轉自：航天愛好者 翻譯：給蟲 校對：ScarletKaze
SpaceX的主力火箭發動機梅林（Merlin）一直都被媒體和業內同行所詬病，所以馬斯克憋足力氣在發動機領域想打一個翻身仗，於是代號「猛禽」的液氧甲烷發動機誕生了，但這款作為公司實現火星殖民構想之核心的「夢幻」發動機一直都處於十分神秘的狀態，外人難窺究竟。今天我們借著油管節目「每日航天員」的這篇長文（長視頻），通透的了解一下猛禽，並橫向對比下其他人類最優秀的起飛級液體發動機，看看究竟誰才是真的王者。
本文為下方視頻的文字版，你可以選擇看視頻或看文章
SpaceX(以下簡稱太空叉)最新的猛禽發動機是一款以甲烷為燃料的全流量分級燃燒循環發動機(Full Flow Staged Combustion Cycle Engine, 以下簡稱FFSCC)，其開發難度非常之大，以至於從未有過同類發動機上天。
而火箭發動機這個話題可謂極其複雜深奧，所以為了介紹猛禽發動機，我打算過一遍當前幾款火箭發動機的循環方式，然後讓它們和猛禽發動機做對比，這些發動機包括太空叉當前主力梅林發動機，太空梭主發動機RS-25發動機，Atlas V一級的RD-180發動機，藍色起源的BE-4發動機和土星五號一級的F-1發動機。
而這還不夠，因為太空叉不但使用了一種近乎瘋狂的發動機循環方式，還要使用液態甲烷作為燃料，而這也是運載火箭中前無古人的舉措。所以我們還要介紹液態甲烷作為火箭燃料時其獨有的特性，並且最終明白太空叉為猛禽發動機選擇甲烷燃料的原因。
所以我們還將剖析其他所有發動機循環方式，讓你知道FFSCC到底是什麼意思，如何運轉，對比其他循環方式有何優劣。
所以希望在看完這篇文章後，大家能明白為何猛禽發動機如此特別，猛禽發動機對比其他發動機如何，為何它使用甲烷作為燃料，也希望大家自己能想通猛禽發動機是不是最強火箭發動機。
事先說一下，這篇文章篇幅很長，但如果你和我一樣一直關注猛禽發動機的各種傳聞，又想去深入了解一下猛禽發動機，但又不知道從何查起……那我建議你先收藏再看。
而我在這個科目上已經身經百戰見得多了，所以我有一個很好的基礎來讓大家完全了解猛禽發動機……騙你的，其實是所有火箭發動機。
又或許你和我一樣，曾注視著上面那張圖表幾個小時結果每次腦子都要爆炸了卻還沒看出個門道。所以為了防止各位腦子爆炸，我將它們高度簡化了有關火箭發動機循環方式的部分，希望能讓大家更好地理解其概念。
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高度簡化版本
首先給大家補習一些物理知識……但我們要事無巨細地深入講很多本質上的細節。希望到這篇文章的最後，讀者能掌握火箭發動機的工作原理，了解不同種類的液體燃料火箭發動機，以及懂得甲烷是很好的燃料選擇的原因，並明白猛禽發動機是如何打敗其他種類熱門發動機的。
火箭基本就是一個大燃料罐裡面裝著很多燃料，燃料罐的菊花有個東西能把燃料超快的噴射出去，更簡單的說，燃料噴射的速度越快越好。
噴的越快越好
想做到此事最簡單的辦法是以很高的壓力在燃料罐中儲存燃料，然後在燃料罐一端放一個閥門，再放一個噴嘴來讓燃料加速從而產生推力，搞定！沒有多麼厲害的泵，也沒有多麼複雜的系統，開個閥門，噴就完事了。
這種叫做擠壓供應火箭發動機，有這麼幾種主要類型：冷氣(cold gas)、單組元及雙組元擠壓供應式發動機。你會發現這些經常用在反作用控制系統上(Reaction Control Systems, RCS)，因為它們簡單、可靠、反應迅速。
燃料總從高壓流向低壓
但擠壓供應發動機有一個巨大的限制因素——燃料總是從高壓流向低壓，所以發動機的壓強永遠不能比燃料罐高。同時，為了保存高壓燃料，你的燃料罐必須非常結實，導致其越來越厚，越來越重。來看看複合材料壓力容器(Composite Overwrapped Pressure Vessels, COPV)，它們能夠以超過10000PSI、700bar(70MPa)的壓力儲存氣體。
