马斯克SpaceX公司研制的星舰是人类迄今为止规模和推力最大的火箭,但这款火箭还没有服役,因为试飞阶段还没有结束,还没有将任何有效载荷升入太空,然而据最新消息显示,它所用的“猛禽发动机”已经升级到第三代,并且制造出厂了!
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8月2日,SpaceX公司公布了刚制造出来的猛禽V3发动机(Raptor V3),这也是这款发动机的首次整体亮相,其造型看上去非常简洁,上面布置的管线已经减少到仅剩几根管子,但是发动机的推力却已经上升到280吨,超过了贝佐斯蓝色起源公司研制的 be-4发动机(海平面推力240吨),是当今世界上推力最强的液氧甲烷发动机。
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猛禽发动机是马斯克SpaceX公司专为星舰打造的全流量分级燃烧循环发动机,研发立项于2012年,以液氧甲烷为推进剂,采用了全流动燃气发生器循环技术,相较于传统火箭发动机,这个模式能使燃料与氧化剂在燃烧前得以充分气化,进而强化了燃烧效果与发动机性能,可以显著提升效率与推力。
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虽然从立项启动至今才不过12年,从第一台研制出来到第三代升级完成,也只经历了短短的4年时间,首次在火箭上使用至今也才一年多,但猛禽发动机已经进行了两次迭代。
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从第一代的250个大气压(燃烧室压)、185吨推力,到第二代的300个大气压230吨推力,再到第三代的360多个大气压、269吨推力。猛禽发动机不断刷新记录,充分展示了SpaceX在推进液氧甲烷发动机技术领域的深度探索与持续优化能力。
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猛禽V3发动机的首次点火试验其实早在去年5月12日就进行过了,当时SpaceX公司官方以及马斯克推特都表示猛禽发动机的3.0版进行了首次热试车,试验中燃烧室热值达到了有史以来火箭发动机的最高值,燃烧室压力达到了约345.5个大气压,发动机推力达到了269吨,试验中持续稳定工作了45秒。
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而如今公布的该型发动机的推力是达到了280吨,说明它在技术上又有了进步。如此强劲的推力,不单是液氧甲烷发动机中的佼佼者,也超过了世界上绝大多数的火箭发动机的推力值。
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我国正在研制的长征十号运载火箭将要使用的YF-100K液氧煤油发动机的推力大致为130吨,还不到猛禽V3发动机的一半儿。而我国长征九号超重型火箭使用的发动机将是和猛禽发动机同等级的液氧甲烷和液氧煤油发动机。
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单从推力上看,这又是一个相当大的进步,猛禽第二代发动机的推力为230吨,星舰首次试飞就使用了这种发动机,直接抛弃了一代猛禽发动机,也可见其在发动机技术追求上的决心。
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如今猛禽发动机的迭代又使推力在第2代的基础上增加了50吨,增加幅度高达21.7%,着实让人惊讶。
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通常火箭发动机推力主要通过提升燃烧室压力来实现。第一代猛禽发动机刚研制出来时,燃烧室压力为250个大气压,发动机推力为185吨,相对于世界上其他火箭发动机来说已经是一个了不起的成就了。
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而如今通过两次迭代,燃烧室压力达到了370个大气压,推力暴涨到280吨,比第一代增加了95吨,推力提升幅度高达51.3%,史上还没有哪一款火箭发动机做到过这些。
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星舰这款超级火箭的一级助推器安装了33台发动机,在使用二代猛禽发动机的时候,其推力高达7590吨。如果星舰33台发动机都换成猛禽V3发动机,那么星舰的一级助推器总推力将高达9240吨,距离1万吨的推力已经不远了,相当于可以将一艘驱逐舰推到半空中。
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而且马斯克还表示星舰的升级版本其一级助推器发动机台数还会增加,很快就会增加到35台,届时其一级总推力将达到9800吨,是美国阿波罗登月所使用的土星5号超重型火箭推力的3倍,美国航空航天局SLS太空发射系统推力的2.6倍,苏联N1火箭推力的2.2倍,苏联能源号火箭推力的3倍。堪称是世界首款“万吨巨箭”了。
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和我国当前最大的运载火箭长征五号相比(推力1062吨),新一代星舰的推力要超过9发“胖五”,我国正在研制的长征九号2023年版本的设计推力为6118吨,只有星舰推力的62.4%,可见差距还是很明显的。
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但前面所讲的发动机推力还只是它的海平面版本使用时的推力,真空版推力则更大,第二代猛禽发动机的真空板推力就比海平面板多了30吨,而去年第三代猛禽发动机测试时真空版推力可达304吨,如今其海平面板推力上升到280吨,比去年试验时提升了11吨,如今它的真空板推力也提升了2吨,为306吨,推重比或可达215,在世界上所有的发动机中可谓是独一档的领先。
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那么280吨就是猛禽发动机的推力巅峰了吗?其实马斯克表示猛禽发动机还会继续升级,目前已知至少会升级到四代,也就是说这款发动机将来还会升级,第四代猛禽发动机海平面推力应该在300吨以上,真空版推力应该在330吨以上,星舰助推器的总推力将超过1万吨。
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从猛禽发动机的历次升级也能看出,它首先是大幅度提升了燃烧室室压,使得发动机拥有了更强的推力,其他方面的改进是将多个零部件整合为一个部件,这样可以减少发动机赘余部件,比如第二到第三代的升级就是将发动机总重量减少了100多公斤,推动比则进一步提升。
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另外一个较大的改进是将矢量控制装置由第二代的液压驱动装置升级成了电驱动装置,使得发动机的安全和稳定性更强了。
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星舰其实是一款在发动机使用上非常简略的火箭,它的上下两级都只使用了“猛禽”这一种发动机,使用液氧甲烷做燃料,燃烧后生成水和二氧化碳,这使得它的燃烧室中基本不会结焦积碳,所以可以重复使用,每台发动机的复用次数都可达20次以上,那么星舰也将可以多次使用,新的猛禽发动机也将助力星舰都是在开创新的航天时代。
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