星虫完成悬跳功成身退，液氧甲烷猛禽发动机成最大亮点
融入人民生活，推动文明进步
——谈“航天+”的理念与实践设想
2015年3月，《卫星与网络》杂志在腾讯、搜狐、新浪、和讯等100多家网站与相关媒体重磅推出了“航天+”理念及系列专题共6篇深度阐述文章，并于2015年6月和7月分两次，刊发于《卫星与网络》杂志。为了持续不断地推广航天+的理念与实践设想，《卫星与网络》公众号自2015年起，持续多次将这些深度文章推送给各位读者，链接如下，期待交流：
8月28日早上6点，SpaceX公司在德克萨斯州最南部的小镇博卡奇卡进行了星虫的最新一次试飞。由于美国联邦航空管理局限制，它的飞行高度只达到了150米，随后星虫功成身退，但这却是液氧甲烷发动机发展史上的里程碑，标志着这种发动机的成熟。
星虫的最后一次试飞，虽然高度只有150米，飞行时间也只有大约57秒，却是人类液氧甲烷发动机发展史上的一个里程碑。火箭发动机上了试车台，进行50秒热试车都是研制中的一个里程碑，何况是猛禽发动机推动星虫上腾空而起飞那么久呢？
星虫乃至未来的星船和超重助推器，其核心都是新研制的大推力高性能猛禽发动机。说起猛禽这个代号，军迷们会首先想到美军的F-22A隐身战斗机，不夸张地说，SpaceX公司的猛禽发动机在液体火箭发动机中，正是相当于革命性的F-22A隐身战斗机那样跨时代的存在！为什么这么说呢，这就要从猛禽发动机使用的液氧甲烷推进剂组合和独特的全流量分级燃烧循环说起了。
F-22猛禽战斗机
我们对液氧煤油和液氧液氢推进剂绝对不陌生，我国新一代长征五号大火箭上就使用了这两种推进剂，液氧煤油推进剂便宜，综合性能也不错，液氧液氢推进剂比冲高，是长征五号B能一级半入轨的头号功臣。相比之下，液氧甲烷推进剂此前并没有得到多少关注，虽然各国研究机构不时冒出来研制液氧甲烷发动机的消息，但猛禽发动机却是第一种飞到天上的液氧甲烷发动机，而这不过是一家2002年建立的公司研制的第二代发动机，这个领域过去的冷清可想而知了。
以传统的眼光来看，液氧甲烷推进剂的确英雄无用武之地，因为传统的各种液体推进剂已经堵死了它的生存空间。火箭常用的肼基推进剂有毒有污染，比冲指标也只是平庸，但胜在常温可长期稳定存储，是早年液体弹道导弹的最爱，现在也是太空中各类卫星飞船和探测器的首选；液氧煤油推进剂中虽然液氧无法长期存储，也就在苏联R-7和美国Thor弹道导弹上昙花一现，但它却在运载火箭领域得到了广泛应用。毕竟航天发射不在乎快速发射，发射一推几天甚至一两个月都不是大事，但对降低成本却有很高要求。
偏二甲肼不仅价格是煤油的约30倍，剧毒和污染对生产运输加注都十分不利，会严重影响工作人员的身体健康，便宜无污染的液氧煤油推进剂自然得到广泛应用；液氧液氢推进剂的优点在于超高的比冲，它的理论比冲比液氧煤油推进剂高100多秒，而根据齐奥尔科夫斯基公式，提高比冲可以指数级的提高运载能力！不过液氢密度极低，需要巨大沉重的储箱存储，同时液氢不仅制取成本高，而且氢的存储运输和加注都麻烦多多，尤其是容易泄露引发爆炸，密度低易泄露的液氢即使在发动机中也要花费极大的精力处理，导致液氧液氢发动机研制难度高而且可靠性差，不过超高的比冲让它在火箭中仍占据一席之地。