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提高壓力，就要增加貯箱壁厚
即便如此，燃料管能容納的燃料和壓力仍然有限，當你想把載荷送進軌道的時候，這種方法也不會提高多少運力。所以聰明的火箭科學家們很快意識到，想讓火箭儘可能的輕，那有一個辦法——提高焓（這要是個90年代重金屬樂隊的名字就老牛逼了）。
INCREASE THE ENTHALPY, 「提高焓」重金屬樂隊(純屬惡搞)
焓主要意義是體積、壓強、溫度之間的關係，燃燒室內更高的壓強和溫度等於更高的效率，而更多的質量從火箭噴出帶來的是更高的推力。所以想要把更多燃料擠進發動機，你可以提高燃料罐的壓強，或者乾脆使用超大功率的泵把燃料擠進燃燒室，聽起來第二個主意很不錯。
但泵每秒會推動上百升燃料，需要很多……是需要非常極其相當多的能量才能驅動。所以假設我們有一個小火箭發動機，然後在右邊放一個渦輪讓泵轉得飛快？同時你可以把火箭燃料的一部分化學能轉換成動能從而驅動這些大功率的燃料泵。
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歡迎來到渦輪泵與分級燃燒循環的課堂！但你還會遇到一些限制因素，比如燃料總是從高壓流向低壓，熱量太高會熔化周圍的東西怎麼辦……所以你要把這些都記在「小本本」上，在之後嘗試榨乾你的發動機的每一滴性能時經常檢查它們。而發動機也有很多種循環方式，但我只打算講其中三種最常見的，或者至少是在了解猛禽發動機之前需要知道的三種最重要的循環方式。
我們要講解的有：燃氣發生器循環、部分流量分級燃燒循環以及最後的全流量分級燃燒循環。
先從燃氣發生器循環，也叫開式循環開始講起。這應該是液體燃料入軌級火箭發動機裡最常見的循環方式，它肯定比擠壓供應系統複雜，但至少閉式循環的那些發動機相比也還算簡單。
現在為方便大家理解我要極度簡化它，在現實生活中，發動機上到處都有無數的閥門、線纜和細小的管路，有氦氣為燃料罐增壓，燃料會流經噴管、燃燒室來為其冷卻，預燃室、燃燒室內還要有點火源……但我的目的是讓其更加簡化更易理解，所以大家知道我省略了很多東西就好。但從現在開始我們要關注這些發動機內的流動情況，從而掌握我要講的概念。看這樣的圖明顯更加輕鬆，不會一臉懵逼。
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開式循環(燃氣發生器循環)
燃氣發生器循環(上圖)通過一個渦輪泵把燃料和氧化劑泵入燃燒室。渦輪泵有幾個主要部件：一個小型火箭發動機稱為預燃室，渦輪通過軸給一或兩個燃料泵提供動力，從而把燃料泵入燃燒室。你或許聽說過渦輪泵和預燃室的組合叫做動力包(Power Pack，老外的叫法，在中國一般叫「半系統」)，因為它真的就是給發動機提供動力的東西。在開式循環中，預燃室中燃燒過的燃料會直接排出，不提供任何顯著的推力。這使得開式循環效率更低，因為驅動泵所使用的燃料和氧化劑基本全浪費了。
有一個小插曲，渦輪泵的啟動過程本身有一個「先有雞還是先有蛋」的問題，導致其啟動很困難。因為驅動渦輪泵的預燃室需要高壓燃料和氧化劑才能運行，所以預燃室需要渦輪泵轉動才能讓自己有完全可運行的壓力狀態，但渦輪泵又需要預燃室點火才能驅動自己，但預燃室又需要渦輪泵……這使得點燃燃氣發生器循環發動機很需要技巧，有幾種方法能夠做到，但這就不是本篇文章的主題了。
回到渦輪泵上，記得壓力總會從高處流向低處吧，所以渦輪泵壓力要比燃燒室壓力高，這意味著進入預燃室的管道是整個火箭發動機裡壓力最高的地方，其餘「下遊」部分與之相比都是低壓。
