火箭發(fā)動機相對于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機、氣尖引擎、空射、空天飛機、旋轉(zhuǎn)離心發(fā)射的優(yōu)勢
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前言
今天看到一個 X（原推特）上的一個長貼[1]，關(guān)于火箭效率和不少發(fā)射系統(tǒng)對比的討論，十分欣賞這位大神作者（Robotbeat）淺顯易懂（相對的哈，畢竟是和火箭有關(guān)）的敘述。搬運過來，大家一起學(xué)習(xí)。以下是翻譯，潤色，和注解過的內(nèi)容，以及相對應(yīng)的原文引用。注意，為了語句通順和中文達(dá)意，并不是完全一個字一個字翻譯的，同時，注解或筆者自己增加的內(nèi)容，會放在括號或引用內(nèi)部。如果有不清楚或異議，請參考每段后注釋里引用的 X 上的英文原文。
還有一點背景信息很重要：這個討論中關(guān)于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的部分，是假設(shè)它被用于入軌發(fā)射，而不是討論旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機用于大氣層內(nèi)部的高超音速飛行器的應(yīng)用。
正文
（最近）關(guān)于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的新聞，關(guān)于它的高25%的比沖[2]的說法。這是不對的。讓我們來仔細(xì)看一看。（原文[3]）
在一個簡單的（液體）火箭發(fā)動機里，燃燒室的壓力（又稱，工作壓力）不能超過燃料/氧化劑噴射口的壓力（注：要不然，燃燒室里一燃燒，更高的壓力會把燃料和氧化劑從噴射口里倒壓回去）。同理，燃料/氧化劑噴射口的壓力也要低于燃料/氧化劑儲箱的壓力（否則倒灌）。如此一來，儲箱的壓力會非常高。而儲箱壓力和儲箱質(zhì)量成正比。（原文[4]）
這個就是很原始簡單的純壓力驅(qū)動火箭發(fā)動機設(shè)計。這種設(shè)計，有一個致命的儲箱質(zhì)量和發(fā)動機工作壓力的矛盾。越高的工作壓力，性能越好：在一定的單位燃料/氧化劑質(zhì)量，和在一定的發(fā)動機噴口面積的情況下，發(fā)動機工作壓力越高，推力越大。（原文[5]）
但是很快你就會到達(dá)一個飽和/平衡點：越高的工作壓力的確會增加推力，但是會帶來更高的儲箱質(zhì)量，結(jié)果抵消了增加的性能。要想火箭高效，你一定要想方設(shè)法去減小儲箱質(zhì)量。所以最終，純壓力驅(qū)動火箭發(fā)動機一般都運行在較低的工作壓力下，已達(dá)到減小儲箱質(zhì)量的目的。（原文[6]）
固體火箭（注：如我國的谷神星一號火箭[7]）本質(zhì)上就是一個純壓力驅(qū)動火箭。這就是為什么固體火箭性能較差：更低的比沖，更高的儲箱質(zhì)量。因為它需要降低工作壓力，讓儲箱，同時也是固體火箭的燃燒室，質(zhì)量不會太大，但因此犧牲了比沖。（原文[8]）
固體火箭很簡單，一般在小規(guī)模的情況下十分好用。它沒有閥門和其他復(fù)雜的東西。但是它有本質(zhì)上的性能瓶頸。有一個方法可以突破這個性能瓶頸：用渦輪泵。（原文[9]）
絕大多數(shù)液體發(fā)動機火箭都使用渦輪泵。渦輪泵給燃燒室增壓，但不用增加儲箱的壓力。這種做法可以極大地減少火箭的干質(zhì)量（干質(zhì)量是指火箭本身的質(zhì)量，不包括燃料和氧化劑的質(zhì)量），同時提高壓力和比沖。（原文[10]）
