作者：科學(xué)聲音吳京平

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猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)采用了全流量分級(jí)燃燒的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)相當(dāng)高效。海平面比沖334，真空比沖361，比煤油高一點(diǎn)，比氫氧機(jī)低一點(diǎn)，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(gè)疑問我們還沒有回答呢，甲烷會(huì)不會(huì)積碳結(jié)焦呢？其實(shí)上個(gè)世紀(jì)80年代末，我們也是做過相關(guān)實(shí)驗(yàn)的，甲烷、丙烷和煤油都可以當(dāng)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(dòng)機(jī)在斯坦尼斯航天中心測(cè)試預(yù)燃室

對(duì)于全流量分級(jí)燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)來講，富燃的預(yù)燃室產(chǎn)生高壓燃?xì)?，吹?dòng)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(huì)被變成液體甚至是氣體，碰到溫度低的東西就會(huì)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(shí)在是太復(fù)雜了。

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)大量使用了電腦模擬計(jì)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(diǎn)吧。

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)計(jì)劃是從2009年開始的，Spacex的一大特點(diǎn)就是最開始的設(shè)計(jì)方案和最終的成品之間差很大。最開始他們?cè)跉溲醢l(fā)動(dòng)機(jī)方面做了不少的而研究，目標(biāo)也是制造一個(gè)二級(jí)火箭用的發(fā)動(dòng)機(jī)，但是等到2012年正式宣布這個(gè)計(jì)劃的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)變成了液氧甲烷方案。而且也成了主力發(fā)動(dòng)機(jī)。

猛禽從2014年開始部件測(cè)試，分級(jí)燃燒嘛，預(yù)燃室能不能達(dá)到要求，這是可以先行測(cè)試的。猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)緊跟新技術(shù)。

圖：2016年9月25日，猛禽火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在德克薩斯州McGregor測(cè)試場(chǎng)首次測(cè)試點(diǎn)火

2016年9月份就進(jìn)行了完整發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試工作。到了2017年9月，他們完成了1200秒的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試，這是多次測(cè)試加在一起的結(jié)果，最長(zhǎng)的一次測(cè)試是100秒。

至此，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)是可以實(shí)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(diǎn)一點(diǎn)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(dāng)時(shí)馬斯克要造的是大獵鷹火箭，當(dāng)時(shí)叫這個(gè)名字。這是一個(gè)直徑10米量級(jí)的巨大火箭，豎起來跟航天飛機(jī)是一樣高的。最開始設(shè)計(jì)了3條可伸縮的腿，這個(gè)思維方式還是延續(xù)獵鷹9號(hào)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(dāng)當(dāng)?shù)恼咀。恍枰敲撮L(zhǎng)的腿，火箭尾巴上多了兩片機(jī)翼。

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

按照航天界的習(xí)慣，火箭當(dāng)然是要選擇又輕又結(jié)實(shí)的材料，不是鋁合金就是碳纖維。我看到馬斯克公布過一個(gè)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(cè)試，看看要多大壓力才能把這個(gè)大罐子給漲破。我當(dāng)時(shí)看著真是羨慕，人家碳纖維材料的性能真是好，美國(guó)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(jìn)低溫的液氧和液態(tài)甲烷，恐怕碳纖維會(huì)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(cè)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(guó)的軍迷對(duì)于不銹鋼材料用于航空領(lǐng)域，那是一點(diǎn)都不陌生。因?yàn)樵?0年代，蘇聯(lián)發(fā)生了一件大事兒。那就是蘇聯(lián)戰(zhàn)斗機(jī)飛行員別連科駕駛一架米格25戰(zhàn)斗機(jī)叛逃到了日本。

圖：別連科降落在函館機(jī)場(chǎng)，還沖出了跑道

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

美國(guó)一直對(duì)米格25戰(zhàn)斗機(jī)非常重視，因?yàn)橐陨腥嗽?jīng)發(fā)現(xiàn)這家伙能飛到3倍音速。美國(guó)人自己的SR71黑鳥偵察機(jī)也是能飛到3倍音速的，但是為了解決氣動(dòng)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(guó)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(jìn)口的，蘇聯(lián)是生產(chǎn)鈦金屬的大國(guó)。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(jí)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(guó)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(jī)

結(jié)果美國(guó)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(guó)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(jì)的。當(dāng)初美國(guó)造3倍音速的轟炸機(jī)XB70，也采用的是合金鋼。但是就因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的比較輕巧，飛行測(cè)試屢屢出問題。強(qiáng)度不夠。蘇聯(lián)人設(shè)計(jì)的機(jī)體結(jié)構(gòu)真是結(jié)實(shí)啊。

當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)人遇到了一個(gè)很嚴(yán)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(gè)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(dá)到3的話，蒙皮溫度就將達(dá)到300多度。可是鋁合金的熔點(diǎn)只有400~500度，要想保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jià)錢便宜量又足。在400度的高溫下，它也能保持強(qiáng)度，所以應(yīng)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(gè)不是一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以這也算是一個(gè)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?fù)魴C(jī)索性敞開了賣，伊拉克也是有米格25的。后來美國(guó)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(jī)身，發(fā)現(xiàn)這個(gè)東西還是真結(jié)實(shí)，居然壓不壞。

