隨著獵鷹9號火箭一次又一次的發射和回收，曾經的神話一個個變成現實，追隨火星教主馬斯克的「信眾」已經越來越多，人類殖民火星已不再是科幻，而是近在咫尺的現實。然而，近在咫尺並不等於就一定能夠踏上紅色星球的地表，馬斯克的火星星艦要登陸火星，還有一個關鍵中的關鍵，這就是SpaceX正在全力打造的猛禽新火箭發動機。

猛禽發動機（Raptor）被稱為下一代火箭發動機技術，是最先進、最高效的「全流量分級燃燒發動機」，一旦研發成功，正如馬斯克所說，可將太空飛行的開銷降低兩個數量級，為人類殖民火星，探索深空走出革命性的一步。本月初，第一個全尺寸猛禽發動機已進行了首次地面點火測試，隨著震撼大地的巨大轟鳴，馬斯克在推特上宣布，猛禽燃燒室壓已達268.9 巴, 超過了令人敬畏的俄羅斯經典火箭發動機RD-180保持的紀錄！

全流量分級燃燒發動機技術被認為是火箭技術的「聖杯」，因為它可以從液體推進劑中榨取更多的能量，發揮更大的效率。前蘇聯和美國在幾十年前就對其進行了廣泛研究，然而到目前為止，還沒有出現真正使用這種燃燒系統的火箭發動機，因而被航空航天界認定為是「不可能」的技術。如果馬斯克真的能完成猛禽發動機的研發，將徹底擺脫獵鷹火箭低技術「矮窮矬」的帽子，一躍而成為「高富帥」的象徵，將所有航天大國包括NASA都拋在身後，徹底成為太空時代孤獨的領跑者。

為什麼全流量分級燃燒發動機更有效率，研發又如此困難呢？讓我們來看看這款火箭發動機的前世今生。

開放式循環引擎

此前的很多著名火箭，包括土星五號，聯盟火箭，甚至馬斯克正如日中天的獵鷹9號，都採用了開放式循環引擎，又稱燃氣發生器循環發動機，這項技術甚至可以追溯到二戰時納粹德國的V-2火箭。雖然這項技術取得了空前成功，但缺陷也是非常明顯，由於它必須用一部分燃料來驅動渦輪，產生的廢氣被直接排放掉了，導致燃料浪費，效率降低。這一點看看獵鷹9號使用的默林火箭發動機就知道了，旁邊那個噴著黑煙的噴口一直是馬斯克心中永遠的痛，也讓明星火箭獵鷹9號始終難以擺脫「矮窮矬」的屌絲形象。

尋找折衷方案

為充分利用預燃室燃燒產生的廢氣，提高每一滴燃料的效率，科學家們一直在積極想辦法解決這一問題。首先很容易想到的就是在預燃室中使用富含燃料的混合物，這樣沒燃完的燃料就可回到燃燒室重新燃燒。然而要命的是，這種方式容易產生積碳，堵塞噴注口，導致發動機發生爆炸。

前蘇聯科學家找到了一種折衷方案，他們沒有在預燃室中使用富含燃料的混合物，而是嘗試運行富含氧氣的預燃室。然而這個方案解決了積碳問題，卻又產生了一個更大的問題，因為富氧氣體在預燃室中產生了極高的溫度，沒有什麼金屬可以在裡面生存下來。美國科學家認為這種技術完全就不可行，但前蘇聯科學家最終掌握了建造渦輪機所需的冶金技術，開發出了幾種採用富氧預燃室概念的發動機，回收了一部分原本會被排放出去的推進劑。俄羅斯著名的RD-180發動機就是該技術的延續，美國迄今也不得不購買它用作宇宙神-5運載火箭的發動機。

而美國科學家則走向了另一個方向，他們放棄了含碳燃料，轉而使用氫作為燃料，就可以在現有金屬合金製造的預燃室中使用富含燃料的混合物了，這就是美國太空梭上使用的主發動機。太空梭退役後，這一技術被用在NASA和波音正在打造的太空發射系統（SLS）上，建造NASA有史以來最強大的火箭，預計會在2020年開始執行飛行。

全流量分級燃燒

不管是前蘇聯還是美國太空梭，無論是富氧還是富燃料，都沒有完全解決廢氣的浪費問題，而要徹底解決這個問題，就必須在同一發動機中同時使用富燃料和富氧的預燃室設計，這就是我們今天的主角——全流量分級燃燒發動機。

這種發動機有兩套獨立的渦輪機和預燃室系統，分別用於氧化劑和燃料的預燃燒，之後再導入燃燒室完全燃燒，以最大的效率產生推力。這種發動機的設計和測試都非常困難，但完全解決了開放式循環引擎的浪費，同時也不用擔心渦輪機和泵密封不好污染泵送的液體，渦輪機也可運行在更低的溫度環境里，減輕了渦輪葉片的壓力，延長了它們的使用壽命，另外也不會產生積碳，這在致力於可重複使用火箭開發的馬斯克看來尤為重要。

火星星艦全新發動機

事實上猛禽發動機並不是第一台全流量分級燃燒發動機，前蘇聯1967年就完成了RD-270全流量分級燃燒發動機的設計，在進行了幾次靜態點火測試後，由於美國已登月成功，這款發動機隨著整個計劃的取消而終止了。上世紀90年代美國政府再次表現出對全流量分級燃燒發動機的興趣，但NASA和美國空軍都沒有再選擇這一設計方案。

馬斯克的猛禽發動機自10年前開始研發，2月3日終於進行了第一次全尺寸發動機地面點火測試，時間為兩秒鐘，發動機在170巴的燃燒室壓下達到了額定推力的60%；2月7日，馬斯克在推特上宣布，測試引擎已經達到火星星艦所需功率水平，燃燒室壓為257巴，推力達172噸，打破了俄羅斯RD-180火箭引擎的推力紀錄；2月10日，馬斯克再次宣布，燃燒室壓已經達到268.9巴，離預期的300巴已相差不遠了。

猛禽發動機將用低溫液態甲烷與液氧作為推進劑，便於在火星上直接生產。馬斯克用於登陸火星的星際運輸系統由第一級超重型火箭（Super Heavy）和上面級火星星艦（Starship）組成，直徑9米，高達106米，可將40人送往火星。兩級火箭都由猛禽發動機提供動力，其中第一級火箭部署31台發動機，上面級星艦安裝7台發動機，都可達到完全重複使用的目標。

當然，猛禽發動機完成第一次點火測試只是邁出了第一步，未來還有很長的路，很多的問題需要解決，然而人類殖民火星的征途已經開始，猛禽發動機的成功不僅僅是馬斯克、SpaceX公司的成功，更是人類文明成為星際文明甚至宇宙文明的開始，讓我們祝福這一天儘快到來！

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