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注意梅林發動機預燃室廢氣管排出的黑煙（左側）
但注意觀察太空叉使用煤油和液氧作燃料的梅林發動機，注意預燃室廢氣管噴出的黑煙……為什麼從那排出的尾氣比火箭主燃燒室噴出的更黑呢？黑得幾乎都看不見火焰了。這是因為火箭燃料燃燒時可達到上千攝氏度，為了保證溫度不會高到讓渦輪乃至整個渦輪泵組件熔化，就要保證它的溫度低到能夠持續運轉的程度。以最佳燃料、氧化劑比例運轉會有最高的效率，會產生最多的能量，但也會產生極大的熱量。
所以為了保證溫度夠低，你可以讓預燃室內的燃燒比稍微低於最優比。要麼燃料過量，也叫富燃；要麼氧化劑過量，也叫富氧。以富燃方式運行煤油發動機會有很多未燃燒的燃料以煤煙的形式冒出，高壓下不完全燃燒的碳原子會形成聚合物，這個過程稱為結焦。煤煙會黏在所有其經過的表面，可以堵塞噴注器甚至直接損傷渦輪本身。
那如果你不想浪費所有高壓燃料呢？畢竟你為了降溫都選擇富燃了，那不就是有更多的未燃燒的燃料被浪費了嗎？能不能幹脆把熱的廢氣用管子懟回主燃燒室？那麼歡迎來到閉式循環的課堂！
閉式循環，或者叫分級循環，使用原本會直接排出的廢氣和主燃燒室連接起來從而提升壓力、提高發動機效率。
所以我們把梅林發動機拿出來，把循環「關閉」起來，拿起排氣管，直接懟進主燃燒室！大功告成？
拉倒吧！我們讓一大堆煤煙糊死了所有噴注器，你可甭想上天了！
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煤煙堵塞了噴注器，結果就是原地爆炸
但這有幾種解決辦法，我們看看蘇聯是怎麼解決的。他們造的第一個能用的閉式循環發動機是N-1登月火箭的NK-15發動機(校註：原文如此，但世界第一型閉式循環發動機應該是科羅廖夫設計局研製的S1.5400液氧煤油發動機，GRAU代碼為11D33，1960年就隨閃電號運載火箭完成了首飛，而NK-15的首飛時間是1969年)，它們之後升級成了NK-33，隨後衍生出很多種型號，包括至今仍在Atlas V火箭上使用的RD-180(校註：嚴格來說RD-180和NK-15/33是不同設計局的產品，系統結構布局差別很大，不能簡單地認為是衍生關係)。
NK-15和NK-33和梅林發動機一樣都是以煤油為燃料，但又因為結焦的問題不能讓預燃室富燃運行，所以如果你想造一種以煤油為燃料的閉式循環發動機就只能讓預燃室富氧運行，輕而易舉不是嗎？那你就是把高溫高壓的氣態氧灌了進去，幾乎會把精密的、低容錯的渦輪葉片吹成一鍋粥。
美國認為這樣做是不可能的，他們基本上是放棄嘗試了，他們認為不存在某種合金可以承受如此惡劣的條件，他們也不相信蘇聯會造出如此高效、大推力的煤油發動機。直到蘇聯解體以後，美國工程師才見到了那些發動機，並對其進行第一手測試。但毛子當年真的很努力，他們真的把可以承受預燃室內富氧的惡劣條件的特種合金造出來了。
在閉式循環發動機中，你不是使用一部分燃料和一部分氧化劑在預燃室內燃燒並驅動渦輪，而是把所有的氧化劑或者燃料以過量的形式通過渦輪。所以對於富氧循環來說，所有氧氣都會經過預燃室，然後把特定量的燃料輸往預燃室。你只需要給渦輪剛好足夠的燃料來驅動燃料泵，從而給預燃室和主燃燒室提供正確的壓力，以此產生正確的功率，把火箭送進太空。
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閉式循環(富氧)
回到富氧預燃室上，熱的氣態氧全部進入主燃燒室，遇到了液體燃料後發生爆炸，得到了一個完整高效的燃燒過程，不浪費一滴燃料！
再看「小本本」：燃燒室壓力不能高於泵壓力，所以燃料泵弱小無助的外表下卻承受著巨大的負擔。
