火星殖民与发动机：SpaceX的雄心

时间：2014-05-27 07:23:14 来源：作者：

SpaceX公司的塞隆人“监工”：）

SpaceX 公司负责推进系统的副总裁和创始人之一的汤姆．穆勒（Tom Mueller）已经透露该公司正深入开发第一种全流量甲烷液氧火箭发动机，这种发动机绰号猛禽，9台这种极为强大的发动机装在一个或者三个芯级上将用于 SpaceX公司超重型运载火箭（SHLV）未来前往火星的任务。

猛禽发动机的历史

SpaceX公司已经证明他们生产的发动机极具创意，尤其在开发和制造成本上更是咄咄逼人，同时，尽管他们的技术很新颖，但是多少都有一定的验证基础。

装有默林（灰背隼）1C发动机的猎鹰9 v1.0（版本1.0）型运载火箭

测试中的猎鹰9 v1.1（版本1.1）型运载火箭第一级

测试中的默林（灰背隼）1D发动机

比如，先进的默林（灰背隼）1D发动机有着商用领域最高的推重比，有着美国有史以来最高效的RP－1燃气发生器，还可能有着世界上最好的推力／成本关系，但这个燃气发生器是基于最基本的涡轮泵输送系统火箭发动机循环工作。事实上，该公司一直在为其火箭发动机以及推进器发展最简单的循环方式和推进剂。可是，对于更高要求的任务，很可能需要更高技术的方式来实现，特别是对于火星殖民体系而言，需要一种可完全重复使用的火箭技术。

2010年7月30日，在美国航空航天学会（AIAA）联合推进会议上，SpaceX公司的麦格雷戈火箭开发设施主管汤姆．马库斯克（Tom Markusic）提供了两个系列的两级探索型发射器和为它们量身订造的两种新型火箭发动机在计划初始阶段的信息。

SpaceX公司的猎鹰运载火箭家族与土星V运载火箭的对比

默林（灰背隼）2发动机方案

土星V运载火箭的F1发动机

这两型火箭分别是直径6米的猎鹰X和直径10米的猎鹰XX，其中第一种发动机是一种带燃气发生器循环的煤油／液氧动力发动机，它可能甚至比土星V号火箭（用于阿波罗登月）上的F－1发动机更为强大，这种发动机将用于猎鹰X和猎鹰XX的第一级，被称为默林（灰背隼）2的这种发动机，预计海平面推力将有170万磅，真空推力可达192万磅，作为此种发动机中最高效的一型，它的比冲（衡量推进剂使用效率的标准）甚至好过目前的默林（灰背隼）1D发动机。

猛禽发动机方案

可是最有趣的莫过于猛禽发动机，它打破了SpaceX公司的传统，这种发动机引入了一种新的推进剂和一种新的发动机循环模式。

喷气飞机洛克达因公司RL10－B2发动机

测试中的美国航天飞机RS－25发动机

生产的RS－25发动机

猛禽发动机开始被设计为一种分级燃烧的液氢液氧发动机，真空推力15万磅，比冲470秒，以作为超重型火箭的上面级。经过真空优化，类似于强大航天飞机主发动机RS－25的迷你版，无论在效率（470秒 Vs 465秒）还是推力（15万磅 Vs 2.5万磅）上，猛禽都能够击败当前最高效的发动机－喷气飞机洛克达因公司的RL10－B2。

对于一家专注于低成本的公司来说，这条发展轨迹令人意外，因为这需要处理低温液氢（华氏零下423.17度／－423.17°F／20.28开尔文）的专业知识，这远冷过液氮（华氏零下321度／－321°F／77开尔文）、液氧（华氏零下297.33度／－297.33°F／90.19开尔文）或者液态甲烷（华氏零下258.68度／－258.68°F／111.66开尔文）。

氢也有一种脆化金属的作用，作为推进剂，它需要该公司当前使用的RP－1／液氧（RP－1／LOX）燃料箱（SpaceX公司从他们猎鹰1时代起就开始使用）的三倍量。而且还要考虑到在发射台必须实现一套双燃料地面供给与支持设备，这将显著增加运营成本和开支，而这正是该公司创始人埃龙．穆斯克（Elon Musk）一直以来力求避免的。