用渦輪泵可以使燃燒室的壓力大于儲箱壓力，但用爆炸（注：這里的爆炸不是普通意義上的爆炸，而是熱力學(xué)里定義的爆炸：前端火焰擴張的速度高于音速，就叫做爆炸）也可以做到類似的效果。爆炸/爆震產(chǎn)生的壓力可以比燃料/氧化劑輸送壓力更大，比儲箱壓力更大。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機最主要的好處就是，省了一個渦輪泵。（原文[11]）
就像其他技術(shù)新聞報道一樣，如果報道說 "性能提高 25%"，你幾乎可以肯定這個所謂"提高"的比較基準(zhǔn)，一定選擇的是最低標(biāo)準(zhǔn)。在旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機報道里，這個基準(zhǔn)選擇是性能最差的純壓力驅(qū)動火箭發(fā)動機。（原文[12]）
旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機其實就是另一種能夠讓燃燒室壓力比儲箱壓力更高的設(shè)計，比性能最差的純壓力驅(qū)動火箭發(fā)動機要高效。但它并沒有魔法，可以使它的效率比渦輪泵火箭發(fā)動機更高。事實上，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的效率是很爛的。（原文[13]）
永遠(yuǎn)也不要在不知道比較基準(zhǔn)的情況下，全盤接受性能的宣傳。要問清楚真實比沖。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機就是一個好的例子，很多真實而成功的測試中，它的比沖是很糟糕的低：才 150 秒左右：見下圖[14]
（原文[15]）
因此，目前為止我沒有看到任何事實上的證據(jù)表明旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機比渦輪泵發(fā)動機具有更高的性能。分級燃燒發(fā)動機（注：中文有時又叫，補燃發(fā)動機，或分級循環(huán)發(fā)動機，補燃循環(huán)發(fā)動機，等等）是性能之王，它的性能數(shù)據(jù)匪夷所思的好。（原文[16]）
很多渦輪泵火箭發(fā)動機性能不怎么樣，是因為它們使用單獨的燃料管線來驅(qū)動渦輪泵，然后把渦輪泵廢氣直接排除到火箭之外。這樣還有很多燃料的廢氣直接扔了，沒有充分燃燒，為火箭做功。分級燃燒發(fā)動機，例如猛禽發(fā)動機，卻可以充分利用所有的燃料。（原文[17]）
事實上，因為分級燃燒發(fā)動機可以精細(xì)控制燃燒過程，它更有可能比旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機高效，因為它能夠在有控制的情況下，徹底燃燒所有的燃料。而旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機不得不做得很重、很堅固，用來對抗燃燒室里不間斷的爆炸而不融化。（原文[18]）
甚至，高壓使得分級燃燒發(fā)動機比氣尖引擎（aerospike engine）[19]更好。我們知道，發(fā)動機內(nèi)部和外部的壓力差是驅(qū)動火箭的動力來源。（原文[20]）
對于純壓力驅(qū)動火箭來說，這個壓力差是很低的，因位儲箱的限制，燃燒室的壓力很低。在海平面，你不得不使用小號噴嘴來避免發(fā)動機尾焰分層。而氣尖引擎的好處是即使壓力很低，也能避免尾焰分層。（原文[21]）
筆者：這個不得不稍稍解釋一下， 什么是尾焰分層，和為什么尾焰分層很不好?？聪聢D[22]