与这些传统液体推进剂相比，液氧甲烷推进剂比上不足比下有余：它的比冲比液氧煤油高但却只高了约3%，但密度却只有液氧煤油的约78%，这就需要更大的甲烷储箱，带来更重的结构重量，研究认为使用液氧煤油和液氧甲烷推进剂，火箭运载系数基本一样。液氧甲烷的密度比液氧液氢高得多，但比冲却差的太多，仍有大约100秒的差距，综合下来运载系数会低得多。无论是面对综合性能基本一样但已经先入为主占据先机的液氧煤油，还是面对性能有压倒性优势而且已经得到应用的液氧液氢，液氧甲烷推进剂都处于下风。既然人类航天时代早期液氧煤油和液氧液氢发动机抢位成功早已占据主流地位，液氧甲烷发动机自然雷声不大雨点更小了。
世界总是在发展变化的，现在液氧甲烷发动机却成为火箭工业的新宠，美国正在研制猛禽发动机、BE-4等液氧甲烷发动机，中国也有以蓝箭、星际荣耀、九州云箭等一大批公司研制液氧甲烷发动机，中美诸多商业航天公司不约而同上马液氧甲烷发动机，是火箭重复使用复兴的必然结果。
重复使用航天运载器几起几落一直是航天专家们的追求，毕竟一次性火箭绝大部分成本并非推进剂，而且包括发动机、储箱、导航制导控制系统在内的箭体，只有重复使用才能革命性的降低航天发射的成本。重复使用的航天飞机并没有实现降低成本的预期，但新世纪SpaceX公司的猎鹰火箭重复使用第一级，还真降低了发射成本，再次带动了重复使用热潮的回归。猎鹰火箭使用梅林系列液氧煤油发动机，这种发动机本身并不是太适合重复使用，煤油作为推力室冷却剂始终存在结焦的问题，梅林发动机富燃燃烧又存在比较严重的积碳问题，可能导致涡轮堵塞影响发动机推力，而液氧液氢和液氧甲烷发动机就没有这样的烦恼。然而上文提到，液氢推进剂又贵又难用，甲烷是主流推进剂中唯一的选择，液氧甲烷发动机自然成为有志于火箭重复使用的航天公司的首选。
另外，值得一提的是，甲烷在价格上也有优势，是现在最廉价的主流航天推进剂，没有之一！就以中国国内的推进剂价格来说，偏二甲肼和液氢价格高高在上，比如液氢高达300元/千克，即使航天煤油也需要满足低硫等需求，要反复蒸馏精炼降低杂质，价格比普通煤油贵得多。另外并不是所有的原油都适合制取航天煤油，张贵田院士的文章曾提到我国航天煤油使用克拉玛依油田的高品质原油，加上航天煤油使用量很小只有特定公司少量生产，导致航天煤油又贵又不好买。根据《火箭推进》杂志的文章，航天煤油价格约15元/千克，而甲烷只有5元/千克，只有航天煤油的约1/3。火箭飞行时间才几百秒，但不要以为煤油和甲烷的价格差距只是一点小钱，液体火箭发动机的研制要进行数万秒试车，批量生产后还要进行验收试车，综合下来也是一大笔钱。对于没有历史负担的初创航天公司来说，液氧甲烷发动机既适合复用，而且发动机比冲还比较高，液氧甲烷推进剂价格又最便宜，也难怪它成为商业航天公司追捧的新宠了。
有趣的是，SpaceX公司这样有着丰厚的液氧煤油发动机经验技术的巨头，反而是最早转向研制液氧甲烷发动机的先驱。SpaceX公司选择液氧甲烷发动机，除了提高发动机的重复使用性能，提高发动机的比冲，以及降低发动机综合成本外，还有更重要的原因，那就是满足火星殖民的需求。火星上可挖不出石油，自然没法提炼出航天煤油，火星上倒是有水，但液氧液氢使用起来太麻烦和危险了，转了一圈SpaceX公司老板马斯克还是转向了液氧甲烷推进剂。火星上不仅有水，而且火星大气几乎全是二氧化碳，可以利用萨巴蒂尔（Sabatier）反应制取液氧和甲烷，作为火星飞船返程的推进剂。马斯克的火星飞船星船（Starship）选择了液氧甲烷推进剂，而配套的发动机就是星虫正在测试的猛禽发动机了。