可是，在当年晚些时候，埃龙．穆斯克公开表示，那些介绍是基于“灵光一闪”和“各种设想的探讨”，马库斯克不久后离开了公司，这引起了大家对他公开资料行为的更多猜测。

SpaceX 公司正认真考虑使用分级燃烧甲烷发动机的第一个线索来自2011年5月，当时该公司在回复美国空军可重复使用助推器系统高推力主发动机的信息需求时首次提及这一方案。美国空军的需求指定了一组性能要求，这只能由极高性能的分级燃烧发动机所提供，比如俄罗斯的AJ－26－500或者RD－191，在需求中指定采用煤油和液氧作为推进剂。

SpaceX公司问及计划主管是否对他们设计和计划向其它客户提供的发动机有兴趣，以及是否使用RP和甲烷推进剂（可能连同飞行测试）是一个可以接受的回应。

由于该计划指定的推力范围是30万磅到50万磅，海平面最小比冲300秒，这就意味着SpaceX公司必须提供一种与默林（灰背隼）系列完全不同的发动机。

在后来的会议中，特别是2012年和2013年，埃龙．穆斯克指出未来火星殖民计划采用的推进剂将是液态甲烷与液氧，相关的事实是希望它可以从火星获得，这相比于液氢也更容易存贮和处理，比RP－1／LOX组合的体积只增加27％，燃料罐和推重比可以保持在一个最佳尺度上，他也提到将采用分级燃烧循环发动机。

此外，埃龙．穆斯克还介绍了神秘的MCT项目，后来发现这是火星殖民运输舰的缩写（Mars Colonial Transport），这个系统准备每次运输100名殖民者，可以完全重复使用。

而到了2013年第二季度，一些消息表明猛禽发动机已突变为一种65万磅推力的分级燃烧甲烷／液氧发动机。

一些推测指出，2010年俄罗斯可重复使用发射火箭MRKN研究竞争（已经解决了45万磅推力），两家主推进器公司各自提出了一种煤油和一种甲烷类型的分级燃烧发动机，即动力机械科研生产联合体（NPO Energomash）的RD－191发动机（煤油燃料）和RD－192发动机（甲烷燃料），以及化工自动化设计局（KbKhA）的RD－0162发动机（甲烷燃料）和RD－0163发动机（煤油燃料）。评估的第一个结论是甲烷是最好的推进剂选择。

在大多数行业中，煤油和甲烷的性能基本相同，尽管煤油有一点优势，但是甲烷被认为更有效。此外甲烷还有更好的重用性，而煤油会结焦，所以需要富氧化剂燃烧，这会对涡轮泵系统造成相当的腐蚀与侵害，对于煤油在发动机里燃烧后的残留物需要昂贵的清洗甚至是重制。甲烷则可以通过燃料预燃来运作，基本上已经没有结焦问题，而且有着更好的冷却特性，如果从液化天热气来使用，它是最便宜和最丰富的燃料。

根据评审的信息，RD－0162实际运行推力可以达到133％，即提供60万磅的推力，所以无论是俄罗斯还是SpaceX公司都决定了非常相似的推进剂解决方案。

SpaceX 公司为猛禽批准了一个研发测试项目，这将在斯坦尼斯航天中心进行，该公司升级E－2测试台使之具备处理甲烷燃料的能力，他们的工程师们已经了解测试台的升级已接近完成，尽管现在还不清楚猛禽的硬件何时在此测试，可是在2月19日，汤姆．穆勒在加利福尼亚州圣巴巴拉主题为“探索新领域：空间商业化腾飞”的一次企业论坛上已经表示猛禽现在变成了一种100万磅级的全流量液态甲烷／液氧发动机，海平面比冲321秒，真空比冲363秒。

穆勒确认每台10米直径的9台猛禽发动机将用于火星殖民运输舰，他说：“我为自己能参与这个发动机项目而感到自豪。”重要的义在于，SpaceX公司现在完全踏入了未知的领域。

只有两种全流量项目进行了测试台实验，一种是动力机械科研生产联合体格鲁什科（Valentin Glushko）的RD－270，另一种是洛克达因／喷气飞机公司的集成动力验证器。从某种意义上来说，猛禽似乎与那些项目在目标上有一些交集。

以前的的全流量发动机：

土星V与N1的对比图

在登月竞赛的年代，N－1与OKB－1（科罗廖夫的第一试验设计局／后来的能源火箭航天公司）首席设计师谢尔盖．科罗廖夫（Sergei Korolev）与OKB－456（现在的动力机械科研生产联合体）首席设计师格鲁什科有一个严重的意见分歧，关键点在于谁将为火箭提供第一级主发动机。

