「氣尖發(fā)動(dòng)機(jī)不僅開(kāi)發(fā)和研究成本高，風(fēng)險(xiǎn)大，且收益不比傳統(tǒng)，更加可靠的鐘形發(fā)動(dòng)機(jī)。一個(gè)普遍共識(shí)是，這不值得?！?/p>

知乎上有個(gè)帖子主題是「如何評(píng)價(jià) SpaceX 的 2020 年?」，一條回答似乎答非所問(wèn)，但也道出了 SpaceX 收獲頗豐的原因——「火箭做好了，做什么都順利。」

不管是星鏈計(jì)劃，載人龍飛船，或是移民火星的各種項(xiàng)目，SpaceX 給一眾「追隨者」的最好啟示是，想要在太空做些很酷的事情，就必須降低火箭發(fā)射成本，讓航空航天成為一門(mén)真正的「商業(yè)」。

SpaceX 通過(guò)發(fā)展運(yùn)載火箭的可重復(fù)使用技術(shù)，將發(fā)射成本進(jìn)一步降低。2015 年底，當(dāng) SpaceX 首次成功回收一級(jí)火箭，埃隆·馬斯克說(shuō)這是他人生中最棒的時(shí)刻。但是不知道大家有沒(méi)有好奇過(guò)，多級(jí)助推真的是最高效的解決方案嗎?

其實(shí)早在上世紀(jì) 60 年代，科學(xué)家就在研究是否存在一種在所有大氣壓環(huán)境下都能使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。也就是氣尖噴管(也稱氣動(dòng)塞式噴管)發(fā)動(dòng)機(jī)。但要理解氣尖噴管比傳統(tǒng)的鐘形噴管使進(jìn)入太空成本更低效率更高，還得先看看火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。

氣尖發(fā)動(dòng)機(jī)，能改變什么?

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理是作用力和反作用力，自帶的推進(jìn)劑(能源)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形成高速射流排出從而產(chǎn)生推力。

火箭運(yùn)轉(zhuǎn)要達(dá)到最高效率，離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的氣流壓力，要?jiǎng)倓偟扔谥車髿鈮?。這很好理解，只有這樣，氣流完全向火箭運(yùn)行方向的「正反向」推，一旦氣流壓力高于周圍大氣壓，會(huì)向四周膨脹散射，這部分沒(méi)能給火箭提供升力，屬于浪費(fèi)。

而低于周圍壓力的超音速流體會(huì)形成沖擊波，形成壓縮——膨脹——壓縮——膨脹的循環(huán)現(xiàn)象，也是俗稱的耀眼的「馬赫環(huán)」。這不僅是效率低下的表象，如果周圍大氣「擠進(jìn)」噴嘴太多，沖擊波和瞬間壓力峰值造成氣流分離(flow separation)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致噴管結(jié)構(gòu)破壞等后果。

傳統(tǒng)火箭常用鐘形噴管，其主要起到「加速器」的作用。為了加快相同質(zhì)量的氣體通過(guò)噴管的速度，實(shí)際上可以通過(guò)縮小中部「窄喉」尺寸。然而氣體到達(dá)窄喉時(shí)，流速已經(jīng)超過(guò)音速，反而遵循截面越大，流速越快的原則，因此要擴(kuò)張噴嘴壁，氣流在整個(gè)鐘形噴管中是先收斂再擴(kuò)散。所以噴管效率對(duì)于噴管的「幾何形狀」有很大的依賴。

然而噴管是要在一開(kāi)始就設(shè)定好的，只能在一個(gè)高度達(dá)到最高效率。隨著火箭升空，無(wú)法兼顧在不同氣壓環(huán)境下既高效，又安全。所以傳統(tǒng)火箭多使用多級(jí)設(shè)計(jì)，達(dá)到一定高度時(shí)，第一級(jí)脫落，接著由下一級(jí)助推。

但這種火箭設(shè)計(jì)真的是最優(yōu)解嗎?

