猛禽发动机将俄罗斯和竞争对手的心烧化了,猎鹰会上猛禽吗?
俄罗斯有一款型号为RD-180的火箭发动机,它曾经是火箭发动机的王者,在的猛禽发动机诞生之前,它一直保持着燃烧室压的世界记录!
1996年,RD-180火箭发动机更是成功打进了洛克希德马丁公司内部,成为了洛马最新型号火箭宇宙神5号一级火箭的动力之源。20多年过去了,俄罗斯拿得出手的火箭发动机还是RD-180,美国老牌火箭发射商ULA(联合发射联盟,由洛马和波音组成)的主力火箭依然是宇宙神5号,俄罗斯一直在吃苏联的老本,美国火箭经历了王者级别的土星5号以及划时代意义的航天飞机之后,最终停留在了传统的宇宙神5号身上,有开倒车之嫌疑!
2002年,马斯克的横空出世!截至2020年8月30号,猎鹰系列火箭已完成了100次发射的壮举!的主力火箭发动机型号是梅林1D,跟RD-180相比,梅林1D在各方面都是个弟弟,其燃烧室压只有大约97bar,连RD-180的一半都不到。
此时有朋友可能会疑问道:
“燃烧室压到底是个什么东西?它对火箭发动机的性能有何影响”?
现在基帝就给大家简单聊聊火箭发动机的工作原理以及燃烧室压。
火箭发动机能够产生推力的理论依据是牛顿的第三定律,简单来讲就是相互作用的两个物体之间会存在大小相等方向相反的作用力与反作用力。现在主流的化学火箭发动机有两个大的部件组成,一个是强度很大的燃料燃烧室,另一个是与燃烧室相连的发动机喷嘴。火箭点火之后,化学燃料比如煤油甲烷以及液态氧被喷射到燃烧室里点燃,二者会瞬间产生大量的高温废气,燃烧室里的大气强度与温度会瞬间飙升,这些废气冲出燃烧室的渠道只有一个,那就是跟燃烧室相连的发动机喷嘴,当高温高压的废气从发动机喷嘴被喷射出的那一刻,废气与燃烧室之间就产生了作用力与反作用力,燃烧室由于其封闭性给了不断膨胀的废气朝向发动机喷嘴的作用力,与此同时,这些被喷出的废气也就给了燃烧室背向发动机喷嘴的反作用力,燃烧室再将这股反作用力施加给整个发动机及其与之固定的火箭,火箭整体便有了背向于发动机喷嘴的作用力,也就是咱们常说的发动机推力。
燃烧室废气与燃烧室之间的这股作用力与反作用力的相互关系不会受到外界条件的影响,所以即使在真空中,这股相对作用的力依然存在,这也就是火箭在几百上千公里的真空中依然能够前行的原因。
了解了上述火箭发动机产生动力的原理之后就不难得出一个结论:燃烧室里废气的压强越大,这股作用力与反作用力也就越大,火箭发动机的推力相对的也就越大,所以在衡量一台火箭发动机的性能时,常常会提及到室压这一重要指标。室压或者大气压强的单位是Pa(帕),1MPa(1兆等于)等于10bar,反过来就是1bar等于帕。海平面的标准大气压强是,也就是大约1bar。如果对帕或bar没有一个形象的理解,这里还可以采用另外一个单位psi(每平方英寸多少磅,1bar大约等于14.7psi)。动物的咬合力常会用到psi这个单位,比如大白鲨的理论咬合力可达,折合成bar就是大约,与RD-180的室压很接近,人的咬合力大约是,折合成bar仅有10bar多一点而已,在火箭发动机室压面前完全不够看。
谈了这么多理论之后咱们言归正传,虽然的主流火箭发动机梅林1D在RD-180面前是个弟弟,但梅林已经有了一位巨石强森级别的大哥,那就是猛禽火箭发动机。猛禽是专门为星舰设计和研发的,前段时间单台猛禽发动机托举着星舰SN5这个高达40米的大家伙进行150米跳跃的画面依然让人印象深刻,因为猛禽发动机的身材相较于SN5完全不成比例,但猛禽就是猛禽,力如其名,其在2019年2月的一次测试中便达成了的室压,“大幅领先”RD-180达1%!后续又接连创造了、的世界记录,一举将RD-180打趴下并狠狠的在地上摩擦了一下,基本奠定了未来十几年其火箭发动机之王的地位!
谈到猛禽发动机的杰出性能表现,基帝突然想起了一位粉丝的私信,他咨询了我这样一个问题:
“猛禽发动机如此优秀,会不会将其猎鹰9号和猎鹰重型火箭的发动机升级为猛禽呢?”
关于这个问题,基帝将马斯克曾经发表的关于猛禽和猎鹰火箭的相关内容过滤了一遍,马斯克只提及到了一点,相较于梅林发动机,猛禽发动机的清洁工作更好做。这个很好理解,因为梅林烧的是煤油,猛禽烧的是甲烷,多插一句,猛禽以甲烷作为燃料的核心原因是为了能够在火星上提炼出甲烷,为星舰返航提供燃料,甲烷完全燃烧之后只会生成二氧化碳和水,当然比烧油的更方便清洁。至于猎鹰系列火箭是否会升级为猛禽发动机,马斯克没有明确表示过。
其实关于这个问题基帝带大家仔细分析一下便能得出一个结论:猎鹰系列火箭不会将其发动机升级为猛禽,原因有四:
其一:猎鹰9号一级火箭捆绑了9台梅林1D,猛禽的推力大约是梅林的3倍,但体格相较于梅林大了不少,那么猎鹰9号捆绑几台猛禽发动机合适呢?如果为了达成相似的推力,3台猛禽就够了,这就需要改造猎鹰9号一级火箭的发动机连接平台,于是乎就是产生牵一发而动全身的蝴蝶效应,比如至少装载煤油的燃料仓也更新为装载甲烷的燃料仓。
其二:假如猎鹰9号可以方便的将9台梅林发动机更换为3台猛禽发动机,接下来就会面对一系列棘手的问题,三台或四台猛禽发动机能否提供火箭回收时对矢量推力多样化调整的需求?一级火箭 Burn和Entry Burn的时间节点及持续时间需要做怎样的调整?这一系列潜在的问题势必会迫使对猎鹰9号的控制系统进行调整。
其三:马斯克是个务实的人,务实体现在只要能够解决问题满足当前的需求就好,就他的为人性格而言,他大概率不会支持为猎鹰系列火箭升级猛禽发动机,他喜欢将自己的精力着眼于未来及新事物上,可以说他是一个“喜新厌旧”的人。
其四:在航空航天历史上好像没有出现过为已服役的火箭更换发动机的先例,因为火箭在设计之初就需要拿出一套完整的方案,火箭的每一个部件之间都是经过详细计算、设计并最终整合在一起的,意思就是有一种“木已成舟”的感觉,虽然马斯克常常天马行空,但火箭最基本的设计规律他肯定是知晓并会严格遵守的。
所以基于上述四个理由基帝认为,马斯克宁可拿着猛禽发动机研发一款新的火箭比如猎鹰10号,也不会推倒以前的成果基于猎鹰9号打补丁!航天领域,可靠性至上,不然俄罗斯和ULA也不会死抱着RD-180不放,其实暂时的被人按在地上摩擦也不见得是件坏事,因为中国有句成语叫作知耻而后勇,落后不可怕,务实的奋起直追就是了,您认同吗?
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