响发动机重复使用的一个重要问题就是发动机在燃烧后形成的积碳。由于积碳而使发动机的维修成本增加，并影响发动机的重复使用次数。“梅林”发动机使用液氧煤油为燃料，其积碳问题仍然严重。
第二，“梅林2”发动机的推力仍然偏低，而前述ITS火箭需要的起飞推力达到13303吨，是不大可能通过增加“梅林2”发动机数量来解决的。
第三，由于“梅林2”发动机的比冲仍然较低，将它做上面级发动机，效率仍然偏低，就显得十分吃力。
最后，在火星上就地生产煤油的困难很大。
综合上述的考虑，SpaceX公司还是放弃了研制“梅林-2”发动机的想法，改为研制采用液氧甲烷为燃料和全流量分级燃烧循环的“猛禽”发动机。
为何选择液氧甲烷
SpaceX公司为何选择液氧甲烷作为“猛禽”发动机的推进剂？众所周知，液氧烃类火箭发动机，由于其无毒并具有较高的平均密度和相对较高的性能，已经成为火箭发动机的一种重要类型。其中，液氧煤油火箭发动机已经得到广泛应用外，液氧甲烷火箭发动机，由于它具有比冲较高、低成本、低积碳、冷却不结焦、适于重复使用等特点，在1980年以来，包括美国、俄罗斯、欧洲、日本、中国在内的多个国家，都在开展相关的研究工作。
甲烷与氢、氧类似，属于低温推进剂，其维护使用条件与液氧基本相同。氢、氧、甲烷、煤油及偏二甲肼的物理性能见表1。
表1 推进剂的物理性能比较
氢 | 氧 | 甲烷 | 煤油 | 偏二甲肼 | |
分子量 | 2.016 | 32 | 16.043 | 167 | 60.78 |
沸点/K | 20.38 | 90.2 | 112 | 466-547 | 336 |
冰点/K | 13.95 | 54.4 | 90.65 | 226 | 216 |
临界温度/K | 33.23 | 154.8 | 190 | 658 | 521 |
临界压力/MPa | 1.32 | 5.08 | 4.6 | 1.82 | 5.26 |
密（液态）/kg·m-3 | 70 | 1140 | 422 | 836 | 791 |
定压比热/J·kg-1·K-1 | 15000 | 1700 | 3480 | 1980 | 2734 |
结焦温度/K | 无 | 无 | 950 | 560 | 无 |
由上表可见：
1.液态甲烷的密度是煤油的一半，约为液氢的6倍，因此液态甲烷贮箱比液氢贮箱轻很多。
2.烃类燃料中煤油的结焦极限温度最低，甲烷最高。煤油的结焦极限温度为560K，甲烷为950K，因此，在较低温度时甲烷无结焦。美国在1980年进行了电传热试验，研究烃类燃料结焦特性，结果表明：甲烷在壁温为500℃时可正常工作。当甲烷中的硫含量低于1ppm时没有任何结焦。
烃类燃料燃气普遍有积碳。美国曾进行过烃类燃料的碳沉积研究，混合比为0.2-0.6，燃烧室压力为50-120MPa。结果表明：甲烷在试验的混合比范围内，不存在碳沉积。甲烷分子只含一个碳原子，热解后难以形成长链碳氢化合物，因而在高温下也不易积碳。实验结果表明，在400-900℃宽广的燃烧温度范围内，液氧甲烷富燃燃烧产物均未出现明显的积碳。
美国Aerojet公司于1986年对烃类燃料与燃烧室壁的相容性问题进行了试验研究，结果表明：当甲烷中的硫含量低于1ppm时，对铜合金内壁几乎没有任何腐蚀。
3.甲烷的比热较高，其定压比热低于氢，但高于煤油等推进剂，而且无结焦，因此，它是一种良好的再生冷却剂。
4.甲烷的沸点112K，与液氧沸点90.2K相差不到22度，因此，可以采用共底储箱，以简化贮箱结构。
比冲是评价各类火箭发动机性能的重要指标。各类无毒推进剂发动机的理论比冲将随混合比而变化。在所有碳氢化合物中，液氧甲烷比冲最高。液氧甲烷发动机的最高理论比冲比液氧液氢发动机低，但比液氧煤油发动机高。以俄罗斯液氧煤油发动RD-180为列，在混合比为2.72时，它在海平面的比冲为311.3s；真空版比冲为337.6s。据德国宇航院的计算，若改为液氧甲烷发动机，它在海平面的比冲可提高到322.5s；真空版比冲可提高到348.3s。
液态甲烷使用安全性与液氢基本相同。甲烷没有毒性。甲烷的爆炸容积百分数为5%～15%，自动点火温度为540℃。甲烷虽然易燃，但甲烷分子量较小，比空气轻，任何泄出或渗漏，都可以像氢一样，立即上升并散失在大气中。因此，按照安全规则使用甲烷则很安全。
甲烷资源丰富。液态甲烷来源于液化天然气（LNG）和固态天然气水合物（可燃冰）。全球广泛存在着几乎是纯甲烷的天然气水合物资源，其储量是目前地球上常规化石燃料储量的2倍多。在火星、土星上也有相当丰富的甲烷资源。甲烷价格较便宜，是液氢的1/70；是煤油的1/3。
在马斯克的上述报告中，用图表列出了三种推进剂组合（液氧煤油、液氧液氢、液氧甲烷）的性能对比。图上绿色代表该项特性优，黄色代表良，红色代表差，红叉代表极差。液氧甲烷在火箭尺寸、推进剂价格、可复用性、火星生产推进剂等4项均为优，只有在推进剂运输上是良，和液氧煤油一样，比液氧液氢要好。
综上所述，液氧甲烷发动机具有氢氧发动机和液氧/煤油发动机的综合优点，是未来航天动力的发展方向之一。
“猛禽”发动机的创新之路
