21世紀 火箭發動機的新貴 甲烷火箭發動機為什麼受熱捧｜甲烷發動機｜SpaceX｜猛禽發動機｜BE4｜藍色起源｜複用火箭｜馬克時空 第36期

這期節目我來聊聊為什麼21世紀甲烷火箭發動機受到熱捧的話題，SpaceX星艦原型機和還沒有試飛的超級重型火箭，所用的猛禽發動機是為重複使用而全新設計的，並以液化天然氣（甲烷）為燃料；與此同時，藍色起源也在研發使用液氧和甲烷的發動機BE4，用於自家的新格倫火箭（New Glenn）和ULA的火神火箭（Vulcan Centaur）；中國的藍箭航天，也在研發天鵲80噸液氧甲烷發動機，並於2020年5月首次試驗成功。

0:00 21世紀甲烷火箭發動機受熱捧
0:48 為什麼以前不用甲烷做燃料
2:15 為何火箭發動機又以甲烷做燃料了呢？
5:03 推力面積比讓超級重型成為大力神
7:31 猛禽發動機和BE4的區別
9:47 全流量分級燃燒循環厲害之處

🚀 為什麼以前不用甲烷做燃料

上個世紀的50到70年代，是美蘇太空競爭時期，液體火箭發動機也在當時飛速發展，逐漸成熟。基本確定了氧化劑/燃料的組合，從最初有毒的四氧化二氮和肼類，逐漸進化到目前主流的液氧和煤油與液氧和液氫。

早期低溫儲運技術還不成熟，所以先用常溫穩定的四氧化二氮和肼類，然後才過渡到液氧和煤油，為了追求更高性能直接跳到液氧液氫了。

🚀 為何火箭發動機又以甲烷做燃料了呢？

主要原因是為了設計高性能的重複使用火箭。

從SpaceX開始回收複用獵鷹9號火箭以來，以低廉的成本和極高的可靠性，顛覆航天領域，且只用4年的時間，就拿下七成的商業發射市場。而火箭複用最難、最關鍵的就是發動機。

SpaceX在默林發動機成功之後，就開始考慮可以載人往返火星的航天器。

但是種種困難，都讓SpaceX無法用液氧液氫的組合，來研發新的發動機，於是甲烷這種比衝介於煤油和氫氣之間的氣體，沒有積碳問題、導熱性好，容易多次啓動和變推力調節的優點，就成了不二的選擇。

🚀 推力面積比讓超級重型成為大力神

SpaceX提出新的思路，不追求更大的推力，而是追求推力面積比的最大化。

SpaceX的超級重型火箭直徑9米，可以放進28台猛禽發動機，可以產生超過5千噸的推力，著實驚人。

SpaceX發動機的設計思路，就是發動機的尺寸要小、噴管直徑也要小，燃燒室的壓力要儘量高，這樣多台密集並聯，就能產生1加1大於2的效果。

🚀 猛禽發動機和BE4的區別

SpaceX從2009年開始研發猛禽火箭發動機，2016年9月首次全發動機點火測試。2020年8月，猛禽發動機在測試中，燃燒室壓力達到創紀錄的330大氣壓。

在SpaceX之後，藍色起源也想開發一款可以重複使用的新格倫火箭，於是2011年開始研發BE4發動機，BE4的設計推力大約250噸 。

猛禽發動機和BE4發動機都採用甲烷作燃料，但燃燒循環模式大不相同。

猛禽發動機採用了全流量分級燃燒循環（FFSCC）模式，是一款推重比超過200的發動機；BE4發動機的設計則較為保守，採用富氧分級燃燒循環模式，推重比只有73。

🚀 全流量分級燃燒循環厲害之處

分級燃燒循環主要目的是提高燃燒室室壓，配套使用更大膨脹比的噴嘴，提高發動機的比衝。

全流量分級燃燒循環是分級燃燒循環的進化版本，氧氣和燃料分別由各自的動力渦輪泵供壓，並有兩個預燃室：富燃預燃室、富氧預燃室。

全流量分級燃燒循環的所有燃料和氧氣都要通過預燃室，成為高壓氣體，這樣在主燃燒室裡，氣體容易均勻混合，燃燒更容易穩定。

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