所以如果你以為美國就那樣坐視不管，讓蘇聯人拿走所有閉式循環的榮耀，那你就錯了。美國的確多花了點時間，但他們最終還是造出來了閉式循環發動機，但它和富氧循環非常不同，美國研發的閉式循環發動機的預燃室是富燃的……等下，說好的富燃預燃室的廢氣有過多的煤煙會導致結焦、毀掉一切東西嗎？
如果你使用的是煤油等高碳含量燃料的話，那的確會發生結焦。所以美國用了另一種不同的燃料——氫。OK，我們現在避免了讓高溫高壓氣態氧衝擊那些寶貝機器，但我們又遇到新麻煩了。
液氫的密度遠遠小於煤油和液氧，以至於需要非常巨大燃料泵才能準確地將氫送往燃燒室，與之相比，煤油和液氧的密度接近、混合比接近，可以用同一個預燃室驅動一根軸。
太空梭主發動機RS-25的兩個預燃室 各自驅動兩個泵
為此，Rocketdyne（洛克達因，美國大推力液體火箭發動機的最強公司，這公司近幾年比較失意。工程師為太空梭研發了RS-25發動機。他們意識到氫和氧的兩個泵區別非常大，可能需要兩個不同的預燃室，一個驅動氫泵一個驅動氧泵——他們的確這樣做了。
但使用兩根獨立的軸又帶來了新問題，工程師把高溫高壓的氫氣就放在了同一根軸驅動的液氧泵的隔壁，一旦那一部分氫氣從預燃室洩漏到液氧泵，就會在液氧泵內引發大爆炸，後果很嚴重。氫又非常難儲存，因為它密度太低、太輕了，會從細小縫隙中洩漏出去，到處亂飄。所以工程師們不得不為此設計一個複雜的密封裝置放置氫洩漏。
這種密封方法叫吹氣密封，實際中是用氦氣加壓的，使其成為壓力最高的地方。即使密封洩漏，流出來的也是惰性的氦氣。很精巧的方法，但你們要是注意到了圖中液氧泵和氫泵的密封部分的不同，就可以看出工程師們為了防止氫洩漏花了多少時間精力了。想出這些設計的人簡直是不是人。
現在我們講完了雙預燃室富燃的RS-25發動機，接下來看其簡化的圖表。我沒費勁地把兩個泵畫成不一樣的大小，因為我只想讓大家關注流向，讓其變得儘可能簡單。
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閉式循環(富燃)
但請記住，RS-25發動機以富燃方式運轉的兩個預燃室，雖然看起來一樣，卻是驅動各自的泵。RS-25發動機幾乎仍然是人類製造過的最好的發動機，有著較高的推重比和與之不符的高效率。（太空梭退役後，RS-25繼續在NASA的重型火箭SLS和波音的XS-1項目上使用，主頁君注）
閉式循環提升了發動機的整體性能，有很大的優勢，那還能有哪些改進呢？我們終於可以開始講FFSCC（全流量分級燃燒循環）了，它基本上是組合了剛講過的上述兩種循環方式——兩個預燃室，一個富燃運行、一個富氧運行。富燃預燃室驅動燃料泵，富氧預燃室驅動液氧泵。這意味著FFSCC需要研發出特種合金來克服富氧情況下的困難。
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全流量分級燃燒循環（請和上圖詳細對比）
所以太空叉在自家工廠研發出了名為"SX500"的特種合金，根據馬一龍所述，SX500可以承受800bar(80MPa)的高溫富氧燃氣。這可能是研發猛禽發動機過程中的最大障礙之一了。
幸運的是，富燃的預燃室只驅動燃料泵，所以如果高溫富燃燃氣從泵軸處洩漏，它也只會遇到更多的燃料，沒啥大事，因此不需要那些非常非常精細的密封裝置。FFSCC不太可能用煤油作燃料，因為富燃預燃室會有結焦的問題，而其他燃料仍可以使用這種設計，不過這個我們稍後再講。
該系統的優勢在於燃料和氧化劑在到達主燃燒室的時候都是氣態，它們會更加充分的燃燒，可以達到更高的溫度；還不需要上述提到的非常精密的密封系統，繼續減少維護——這些對於僅需幾次甚至不需要翻新就能多次重複使用的發動機來說肯定是很有利的。
