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液氧 從梅林到猛禽，為何馬斯克認為去火星必須用液氧甲烷發(fā)動機？

作者：科學聲音吳京平
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馬斯克在擁有了金牌火箭獵鷹9號之后，又用三枚獵鷹9號第一級做捆綁的方式發(fā)展出了重型獵鷹火箭，這個火箭近地軌道運送能力達到了60噸，目前還是我們地球上現(xiàn)役的最強火箭。
但是，馬斯克的目標不是簡單的發(fā)發(fā)衛(wèi)星，而是奔著去火星的。現(xiàn)有的重型火箭根本就不夠去火星，必須開發(fā)更大的火箭。你想啊，去火星肯定要搞多級火箭，一級一級地扔太麻煩了，而且肯定很貴。你要想回收，難度就太大了。一級火箭能回收，那是因為一級火箭根本沒達到第一宇宙速度，會走拋物線落回地表。二級火箭就不行了，通常二級火箭會達到第一宇宙速度。
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圖：獵鷹9號第二級的殘骸
前幾天，外媒炒作我們的長征5B火箭一級的墜落問題。我還專門做了節(jié)目。大家有興趣，可以回顧一下。其實獵鷹9號的二級火箭殘骸也曾經(jīng)掉在了一個農場里，沒燒光，還多少剩了一點殘骸。二級火箭雖然是入軌了，但是速度并不算快，而且?guī)装俟锔叩奶眨鋵嵍喽嗌偕龠€有少量的大氣分子，也還是會產(chǎn)生阻力。繞的圈數(shù)多了，還是要掉下來的。比如說，國際空間站其實每天都會下落100米左右，有飛船對接上來，那就順便推一把，速度一上去，軌道就會升高一截。
也就是說，二級火箭還有少許回收的可能性。盡管技術難度比一級火箭大得多，畢竟速度比一級火箭快了不少。可是三級火箭怎么辦？土星五號是登月火箭，第三級的速度達到了11.2公里/秒，已經(jīng)達到了地球的逃逸速度，再也回不到地球上了。你怎么回收呢？不行的。
所以，馬斯克在設計去火星的運輸系統(tǒng)，就必須簡化流程。火箭只能用兩級的，其實本質上有點類似于航天飛機了，也就是第二級也要能從太空里返回地球降落，或者是直接落在月球上，直接落在火星上。只要兩級就夠了，不能再多了。
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圖：最右邊的就是馬斯克的星艦
那也就意味著，這枚火箭是超級的大，比土星5號還要大好多。預計一級火箭重達3500噸，二級火箭重達1200噸。這么大的火箭，拿梅林發(fā)動機去并聯(lián)是不可能的。必須造更大的發(fā)動機，即便是大發(fā)動機，也仍然需要并聯(lián)一大捆。單臺發(fā)動機的推力達到300多噸，這也就不小了。比我們的yf100大了兩倍多。這樣的發(fā)動機，需要并聯(lián)28臺，才能把這么大的一顆火箭推起來，總推力達到8500噸左右。
馬斯克是這么考慮的，一級火箭把二級火箭送進太空，然后自己飛回去，回收再利用。二級火箭靠自己的力量就能飛去月球，如果要去火星，那就不夠了。必須同時發(fā)射兩枚巨型火箭。一艘運人運貨，一艘當加油機，在太空里邊，兩枚巨型火箭屁股對著屁股，對接加油。加油機回地球著陸，另一艘巨型火箭去火星，然后直接降落。
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要從火星上回來，那就直接開著巨型火箭飛回來。從月球上回來也是一樣，直接開著飛回來，只是去火星是需要在火星基地補充燃料的。這些燃料必須是在火星上就地生產(chǎn)出來的。一切都要以這個流程為標準，來設計火箭和發(fā)動機。
一個大問題就擺在大家的面前，火星上有石油嗎？不知道，反正現(xiàn)在是沒有。火星上有煉油廠嗎？沒有，這都不靠譜兒。
那么如何在火星上生產(chǎn)燃料呢？辦法還是有的，那就是在火星上找到水源，比如說地下的冰，NASA的探測器的確在火星上發(fā)現(xiàn)了冰。火星大氣之中有二氧化碳，再加上水，那就可以利用電作為能源，用一些催化劑，想盡辦法把二氧化碳和水還原成甲烷和氧氣，用甲烷來當做燃料。
當然，也可以直接電解水，生成氫氣和氧氣。氫也能當燃料，比沖非常高，燃燒熱值也高。但是氫氣實在是不好伺候，分子太小了，密度太低，重量沒多大，體積倒是不小，作為星際航行，燃料罐要很大，工程設計實在是太難了。所以，還是甲烷好一點。
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圖：煤油、甲烷、液氫的密度對比
馬斯克的團隊綜合考慮了很多很多的因素，確定了甲烷火箭這個方案是可行的，而且是綜合下來的最優(yōu)解了。首先，煤油的密度是813克/升，液態(tài)甲烷是422克，液氫是70克，液氫的密度低得令人發(fā)指。
不管是液氧煤油火箭，還是氫氧火箭，還是液氧甲烷作為燃料，液氧是跑不了的，就以液氧為標準，完全燃燒的話，1克煤油要搭配2.7克液氧。一克甲烷要搭配3.7克的液氧，1克液氫要搭配6克的液氧。

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