圖：宇宙神火箭軟掉

所以蘇聯(lián)人和美國(guó)人都是使用過不銹鋼材料的。早期美國(guó)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(qiáng)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(gè)火箭癱軟在發(fā)射臺(tái)上。

當(dāng)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(tuán)隊(duì)也是傾向于碳纖維的。但是他們發(fā)現(xiàn)自己的進(jìn)展非常緩慢，因?yàn)橛幸淮蠖褑栴}解決不掉。碳纖維每公斤的成本是135美元，而且會(huì)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(dāng)于200美金一公斤，而不銹鋼的最大優(yōu)點(diǎn)是足夠便宜1公斤才3美元，而且生產(chǎn)速度非常快，畢竟不銹鋼的焊接都是非常傳統(tǒng)的技術(shù)了。

當(dāng)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(huì)變脆，一敲就碎。比如說泰坦尼克號(hào)的鋼板就是因?yàn)楹蛄扛吡艘稽c(diǎn)，所以在低溫下就變得很脆，冰山一撞就碎掉了。這是一個(gè)非常慘痛的教訓(xùn)。

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(qiáng)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(jiān)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(shí)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(dá)到204度的時(shí)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(qiáng)度會(huì)降低，但是不銹鋼可以承受高達(dá)815~871攝氏度的高溫。

當(dāng)然，星艦火箭遇到的問題和航天飛機(jī)相似，都要從外太空以非常高的速度返回大氣層，航天飛機(jī)從外太空返回大氣層的時(shí)候和空氣摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，為了對(duì)付摩擦產(chǎn)生的高溫，航天飛機(jī)渾身上下掛滿了陶瓷瓦。在鼻子和機(jī)翼前緣還用了碳碳復(fù)合材料。這個(gè)問題馬斯克其實(shí)也會(huì)碰到，所以它的星艦火箭正對(duì)著氣流方向的半個(gè)身子掛上了陶瓷瓦。背面半邊兒就是光禿禿的不銹鋼，因?yàn)楸澈蟮臏囟炔桓卟讳P鋼本身也已經(jīng)足夠?qū)Ω丁?/p>

當(dāng)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(dòng)機(jī)的內(nèi)部其實(shí)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(shí)不敢確定。目前看來，發(fā)汗金屬這個(gè)方案算是放棄了，因?yàn)槟切┬】滓嵌铝司吐闊┝耍€是算了吧。

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

最終馬斯克的星艦火箭還是選用了不銹鋼當(dāng)做主要材料。按照他的習(xí)慣，首先要做個(gè)最簡(jiǎn)單的原型機(jī)來測(cè)試一下，這個(gè)原型機(jī)叫做星蟲。他最早制造的垂直起降實(shí)驗(yàn)火箭不是叫蚱蜢嗎？這不就是個(gè)蟲子嘛。星艦的原型機(jī)叫星蟲，倒是滿恰當(dāng)?shù)摹?/p>

這個(gè)火箭那叫一個(gè)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(qǐng)來負(fù)責(zé)不銹鋼焊接的公司是個(gè)造水塔的，讓美國(guó)那幫軍工大廠差點(diǎn)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(gè)又粗又胖的星蟲火箭還真的就像個(gè)三條腿的水塔。不過在我看來，這家伙是個(gè)會(huì)飛的煤氣罐，這才恰當(dāng)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(fēng)給吹癟了。干脆就不要這個(gè)尖頭了，整個(gè)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(gè)尖頭問題不大。

這個(gè)火箭安裝了一臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，這也是猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的首次實(shí)戰(zhàn)。2019年的4月5號(hào)，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開車，星蟲飛起1米高。這一次是系留實(shí)驗(yàn)?；鸺焕ψ?，不能高飛。就算為了測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)。這也叫靜態(tài)點(diǎn)火，馬斯克的老傳統(tǒng)了。

圖：“水塔”飛起來了

7月25號(hào)，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(shí)間。但是這已經(jīng)是里程碑了，星蟲火箭這么大的一個(gè)煤氣罐是可以飛起來的，而且可控。第三次是在8月27號(hào)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(chǎng)。至此，星蟲的使命勝利結(jié)束，這個(gè)巨大的煤氣罐就此退休了。不過呢，它還會(huì)發(fā)揮余熱，成為一個(gè)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)。也有人說，這個(gè)巨大的煤氣罐成了發(fā)射場(chǎng)存放燃料的儲(chǔ)存罐，這倒也不浪費(fèi)。

下一步是制造新的原型機(jī)，要在原來的基礎(chǔ)上再前進(jìn)一步。這一次馬斯克讓加州和德州的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)展開了競(jìng)賽。欲知后事如何，關(guān)注我，下回繼續(xù)說。