燃料和氧化劑在燃燒室里點燃后產(chǎn)生高壓高溫燃?xì)?，從噴嘴處進(jìn)入噴管，向后排出。在火焰排出的過程中，壓力不斷下降，最終燃?xì)獾膲毫陆档胶屯饨绲拇髿鈮毫ο嗤?，?dāng)然，這是指火箭還在大氣層里飛行的階段。如果燃?xì)庠趪姵鰢姽艿耐瑫r，壓力等于外界大氣壓力（上圖中），這是最優(yōu)化的情況，每一分燃?xì)獬^外部大氣壓力的部分都作用到了噴管上，然后傳遞給了火箭做功。如果燃?xì)庠趪姵鰢姽艿耐瑫r，壓力仍然比外部大氣壓力高，尾焰就會擴散（上圖右），這樣，一部分燃?xì)鈮毫屠速M了，整體性能損失。如果燃?xì)庠趪姵鰢姽苤?，壓力已?jīng)比外部大氣壓力低了，就會出現(xiàn)所謂的尾焰分層（上圖左），就是尾焰脫離噴管管壁。尾焰分層一旦出現(xiàn)，第一，性能損失，因為外界更高的大氣壓力等把尾焰壓回去，抵消了一部分推力；第二，更要命的是尾焰分層會極大地增加尾焰的不穩(wěn)定性，和噴管內(nèi)部的紊流，造成事故；第三，尾焰分層說明噴管過大或過長，在火箭領(lǐng)域里，過大、過長就意味著不必要的死重，性能損失。
但是如果發(fā)動機燃燒室的壓力高，你就可以裝一個大噴管而不用擔(dān)心尾焰分層。所以，只要有高燃燒室壓力，氣尖引擎的優(yōu)勢就沒有了。（原文[23]）
這就是航天飛機主發(fā)動機設(shè)計師所做到的：超高燃燒室壓力使得主發(fā)動機在海平面和真空狀態(tài)下都很高效，而且不用擔(dān)心尾焰分層。猛禽發(fā)動機也類似，但擁有更高的壓力。（原文[24]）
星艦二級上的猛禽發(fā)動機采用了更大的噴管來進(jìn)一步提升比沖。氣尖引擎理論上可以在一級飛行的后期階段做到更好的比沖，但是對于二級飛行來說，氣尖引擎性能是比不過傳統(tǒng)優(yōu)化過的鐘形噴管。（原文[25]）
而且氣尖引擎在起飛時的比沖很糟糕。氣尖引擎最大的問題是，它最適合的應(yīng)用場景是單級入軌的航天器，但它通常很重，而單級入軌航天器恰恰對重量特別敏感。（原文[26]）
綜上所述，對于二級構(gòu)架的入軌運載火箭來說，如星艦，不管是旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機還是氣尖引擎都沒有比渦輪泵發(fā)動機有任何優(yōu)勢。實際上，性能甚至更糟糕，因為旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機和氣尖引擎都更重。（原文[27]）
再進(jìn)一步，連空射發(fā)射的能量效率都不如傳統(tǒng)火箭，因為空射需要把載具飛機提升到高空。事實上，空射火箭的質(zhì)量減少，完全被載具飛機的航空燃料質(zhì)量給抵消了。到最后，空射火箭總效率不如傳統(tǒng)火箭。（原文[28]）
傳統(tǒng)渦輪泵火箭發(fā)動機的優(yōu)異性能，再怎么強調(diào)也不過分。在最佳速度段，它的效率比航空發(fā)動機要好得多?；鸺l(fā)動機可以達(dá)到 50% 的熱力學(xué)效率！因為它有超高的內(nèi)部溫度和壓力，它能夠擴展到真空里。（原文[29]）
航空發(fā)動機的高效運行只能在低速情況下。即使如此，它內(nèi)部的溫度和壓力，比起火箭發(fā)動機要低得多，它和外界的壓力差，和火箭外界真空相比，小得多。種種因素使得航空發(fā)動機的熱效率僅僅為 30%。（原文[30]）
當(dāng)火箭飛行速度和火箭發(fā)動機尾焰速度一樣的時候，熱效率最高。這個速度范圍是 10 到 15 倍音速。而且，它們不用像航空發(fā)動機那樣在高阻力的稠密大氣層里運行，（原文[31]）
飛機本身通常占總重（注：原文用了 dry mass，干重，但結(jié)合上下文，筆者把它改為總重）的一半，而另一半里，是貨物和燃油各占一半。所以，等飛機到達(dá)目的地之后，整個過程中推進(jìn)的最大質(zhì)量，其實是飛機本身，而不是貨物。（原文[32]）
