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Musk 贴文展示首个「量产版」的 SpaceX Raptor 引擎

已抵达德州进行测试,为装入 Starship Hopper 进行准备。

Andy Yang
2019 年 2 月 1 日, 下午 05:30

SpaceX 的新火箭 Starship/Super Heavy 的成败,有一大部份压在了其极度先进的引擎「Raptor」上。稍早 Musk 在推文上贴出了「量产版」Raptor 引擎抵达德州 McGregor 测试中心的照片,不出意外的话,在进行测试后如果一切正常的话,它将会被装在 Starship Hopper 上,进行第一次的「实战」测试。

Raptor 之所以称为世上最先进的引擎,是源自于它采用的「全流分级燃烧循环(Full Flow Staged Combustion Cycle)」架构。火箭设计当中最伤脑筋的部份,就是如何为燃烧室供应足够的燃化剂和燃料 -- 火箭引擎燃烧的速度是如此之外,如果不用专门的涡轮泵来喂送的话,根本供应不及。由于涡轮泵必需在高温、高压的环境下运作,如何保证它能安全、有效的运转,就衍生出了许多种的「燃烧循环」,每种都在造价、可靠性、和效能上,有着不一样的取舍。

像 SpaceX 现有的主力引擎 Merlin,采用的就是一种称为「燃气发生器(Gas Generator Cycle)的循环,将一部份的燃料导入另一个燃烧室,专门供涡轮机来使用。这些烧完的废气会不通过火箭引擎的主燃烧室,直接从旁边倒入外界,所以虽然构造简单,但有一部份的燃料就这么浪费掉了,因此在效率上会略差一些。更先进一点的设计,称为「分级燃烧循环」,并分成「富油(Fuel-rich)」和「富氧化剂(Oxidizer-rich)」两种。这两种方式都是将油料或氧化剂先在预燃室里加热来推动涡轮,再送进主燃烧室,但差别在于富油是在以燃料为主的情况下,加入少许氧化剂;而富氧化剂自然就是在以氧化剂为主的情况下,加入少许燃料了。富氧化剂分级燃烧循环的效率要高一点(燃烧更完全),但对于管道的耐受性要求更高。Blue Origin 的 BE-4 引擎就是富氧化剂分级燃烧循环的设计。

至于 Raptor 则是再更进一步,富油、富氧化剂两条路线同时进行(所以称为「全流」),由燃料输送线路和氧化剂输送线路各自推动自己的涡轮机,并让两边的输送泵相互支援输出。这样的设计不仅燃烧效率是最高的,而且因为有两个涡轮机在分担工作,所以各别涡轮机的压力较小,损耗也会少一点。然而它的缺点也是显而易见的,也就是管线变得无比复杂,而且单个引擎的成本奇高。在以前火箭引擎基本上都是用一次就丢的情况下,实在没有开发全流分级燃烧循环引擎的意义,过去也仅有美国、前苏联各设计了一款「纸上」引擎,从来没有进入实物阶段,因此打从一开始就以多次使用为目标的 SpaceX,倒是在这里拔得了个头筹。


从图上我们除了可以看到 Raptor 和一团面条没两样的复杂管路之外,在另一张图中也有位被遮住的仁兄,让我们可以大概估算它的大小。据推估,它的高度约在 4m 左右,喷嘴直径则大约是 1.5m。对于后者目前的争议较大,因为 Musk 明确表示 Super Heavy 上最多可以用到 31 个 Raptor 引擎,究竟要怎么排列才能塞进 31 个,目前还有点谜。所幸的是,Starship Hopper 上反正只准备先装三个 Raptor 来做测试,SpaceX 应该还有的时间来研究吧。

据 Musk 透露,目前的 1780kN 推力 Raptor 引擎算是一种为了让 Starship 能早日升空,而不得不开发的一个「折衷」版本。未来它将特化成真空专用(380s+ Isp)和海平面专用(2225kN)两种类型。

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