正如埃隆·馬斯克常說(shuō)的那樣，高達(dá) 70% 的發(fā)射成本用于了助推階段。大口徑的真空發(fā)動(dòng)機(jī)起飛階段無(wú)用，卻占了很大一部分重量，完全屬于浪費(fèi)，而關(guān)于一種能在任何氣壓環(huán)境下使用的新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想，早在上世紀(jì) 60 年代就出現(xiàn)了。

氣尖發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)結(jié)構(gòu)的改變調(diào)整了燃?xì)鈬姵龊蟮呐蛎洜顟B(tài)，使其「自適應(yīng)」不同高度的環(huán)境背壓(阻力)，與同一量級(jí)的鐘形噴管發(fā)動(dòng)機(jī)相比，氣尖噴管使得發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力被最大化利用，攜帶更少的推進(jìn)劑意味著會(huì)降低火箭發(fā)射成本。

相比鐘型噴管，氣尖結(jié)構(gòu)并非噴管包裹著氣流，氣流是一個(gè)「半受限」?fàn)顟B(tài)，外側(cè)是自由膨脹邊界，內(nèi)側(cè)受到壁面約束，產(chǎn)生推力。位于海平面時(shí)，較高的周圍氣壓將氣流推向噴嘴壁，隨著高度升高，氣流所受壓力變小，氣流自動(dòng)形成一個(gè)「虛擬」的口徑變大的噴嘴。以此適應(yīng)不同氣壓環(huán)境，因此也被稱為(海拔)高度補(bǔ)償噴管。

而根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)模塊的不同組合方式，氣尖發(fā)動(dòng)機(jī)分為環(huán)排型和直排型兩種。從理論上來(lái)說(shuō)，氣尖發(fā)動(dòng)機(jī)可以代替對(duì)于分級(jí)火箭的需求，實(shí)現(xiàn)單級(jí)入軌。

效率和成本的悖論

洛克達(dá)因早在 1959 年就開(kāi)始了研究，希望用更先進(jìn)的氣尖噴管用于土星五號(hào)，被命名為 J-2T(T 代表 torroidal，環(huán)排型)。洛克達(dá)因「借用」了性能更為優(yōu)異的 J-2S(真空發(fā)動(dòng)機(jī))的推力室抽氣循環(huán)、改進(jìn)的渦輪泵系統(tǒng)，但是在 20 個(gè)月的預(yù)研工作結(jié)束后，J-2T 仍有較多的工程實(shí)踐問(wèn)題沒(méi)有解決。

外媒 everyday astronaut 比較了上述發(fā)動(dòng)機(jī)在「理論上」的性能表現(xiàn)，「除了在推重比上，J-2T 從其他指標(biāo)上是比 J-2S 更有信服力的選擇?！?/p>

90 年代，美國(guó)贊助洛克希德馬丁開(kāi)始「冒險(xiǎn)之星」計(jì)劃的研發(fā)——單級(jí)入軌、可重復(fù)性使用、無(wú)人駕駛的航天器目的是取代航天飛機(jī)。研制成功的話，預(yù)計(jì)可使發(fā)射成本降低 90%。為此，洛克希德馬丁先縮小尺寸(二分之一)研發(fā)驗(yàn)證機(jī) X-33，采用 XRS-2200 氣尖噴管發(fā)動(dòng)機(jī)。NASA 為此投入了 9.2 億美元，事故頻發(fā)讓投入變成無(wú)底洞，該項(xiàng)目在 2001 年終止。