相比之下，多級火箭異常的高效。獵鷹 9 號的二級干重（注：4噸）只占整個入軌質(zhì)量的 20%不到。也就是說，80% 多的入軌質(zhì)量是載荷！這是非常高效的。（原文[33]）
這就顯示了質(zhì)量的重要性。如果你的單級入軌航天器 90% 的入軌質(zhì)量是航天器的干重，也就是說，載荷才 10%，那就等于把能量效率減低了一個數(shù)量級（10 倍）。所以，發(fā)動機干重極其重要?。ㄔ腫34]）
同時，重力損失和空阻也有很大的影響。入軌的速度增量[35]不是一個恒定的數(shù)值，如果能夠減少重力損失和空阻，你可能可以極大地減少入軌速度增量的要求，從 9.7 公里每秒減少到 9 公里每秒。（原文[36]）
一個好的航空發(fā)動機（注：這里指的是民航發(fā)動機）的推重比可以達(dá)到 5 左右。而火箭發(fā)動機，像獵鷹火箭上的梅林發(fā)動機，推重比可以做到瘋狂的 150！而功率重量比更是瘋狂，因為功率等于推力乘以速度。（原文[37]）
梅林發(fā)動機比航空發(fā)動機的推重比好 30 倍，功率重量比好 300 倍。猛禽發(fā)動機的功率重量比應(yīng)該也差不多（盡管猛禽的推重比低一點點，但它的速度更高，就把功率重量比值補償回來了）。（原文[38]）
由此可見，使用航空發(fā)動機的空射平臺并不能帶來更高的效率。理論上有可能在低音速的應(yīng)用中會有一點點幫助，但是一旦到了高倍音速，5 到 10 倍音速或 1.5 到 3 公里每秒，吸氣發(fā)動機的效率就完了，即使不考慮這類發(fā)動機干重的負(fù)面影響。（原文[39]）
如果把航空發(fā)動機的干重考慮進(jìn)去，它的效率優(yōu)勢估計只能在 3 倍音速以下才能體現(xiàn)出來?；鸺拇_在這個速度區(qū)間效率很低，但是這個區(qū)間只占了整個發(fā)射的極小一部分，火箭稍稍一發(fā)力，就飛過了這個區(qū)間。（原文[40]）
要設(shè)計一個能夠覆蓋到很寬的音速區(qū)間的航空發(fā)動機是一項異常困難的不可能任務(wù)，而且會極大地增加干重、死重。而火箭發(fā)動機則很容易做到。如果你的任務(wù)需要不停地加速，而不是巡航，那要在性能上擊敗火箭發(fā)動機是幾乎不可能的事情。（原文[41]）
在空射發(fā)射火箭的情況下，該系統(tǒng)可能可以找到一點點低壓力運行的優(yōu)勢，例如用一個吸氣航空發(fā)動機用來輔助火箭達(dá)到3 倍音速以下的低速，和 15 到 30 公里高度的低空。但這么做的成本很高。（原文[42]）
而且，這么做對于整發(fā)射的總效率沒有任何幫助。一個更簡單、而且更有效的做法是給火箭發(fā)動機在不同階段使用不同的燃料、氧化劑混合比?；鸺l(fā)動機一般都是富燃，而這些用來推動渦輪泵的富燃?xì)怏w，因為不充分燃燒就排放出去，引起能量損失。（原文[43]）
氧氣從能量角度來說是幾乎"免費"的。液氧超級便宜，可以從空氣中直接廉價地提取。而且液氧密度大，所以液氧儲罐相對來說干重更低。所以，在火箭一級運行的早期，用富氧混合比，盡管會降低比沖，但從能量角度來看會有優(yōu)勢。（原文[44]）
這些反對空射發(fā)射火箭的論據(jù)，對于旋轉(zhuǎn)離心力發(fā)射（SpinLaunch）同樣適合。這些發(fā)射輔助手段（空射，或旋轉(zhuǎn)離心力拋射）都只是為了發(fā)射的最初階段提供助力，而代價往往是干重增加，從而降低了總效率。（原文[45]）
因為，你在大氣層最稠密的高度上用 5 馬赫速度飛行，你就必須要有一個重型燒蝕型的氣動外殼來抵抗空氣摩擦產(chǎn)生的熱量。所有這些都很重，極大的降低了總效率。（原文[46]）