猛禽发动机虽然是液氧甲烷发动机，但它使用了全流量分级燃烧循环设计，这是火箭发动机中当之无愧的王冠。液体火箭发动机的循环方式，通俗的说就是推进剂怎么输送到推力室里：最简单的方式就是挤压循环，也就是靠储箱压力把推进剂压过去，显而易见储箱压力不高，推力室的燃烧室压也受到限制，导致发动机比冲偏低；航天专家提出利用推力室和喷管的热量加热一部分推进剂，让它们推动涡轮泵做功，把其它推进剂送入推力室的方案，当然这部分预热的推进剂也会送入推力室，这就是膨胀循环方式。膨胀循环需要使用高比热容的液体，液氢是最好的选择，美国著名的RL10液氧液氢发动机，以及我国长征五号火箭上的YF-75D发动机都是典型的膨胀循环发动机。
发动机循环方式
推进剂输送还有另外的办法，就是让一部分推进剂在燃气发生器中预先燃烧产生燃气，推动涡轮泵把剩余的推进剂压到推力室里。燃气发生器中都是不充分燃烧，要么燃料更多（富燃）要么氧化剂更多（富氧），这样通过降低燃气发生器温度降低了工程难度。至于预燃燃气则有两种处理方式，一种是直接排放到大气或是喷管内，这样的的循环方式叫燃气发生器循环，另一种就是预燃燃气排入推力室继续燃烧，这就是俗称的补燃循环也就是分级燃烧循环。燃气发生器循环会消耗3%甚至更多的推进剂用于输送，但它的推力室室压一般比挤压循环高得多，拥有更好的比冲指标。不过燃气发生器提高室压会消耗更多推进剂，提高室压固然增加喷流的比冲，但消耗推进剂又会降低整体的等效比冲，所以室压也没法做的太高，比如液氧煤油发动机极限也就做到11兆帕左右。相比之下，分级燃烧循环可以充分利用推进剂，推力室也能做到更高的室亚，比如俄罗斯的RD-180液氧煤油发动机室压高达26兆帕，它的比冲也就比一般的燃气发生器循环液氧煤油发动机高得多。
RD-180-高压补燃液氧煤油发动机
全流量分级燃烧循环属于进一步的发展，这种循环中所有的推进剂都会在燃气发生器中预燃，只不过需要两个燃气发生器，其中一个富燃另一个是富氧，这种循环设计降低了燃气发生器的温度，有利于降低实现难度，同时两股燃气注入推力室燃烧，气气燃烧更充分更不容易出现不稳定燃烧现象，而且更容易实现更高的室压，综合下来拥有最高的比冲指标。SpaceX公司的猛禽发动机使用液氧甲烷推进剂，但加上全流量分级燃烧循环设计，最终还计划达到30兆帕的超高室压，其比冲也相当不错。海平面版猛禽发动机的海平面比冲能达到334秒，真空比冲361秒，而专门设计的真空版猛禽发动机真空比冲可达382秒，虽然和一般的液氧液氢发动机比如长征五号上的YF-77发动机的430秒比冲还有很大差距，但结合甲烷比液氧密度高的优势，综合性能差距已经不大了。
Starhopper发动机马赫环
SpaceX公司的猛禽发动机既是液氧甲烷发动机的开拓者，又是全流量分级燃烧循环的先驱者，可以说是液体火箭发动机中的猛禽战斗机。猛禽这样先进和高性能的发动机，自2016年缩比型号开始地面试车以来，到今年终于装上星虫开始实际试飞试验，如果说4月和7月跳得还不够高，现在星虫最后一跳150米，飞行时间约57秒，以无可辩驳的事实证明了它的成熟度，成为液氧甲烷发动机发展史上的里程碑。
星虫上地面摆动测试的猛禽发动机
星虫的成功给了马斯克很大的自信，他乐观的提到原型星船10月份能飞起来冲击20千米高度，不久后将冲击轨道（高度），或者说至少越过卡门线。马斯克的时间表一向做不得准，但未来即使原型版星船像星虫这样屡屡跳票，今年年底估计也能至少冲击几千米的飞行高度，飞行时间也将提高到一百多秒甚至更长，届时猛禽发动机将将迎来另一次大考。如果它能在明年成功推动原型版星船跨过卡门线，那更不会有人怀疑液氧甲烷发动机以及全流量分级燃烧循环的光明前途了。