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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？( 二 )


你會發(fā)現(xiàn)火箭除了發(fā)動機就是燃料罐，液氧煤油火箭，煤油是個小罐子，液氧是個大罐子。到了氫氧火箭，液氫絕對是個超級大罐子，比液氧的罐子大五倍，這就是超低密度帶來的問題，罐子太大，也就加大了結(jié)構重量。用甲烷的話，罐子比煤油大了40%，但是和液氧罐子大小差不多，比較平均。綜合下來是劃算的。
甲烷還有一個好處，液態(tài)甲烷的溫度-161度，液氧是-183度。煤油是常溫儲存，不同的煤油凝固點不統(tǒng)一，大概也就零下40多度吧，液氫是-253度。反正液氧和煤油的溫度差達到了-200度左右。液氫和液氧的溫度也差了將近70度。也就是說，液氫會把液氧凍成大冰坨子，液氧也會把煤油給凍成固體，這倆燃料罐是盡量不要做成背靠背。要想減輕結(jié)構重量，做成共底儲箱，難度相當大，起碼要解決保溫的問題。
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？
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圖：共底儲箱
但是，液氧和甲烷的溫度差不多，甲烷的冰點是-182度，比液氧的沸點-183度恰好高了一絲，沒關系，這點溫差稍微采取一些保溫措施就能解決。這樣，我們就可以把燃料罐做成一體的，中間加個隔板隔開，一邊放液氧，一邊放甲烷。這就是所謂的共底儲箱。這就是液氧甲烷作為燃料帶來的一個額外的好處。共底儲箱變得比較省事兒。液氧煤油或者是氫氧要做共底儲箱也不是不行，但是代價比較大。
那么，最關鍵的是液氧甲烷發(fā)動機的性能怎么樣呢？發(fā)動機的一個非常重要的指標就是比沖。比沖的上限是由燃料決定的。理論極限，液氧煤油發(fā)動機是370，液氧甲烷是422，氫氧發(fā)動機是532。但是，實際上沒有那么高，RD180是著名的液氧煤油發(fā)動機，海平面比沖也才311，真空比沖338。航天飛機的發(fā)動機是最出色的氫氧發(fā)動機，海平面比沖366，真空比沖才452。
可想而知，甲烷發(fā)動機的性能也就在氫氧發(fā)動機和液氧煤油發(fā)動機之間。不高不低，海平面比沖能有330多，也就能滿足馬斯克的需求。
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圖：宇宙神5型火箭發(fā)射X37B的時候，二級火箭的尾焰擴散很快
我們這里補充說明一下，火箭發(fā)動機噴出去的燃氣當然是越快速膨脹效率越高，這樣熱能才能充分轉(zhuǎn)化成機械能。但是，在大氣層之中，因為大氣壓的存在，所以噴出去的高溫燃氣無法徹底的擴散，還是被大氣壓給束縛住的。所以，比沖會低一點。你看火箭發(fā)射的時候，尾部的火焰都是常常的一條，那就是因為噴得快，擴散的慢，所以是一窄條。但是二級火箭發(fā)動機在真空里燃燒，尾焰就不是一長條了，而是一個大喇叭口。噴的快，橫向擴散也很快，就成喇叭口了。所以，咱們看火箭發(fā)射還是要看門道。不能只看熱鬧。我還有視頻節(jié)目專門介紹了不同火箭的不同尾焰，大家可以搜出來看看。
既然燃料選擇了甲烷，工程師們發(fā)現(xiàn)，如今的世界上連一個成熟的甲烷發(fā)動機都沒有。SpaceX只能靠自己設計了。
我們不得不再來稍微復習一下有關火箭發(fā)動機的基本知識。最開始，火箭發(fā)動機就是把燃料擠進燃燒室，一燒一噴就完了，跟噴燈差不多。但是，后來發(fā)現(xiàn)供不上這么多的燃料。布勞恩的辦法是用雙氧水催化分解，產(chǎn)生高溫高壓氣體來吹動渦輪泵，把燃料供給燃燒室。這就是V2火箭采用的招數(shù)。
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圖：電子號起飛重量只有10噸
這種設計需要使用額外的雙氧水，太麻煩了，后來大家都不這么干。但是新西蘭的電子號火箭也是采用了外置能源驅(qū)動燃料泵的技術，只是他們用的是鋰電池+電動泵的辦法，這個技術用在小型火箭發(fā)動機上還是可行的，電子號只有10噸，專門用來打小衛(wèi)星，很輕，可以用降落傘回收，結(jié)構簡單倒是真的。因為這個電動的泵和燃燒徹底沒關系。其他的火箭發(fā)動機的燃料泵都是有復雜的關系的，所以才會這么麻煩。
再復雜一點的設計是膨脹循環(huán)，就是讓燃料繞著噴口內(nèi)壁轉(zhuǎn)圈流動，用噴口給燃料加熱，產(chǎn)生高溫高壓，然后推動一個燃料泵來往燃燒室里快速輸送燃料，這就是所謂的膨脹循環(huán)。
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圖：梅林發(fā)動機的燃氣發(fā)生器廢氣排放口濃煙滾滾，大量燃料被白白浪費了
再進一步，用少量的燃料和氧化劑放到一個專門的燃燒室里去燒。然后用廢氣吹動渦輪泵，往燃燒室里輸送燃料。這種就叫燃氣發(fā)生器。獵鷹9號用的梅林發(fā)動機就是這種模式。要是燃料充分燃燒，溫度能高達3000度，渦輪泵葉片根本受不了。為了降低溫度，只能加大燃料的量，到那時氧氣只給一點點，這樣沒有完全燃燒的燃料就會帶走大量的熱。不至于讓溫度太高，還在渦輪泵的耐受范圍之內(nèi)。但是，燃料不完全燃燒，實在是太浪費了，所以燃氣發(fā)生器的比沖是不高的，耗油量大。這種模式也叫開式循環(huán)。

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