我（指推文原作者 Robotbeat）覺得，如果你的發(fā)射頻率超級高，那有可能可以找到有意義的亞音速發(fā)射輔助裝置的設(shè)計。但是即使是這樣，效率的增益是非常非常有限的。而且投資巨大。傳統(tǒng)火箭總是被低估。（原文[47]）
火箭估計可以把 25% 的化學(xué)能量轉(zhuǎn)換成軌道能量。這種效率，遠(yuǎn)超旋轉(zhuǎn)離心力發(fā)射（SpinLaunch）；遠(yuǎn)超任何單機入軌的空天飛機，如 Skylon 云霄塔空天飛機；遠(yuǎn)超空射系統(tǒng) LauncherOne。如果要發(fā)射去更高處，可以考慮另一種方法，從另一端進(jìn)行輔助。（原文[48]）
天鉤系統(tǒng)。它可以用來輔助發(fā)射過程中上面的部分。這種系統(tǒng)對于發(fā)射效率的提升是巨大的，遠(yuǎn)超那些騙人的把戲，像旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機，氣尖引擎，電磁軌道炮（這個尤其的差，因為各種問題，如軌道燒蝕等），和旋轉(zhuǎn)離心發(fā)射。（原文[49]）
筆者：解釋一下這個所謂的天鉤系統(tǒng)，有點像一個簡配版的太空電梯。如果我們能夠建造太空電梯，那什么效率問題統(tǒng)統(tǒng)不必再說，從此人類占領(lǐng)整個太陽系。但是太空電梯的最大阻礙在于電梯繩索的強度。因為太空電梯繩索太長，需要 3 萬 6 公里，用任何已知材料來制造這個繩索，它都會因為自身巨大的重力而斷裂。天鉤系統(tǒng)通過簡化和縮水來克服這個困難。因為人類沒有如此強大的材料能夠制作這么長的繩索，那為什么不制作一根短一點繩索呢？看圖[50]
想象一下，在地球近地軌道里運行著一個大質(zhì)量的空間站。而空間站的下方，懸掛著一根幾十公里長的超級繩索。這種長度的超級繩索，以現(xiàn)有人類科技是能夠制造得出來的。當(dāng)我們要發(fā)射相對于空間站來說較小質(zhì)量的載荷入軌時，我們可以將載荷發(fā)射到繩索的底部，連接固定好。這時，通過空間站的旋轉(zhuǎn)，將這根帶著載荷的繩索甩起來，將載荷"甩"進(jìn)軌道。
因為動量守恒，載荷獲得了新的動量進(jìn)入軌道，空間站就會損失同樣大小的動量。但是因為空間站的質(zhì)量遠(yuǎn)大于載荷質(zhì)量，所以空間站的速度損失不大，可以通過超級高效的離子推進(jìn)器，通過長時高效的推進(jìn)，把失去的動量補充回來。而空間站的離子推進(jìn)器的工質(zhì)可以通過傳統(tǒng)發(fā)射定期補足。
這就是等于把火箭發(fā)射中的一部分（上面部分），用更高效的離子發(fā)動機來替換；把火箭發(fā)射的短時間用離子推進(jìn)的長時間來替換。從而到達(dá)總體效率的提升。
當(dāng)然，這只是一個設(shè)想，沒有任何公司或國家機構(gòu)有已知的具體研究或計劃。是不是總體效率真有提升，也需要詳細(xì)計算。因為，補充空間站的離子推進(jìn)器的工質(zhì)需要傳統(tǒng)火箭發(fā)射補充，說不定到最后，半斤八兩。
但大家不應(yīng)該低估星艦。猛禽發(fā)動機就好像科幻一樣，和所有現(xiàn)有的發(fā)動機或任何入軌技術(shù)比起來，猛禽匪夷所思的好而且便宜。二級入軌是一個非常高效的構(gòu)架。（原文[51]）
Stoke 的做法也非常好，但不是因為他們采用了氣尖引擎，而是因為他們用了一個超低維護(hù)成本的主動式金屬隔熱防護(hù)盾。它非常令人興奮?。ㄔ腫52]）
但如果你一定要提高效率的話，還是看看天鉤系統(tǒng)。猛禽發(fā)動機因為它的超高室壓，使得它在效率上超過任何其他的把戲。液氧輔助的噴管推力變形技術(shù)也是一個很有意思的可以在一級火箭上試試的想法。我認(rèn)為，它聽上去比氣尖引擎強。（原文[53]）