在马斯克的上述报告中，正式发布的“猛禽”发动机参数为海平面推力311吨（3050千牛），真空推力357吨（3500千牛），采用预先冷却的液氧-甲烷推进剂组合。“猛禽”发动机如果投入使用，它将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（7904千牛），宇宙神5火箭的RD-180（3830千牛），还有德尔塔4重型火箭所采用的RS-68A（3137千牛，只比“猛禽”大一点儿）。“猛禽”发动机的比冲为海平面334s，真空382s。
在马斯克做上述报告的前两天，SpaceX公司在美国德州，成功进行了缩比的“猛禽”发动机地面点火试验。试验的发动机的推力为100吨。图示是这次地面试验的照片。
传统的大型运载火箭，一般要求其助推器发动机有高的密度比冲（密度与比冲的乘积），因此，往往选择采用液氧煤油发动机，而芯级或上面级一般要求发动机有高的比冲，因此，往往选择采用液氧液氢发动机。SpaceX公司为了研制ITS，决定选择采用液氧甲烷发动机，走出了发展重型运载火箭的创新之路。
为此，“猛禽”发动机为了满足要求，必须提高比冲。因此，它放弃了“燃气发生器循环”，而采用了全新的“全流量分级燃烧循环(fullflow staged combustioncycle)”。“猛禽”发动机的“全流量分级燃烧循环”如图所示，它采用了双泵和双预燃室设计。一个预燃室是富氧燃烧，另一个预燃室是富甲烷燃烧，，然后将高温富氧燃气和高温富甲烷燃气导入主燃烧室，产生稳定的两股气流的燃烧，以达到较高的性能。“猛禽”发动机燃烧室压强高达300个大气压，是分级燃烧循环液体火箭发动机单燃烧室推力的最高纪录，而且，发动机有20%到100%的节流能力。同时不难发现，这种设计也带来结构复杂、增加重量和燃烧稳定性尚待地面试验验证等关键问题。
为此，SpaceX公司正在采取多项措施，解决上述关键问题。例如，计划采用3D打印技术，加工“猛禽”发动机占总重40%的零部件，开发高强度耐高温材料，以及开发适用于“猛禽”发动机的新的计算流体力学（CFD）仿真软件。
由于高昂的火箭发动机的研制费用主要来自地面试验，因此，近30年以来，许多学者致力于应用CFD方法来仿真火箭发动机的内部流动，但结果却并不令人满意。据报道，SpaceX公司已经开发了一种独特的CFD仿真软件。它采用了小波变换的谱方法，很好地解决了火箭发动机内部流动的在时间和空间都为多尺度的湍流模拟问题。如果这个CFD仿真软件能够经过发动机的地面试验验证，则利用这种仿真软件，可望大大减少“猛禽”发动机的地面以试验次数，从而可望大幅度降低“猛禽”发动机的研制费用。
结束语
综上所述，从SpaceX公司公布的有关ITS的方案的资料来看，其方案闪烁着其独到的创新之光，但方案能否成功，将一方面取决于资金保障，另一方面，在技术上，很大程度上将取决于能否如期攻克“猛禽”发动机的难关。从目前SpaceX公司的有关进展来看，虽然充满艰险，但值得期待。
一网打尽系列文章，请回复以下关键词查看： |
创新发展：习近平 | 创新中国 | 创新创业 | 科技体制改革 | 科技创新政策 | 协同创新 | 成果转化 | 新科技革命 | 基础研究 | 产学研 | 供给侧 |
热点专题：军民融合 | 民参军 | 工业4.0 | 商业航天 | 智库 | 国家重点研发计划 | 基金 | 装备采办 | 博士 | 摩尔定律 | 诺贝尔奖 | 国家实验室 | 国防工业 | 十三五 |
预见未来：预见2016 | 预见2020 | 预见2025 | 预见2030 | 预见2035 | 预见2045 | 预见2050 | |
前沿科技：颠覆性技术 | 生物 | 仿生 | 脑科学 | 精准医学 | 基因 | 基因编辑 | 虚拟现实 | 增强现实 | 纳米 | 人工智能 | 机器人 | 3D打印 | 4D打印 | 太赫兹 | 云计算 | 物联网 | 互联网+ | 大数据 | 石墨烯 | 能源 | 电池 | 量子 | 超材料 | 超级计算机 | 卫星 | 北斗 | 智能制造 | 不依赖GPS导航 | 通信 | MIT技术评论 | 航空发动机 | 可穿戴 | 氮化镓 | 隐身 | 半导体 | 脑机接口 |
先进武器：中国武器 | 无人机 | 轰炸机 | 预警机 | 运输机 | 战斗机 | 六代机 | 网络武器 | 激光武器 | 电磁炮 | 高超声速武器 | 反无人机 | 防空反导 | 潜航器 | |
未来战争：未来战争 | 抵消战略 | 水下战 | 网络空间战 | 分布式杀伤 | 无人机蜂群 |
领先国家：俄罗斯 | 英国 | 日本 | 以色列 | 印度 |
前沿机构：战略能力办公室 | DARPA | Gartner | 硅谷 | 谷歌 | 华为 | 俄先期研究基金会 | 军工百强 |
前沿人物：钱学森 | 马斯克 | 凯文凯利 | 任正非 | 马云 |
专家专栏：黄志澄 | 许得君 | 施一公 | 王喜文 | 贺飞 | 李萍 | 刘锋 | 王煜全 | 易本胜 | 李德毅 | 游光荣 | 刘亚威 | 赵文银 | 廖孟豪 |
全文收录：2016文章全收录 | 2015文章全收录 | 2014文章全收录 |
其他主题系列陆续整理中，敬请期待…… |