科罗廖夫的副手瓦西里．米申（Vasily Mishin）对发动机规格提出过于先进的要求有所怀疑，而坚持采用煤油或氢与液氧配合作为推进剂。格鲁什科已经提供了一种最先进和最强大的发动机，但采用的是剧毒的自燃推进剂，他在这上面很有经验，特别是在分级燃烧循环上，这场争论后来发展到了科罗廖夫与格鲁什科关起门来争吵的地步，从此以后他们两人之间再也没有说过话。

N1火箭

科罗廖夫将设计的N－1发动机交给了生产飞机涡轮的库兹涅佐夫设计局（OKB－276），格鲁什科则找了科罗廖夫的对手弗拉基米尔．切洛梅（Vladimir Chelomei）的设计局（OKB－52），他们提出了UR－700项目用于登月。

美国国家航空航天局（NASA）的土星V运载火箭准备发射阿波罗4号任务

格鲁什科UR－700方案

UR－700M是一种1万6千吨的怪物，即便是其它的巨型火箭如土星V在它面前也相形见绌，这种火箭将能使苏联征服火星，这也正是SpaceX公司希望猛禽能做到的。

RD－270发动机

为了驱动如此一个项目，格鲁什科决定采用最先进的涡轮泵循环输送发动机（全流量或者全分级燃烧），使用偏二甲肼与四氧化二氮组成自燃推进剂。这种带一个喷口的RD－270发动机，海平面推力140万磅，比冲301秒，真空推力150万磅，比冲322秒。不仅仅是苏联造过的最强大的单个喷口，而且它在海平面的推重比达到惊人的127，主燃烧室压力更是达到闻所未闻的26.6兆帕，即便是动力机械科研生产联合体最新的RD－191也难以企及（RD－191主燃烧室压力25.7兆帕）。

从1967年10月23日到1969年7月24日，RD－270进行了测试台测试，22台发动机总计进行了27次点火，虽然克服了最困难的问题，但是不稳定的问题一直没有得到解决，最后与UR－700项目一同被放弃。但是直到今天，相对于所有的分级燃烧或全流量分级燃烧发动机，RD－270依然保持着最大的单个喷管推力记录。

测试中的集成动力验证器（IPD）

另一个全流量发动机项目是集成动力验证器（IPD），作为一种25万磅的发动机，它是美国国防部（DOD）／美国国家航空航天局（NASA）综合高回报火箭推进技术（IHPRPT）项目的一部分，这个计划的目的是测试有高回报价值的技术，这将比航天飞机主发动机有更高的性能，但是使用寿命只有200次。为了兼容美国发动机的传统技术，它使用液氢／液氧作为推进剂。

集成动力验证器的主承包商是洛克达因，但是喷气飞机公司负责关键的富氧预燃室和喷管通道壁，IPD项目还发展了静压轴承。

当前的涡轮泵转动转子或者滚珠轴承，由于在旋转中会产生热量和磨损，进而对接触的材料造成损害。静压轴承使用涡轮泵自身的流体浮动来泵入高压液体，它的优点在于减少了磨损（只在启动时有磨损），显著增加了使用寿命，延长了任务期，但是，假如你用其它推进剂元素（即氧化剂气体连带液体燃料或者反之）的热气体运行涡轮，它会发生爆炸。

所以，这种技术特别适合于氧化剂与燃料完全独立的涡轮泵系统，反过来由于不要求内部密封，还消除了一个失败模式。在气体发生器和分级燃烧系统中，必须在燃料和氧化剂间设置密封，任何密封失败后果都是灾难性的，而使用分离的独立系统则消除了风险。

突破性的特点是，每个涡轮由其自身的推进剂有效输入，可以有多得多的涡轮功率，这样的功率可以用于提升主燃烧室的压力并提升整体性能，或者用于冷却气体，提供分级发动机相同的性能，但是材料应力少的多，所以可以显著降低材料疲劳或重量。另一个好处则在于，较低的压力通过泵送系统，不仅增加了寿命，而且减少了风险和灾难性故障的影响。

由于SpaceX公司痴迷于重复使用性，所以猛禽发动机与IPD可能有着相同的目标。