亞音速發(fā)射輔助系統(tǒng)（類似于福特級航母上的電彈系統(tǒng)），加上采用液氧輔助的噴管推力變形技術(shù)的猛禽一級，加上超高壓氫氧二級，再加上天鉤系統(tǒng)，那將會是現(xiàn)在人類最高效的入軌發(fā)射系統(tǒng)。好了，我要去工作了。（原文[54]）
小結(jié)
不得不說，Robotbeat 對各種發(fā)射系統(tǒng)和其物理原理有著非常全面的認(rèn)識。當(dāng)然其中有些斷言可能有些偏頗（如對空射的評價，的確總效率可能不如，但是犧牲一部分效率來換取全球全天候發(fā)射，也有可取之處）；可能有些未經(jīng)計算，不一定是完全正確（如天鉤系統(tǒng)是不是真的總效率提升了）。但總體而言，他的結(jié)論筆者完全贊同?；鸺l(fā)射是一項非常非常成熟的技術(shù)，幾乎已經(jīng)推進(jìn)到了人類現(xiàn)有技術(shù)的極限。要想有效率提升，不是靠幾個小把戲就能夠搞定突破的。現(xiàn)在其他發(fā)射技術(shù)，可能還有一點點用途，在犧牲總效率的前提下，提高重復(fù)使用率用以降低成本，如 SpinLaunch, LauncherOne, Skylon，等等。但是可惜的是，它們自己還沒有成熟起來之前，還沒能做到提高重復(fù)使用率和降低成本之前，星艦就要來了。等到星艦全回收技術(shù)成熟，包括一級和二級的整體回收，那其他發(fā)射系統(tǒng)也就完全沒有任何機會了。
參考
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^關(guān)于火箭發(fā)動機比沖的基本知識：太陰女神：火箭發(fā)動機的比沖，是什么？?https://zhuanlan.zhihu.com/p/337766713
^https://twitter.com/Robotbeat/status/1699042465141903677
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^谷神星一號火箭?https://baike.baidu.com/item/%E8%B0%B7%E7%A5%9E%E6%98%9F%E4%B8%80%E5%8F%B7/23780732
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^旋轉(zhuǎn)震爆發(fā)動機比沖圖?https://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=54595.0
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^氣尖引擎?https://baike.baidu.com/item/%E6%B0%94%E5%B0%96%E5%BC%95%E6%93%8E/22809587
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^Skyhook 的原理圖?https://en.wikipedia.org/wiki/Skyhook_(structure)
^https://twitter.com/Robotbeat/status/1699059292824097100
^https://twitter.com/Robotbeat/status/1699059588778307614
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^https://twitter.com/Robotbeat/status/1699060645118005582