就連資金充足的 NASA 也是如此，更別說(shuō)家底不厚的創(chuàng)業(yè)公司。2014 年，在 SpaceX、藍(lán)色起源和維珍銀河都待過(guò)的 Tom Markusic，成立了螢火蟲(chóng)太空公司(Firefly Aerospace)。為了降低「上天」的成本，Markusic 直接研發(fā)的就是氣尖噴管，但是過(guò)于陡峭的技術(shù)路線很快拖垮了螢火蟲(chóng)。再次拿到投資時(shí)，它果斷拋棄氣尖噴管發(fā)動(dòng)機(jī)理念，轉(zhuǎn)向傳統(tǒng)鐘形火箭，「團(tuán)隊(duì)后來(lái)移除了所有花哨的設(shè)計(jì)，采用了商人的思路?！孤?lián)合創(chuàng)始人 Max Polyakov 說(shuō)道。

2019 年底，總部位于新墨西哥州的 ARCA 測(cè)試氣尖發(fā)動(dòng)機(jī) LAS 25DA，用于 LAS 火箭上。ARCA 也是為數(shù)不多的目前研發(fā)氣尖噴管的公司之一。更早時(shí)候，這家公司就稱正在研發(fā)和測(cè)試單級(jí)入軌 Haas 2CA 火箭，同樣使用氣尖發(fā)動(dòng)機(jī)，業(yè)內(nèi)評(píng)論稱「目前完成度已經(jīng)很高了」。如果成功，正如 ARCA 所說(shuō)，該火箭將成為首枚「完整」進(jìn)入低地球軌道的火箭。也是第一個(gè)使用氣尖發(fā)動(dòng)機(jī)升空的火箭。

既然氣尖火箭可以降低火箭發(fā)射成本，阻礙其半個(gè)世紀(jì)無(wú)法落地的原因又是什么?

曾經(jīng)研究氣尖火箭的 Vector Aerospace 在 2016 年發(fā)了一條聲明，其實(shí)可以很好的總結(jié)這一原因：「氣尖噴管性能優(yōu)異，但是零部件數(shù)量的增加意味著在推重比相同的情況下，要比傳統(tǒng)鐘形噴管更重，同時(shí)對(duì)可靠性要求更高?！箽饧獍l(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法像鐘形發(fā)動(dòng)機(jī)一樣把燃料管環(huán)繞在鐘形噴管四周進(jìn)行散熱，中間的尖柱無(wú)法承受非常高的燃燒溫度，對(duì)冷卻和材料要求更高。

「氣尖發(fā)動(dòng)機(jī)不僅開(kāi)發(fā)和研究成本高，風(fēng)險(xiǎn)大，且收益不比傳統(tǒng)，更加可靠的鐘形發(fā)動(dòng)機(jī)。一個(gè)普遍共識(shí)是，這不值得?！筫veryday astronaut 總結(jié)道。說(shuō)到底還是技術(shù)理想和現(xiàn)實(shí)算賬的平衡問(wèn)題。別忘了，「商業(yè)化」速度也是檢驗(yàn)技術(shù)發(fā)展最重要的因素之一。

即便是推崇「第一性原理」的馬斯克，在解決火箭發(fā)射成本這樣的問(wèn)題上，還是趨向更加務(wù)實(shí)和合理的解決方案。他最大的關(guān)注點(diǎn)在于火箭的燃燒效率，并非高度補(bǔ)償噴嘴所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，「?jìng)鹘y(tǒng)鐘形發(fā)動(dòng)機(jī)，理論上達(dá)到 98.5%，或者有望達(dá)到 99% 的燃燒效率?！?/p>

但是誰(shuí)也說(shuō)不好，畢竟隨著對(duì)于材料的研究，耐熱和重量問(wèn)題總會(huì)有辦法解決。當(dāng)技術(shù)的突破能給成本和風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)結(jié)構(gòu)性的變化，這個(gè)理論上更加先進(jìn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，興許能將太空探索的進(jìn)程帶向前所未有的高度。

畢竟馬斯克成功點(diǎn)燃社會(huì)對(duì)于人類向太空進(jìn)發(fā)的熱情，下一代的火箭「長(zhǎng)」什么樣，由誰(shuí)來(lái)推動(dòng)，依然是個(gè)值得關(guān)注的話題。

關(guān)鍵詞： 馬斯克 火箭