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星舰有望今年上半年发射?中国没干成的事,美国要抢夺第一了吗?

SpaceX的星舰实现重大突破,目前已经完成湿彩排!

所谓的湿彩排就是全箭演练,除了不点火之外,其他流程都和正式发射流程一样,如果在湿彩排过程中没有发现太大的问题,基本上火箭就快要发射了,所以星舰进入湿彩排环节,也代表着星舰有很大的概率在今年上半年完成首飞。

如果星舰首飞成功,将很有可能创造一项历史: 全球首款发射成功的液氧甲烷火箭。

其实,这个记录原本应该属于中国民营企业的“朱雀二号”,它在去年12月发射,可惜的是只差临门一脚没有成功,没能成为全球首款发射成功的液氧甲烷火箭。

那中国没干成的事,SpaceX的星舰能干成吗?

猛禽发动机:能帮助马斯克实现梦想的发动机

星舰,是有史以来最强最大的太空飞行器,它是由一级助推器“超重”和上面级“星舰”飞船组成,高120米,比划时代的土星五号还要大, 最高可发射300吨有效载荷 ,马斯克准备用它实现载人登陆火星的梦想。

如果星舰发射成功的话,它将成为全球运载能力最大的火箭。而能够满足星舰如此大推力的“功臣”,就是猛禽发动机。

之前SpaceX都是使用梅林发动机发射火箭,可是想要载人登陆火星,梅林发动机显然不够用了。

首先是梅林发动机使用的是液氧煤油,煤油在地球上容易获得,可火星上哪里有石油啊,即便地下有石油也难以开采,开采了也无法提炼,所以使用液氧煤油作为燃料,需要火箭发射时携带着来回的燃料,这必然会增加火箭的发射质量。

火箭发射质量越高,需要消耗的燃料就越多,最后就陷入了恶性循环, 携带了一大堆燃料,可火箭的有效载荷却没增加多少。

其次,梅林发动机使用的是开式循环,预燃室产生的废气会直接排放到外界,而这些废气中含有大量没有完全燃烧殆尽的燃料,这些燃料都白白浪费了,想要用梅林发动机进行行星探索,显然不行。

马斯克想要实现载人登火的梦想,就需要一款新的发动机,而星舰使用“猛禽发动机”就是这样一款优秀的发动机,在很多航天爱好者眼里,猛禽发动机就是目前全球最强的火箭发动机。

想要实现载人登陆火星,就必须要考虑将人类再从火星上送回地球,如果只是一场有去无回的旅程,反倒是没啥意义了。

马斯克想要实现载人登陆火星,就需要考虑从火星上补充燃料,可是火星上没有石油啊,就算有也没法开采,没法提炼,所以液氧煤油火箭被淘汰。

液氧液氢火箭非常优秀,而且在火星上可以电解水生成氧气和氢气,使用氢氧发动机可以实现载人登陆火星了吧?

其实也不行,因为液氢的密度实在是太低了,想要满足从火星到地球的旅程,需要特别大的一个罐子储存液氢,而大罐子又占据了一定的发射质量,这又消耗了太多的燃料。

更重要的是,液氢和液氧需要极低的温度储存,火星上难以制备液氢。而且液氧液氢温差非常大,对储存条件和火箭要求非常高,所以氢氧发动机也不行。

使用液氧甲烷就不一样了,首先在火星上也能制备甲烷,目前人类的探测器已经在火星上发现了冰,而且火星大气中还含有二氧化碳,这样就可以将二氧化碳和水还原成甲烷和氧气。

其次,甲烷的密度比液氢高多了,不用制作那么大的罐子,减少了火箭的结构质量。甲烷和液氧的温差也没那么大,隔热措施不用那么严苛。

更重要的是,马斯克想要短时间内多次发射星舰,这就要求星舰具备可重复使用的能力,而液氧甲烷作为燃料的话,又摆脱了液氧煤油容易产生的结焦、积碳的问题,所以液氧甲烷火箭成为了航天新宠儿,猛禽发动机其实就是液氧甲烷发动机。

全流量分级燃烧:理想中的循环方式

液氧甲烷发动机有很多,比如:中国民营企业的“天鹊”发动机,蓝色起源的BE-4发动机等,可为啥说猛禽发动机才是目前全球最先进的发动机呢?

这就不得不提到猛禽发动机的循环结构了。

液体火箭循环结构分为4种:

开式循环:预燃室中燃烧过的燃料会直接排放到外界,所以开式循环效率更低。

闭式循环(富氧):所有的氧气都会经过预燃室,燃烧后的废气排放到主燃烧室,好处是不浪费燃料,但缺点是会产生高温,绝大多数金属都无法抗住如此高的高温,必须要特殊的合金。

闭式循环(富燃):所有的燃料都经过预燃室,燃烧后的废气排放到主燃烧室,好处是不浪费燃料,但缺点是如果使用煤油,煤油会产生结焦、积碳,一般都是氢氧发动机使用这种循环方式。

全流量分级燃烧:这是效率最高的一种循环方式,它有两个燃烧室,一个富燃、一个富氧,所有的氧化剂和燃料在进入主燃烧室之前都要经过预燃室,因为预燃室提前预燃加热,在主燃烧室时燃烧会更充分,效率更高。

全流量分级燃烧虽好,可也是制作难度最高的循环方式,一直以来,这种循环方式的发动机都是存在于纸面上的“理想发动机”。而如今猛禽发动机就是采用这样的循环方式,有一种理论走向现实的感觉。据媒体报道,为了造出猛禽发动机,SpaceX至少炸毁了20多个发动机。

虽然正在研发的液氧甲烷火箭有很多种,但是循环方式都不同,其中中国的TQ-12使用的是开式循环,蓝色起源的BE-4采用的是富氧燃烧。

从循环方式上来看,虽然都是液氧甲烷火箭,但是SpaceX的猛禽数据要更胜一筹,单台海平面推力230吨。单从推力上来看,猛禽似乎并没有想象的那么优秀,不过猛禽个头比较小,33台猛禽装到星舰一级上之后,海平面推力达7600吨,是“土星五号”推力的两倍还要多,将成为史上推力最大的火箭。

目前SpaceX已经开始对星舰进行湿彩排,湿彩排检查没有问题之后,再经过几次测试和准备,就可以正式进入到发射阶段,如果首发能够成功的话, 星舰将完成中国没干成的事,成为“全球首款发射成功的液氧甲烷火箭”。

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