最後，因為其本身流量的極大提高，或者說燃料會更快地射入預燃室，讓渦輪可以以更低的溫度、更低的壓力工作，因為驅動渦輪泵所需的燃料氧化劑混合比大大減小。而你們這樣想，在開式循環的預燃室中你只想用儘可能少的燃料和氧化劑，因為它們都浪費了，而你又想讓它越熱越好，因為那樣才更有效率。
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全流量分級燃燒循環 對比 開式循環(燃氣發生器循環)
但在FFSCC中，所有的燃料和所有的氧化劑都會經過預燃室，所以你想要多少燃料、氧化劑來驅動渦輪泵你就可以拿多少。也正因如此，你的兩個預燃室會極度富燃與極度富氧，使得兩邊渦輪的溫度大大降低，意味著可以大大提升渦輪泵組件的壽命。這還意味著在主燃燒室內的燃燒更多，預燃室內的燃燒更少。
現在到了牛逼的部分了，使用FFSCC的發動機，迄今為止只有三種
六十年代蘇聯研發了從未上過天的RD-270發動機；在21世紀初，Aerojet和Rocketdyne研發過一款「集成動力驗證器」，最後連試車臺都沒撐過去。
第三次FFSCC發動機的嘗試就是太空叉的猛禽發動機了！噹噹噹噹！主角登場！沒錯，猛禽發動機是這種瘋狂類型發動機的「唯三」之一，也是唯一一個把發動機試車臺留下的發動機！希望老天保佑，讓它成為第一個入軌的FFSCC發動 機吧。好吧，其實幾乎任何和這個發動機有關的內容都是零的突破。
但這也意味著太空叉需要克服重重艱難險阻，不單單指富燃循環所遇到的困難，他們還要學會如何控制燃料流量以創造所有火箭從未達到過的燃燒室壓強——270bar(27MPa)——最終打破了RD-180的265bar(26.5MPa)的紀錄。而這還不夠，他們的目標是300bar(30MPa)，這簡直牛逼瘋了。
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今天講到的三種循環、四個例子
之前說過猛禽發動機不能使用煤油燃料運行富燃預燃室，你可能會想那最合乎邏輯的燃料就當屬氫了……可太空叉既沒有選擇煤油也沒選擇液氫，他們選擇了液態甲烷！終於來到下一個話題了——為什麼太空叉選擇液態甲烷作為猛禽發動機的燃料？甲烷有哪些優於液氫或煤油的特性？
迄今為止還沒有液態甲烷發動機進入軌道，所以它有哪些優點值得作為燃料呢？我們把甲烷和煤油、氫作下對比……我們把甲烷放在煤油和氫的中間，稍後你就會知道為什麼要這樣。
我們先看設計火箭一級時可能是最重要的因素——燃料的密度。燃料密度大，意味著同樣質量的燃料，燃料罐可以更小更輕，更小的燃料罐就有更輕的火箭。
這是三種燃料的密度，單位是克每升(g/L)，就是說一升這樣的燃料有多重，準確講是質量是多少。
先說煤油，密度813g/L，是液氫的70g/L的11倍，而液態甲烷居中，422g/L。
要注意的是，煤油的813g/L的數值只是平均值，對於太空叉來說，他們會為獵鷹九號、重型獵鷹火箭的煤油降溫以提高2-4%的密度，但歷史上煤油的密度差不多就是813克每升。
所以從密度來講，甲烷的性能在煤油和液氫的正中間，但除了密度還有很多要考慮的因素，我們還要考慮燃料燃燒量與氧化劑燃燒量的比值，也就是氧化劑-燃料混合比。
這裡事情就有意思了，表格也會小有改變。火箭工程師們要計算的是燃料的質量以及相應的燃料罐的重量，所以他們不會讓燃料處在完全理想的燃燒比，他們找到了一個合適的折中來平衡燃料罐體積、推力和比衝。
我們來看看工程師要面對的各種燃料氧化劑質量比：燃燒1克煤油需要消耗2.7克氧；燃燒1克氫需要6克氧；燃燒1克甲烷需要3.7克氧。這些數字可以稍微縮小之前密度帶來的巨大差異。
我們將上述數據可視化，液氧密度為1,141g/L，比煤油稍微大一點，而兩者燃燒質量比為2.7:1，所以每一升液氧可以供半升多一點的煤油燃燒。接下來是液氫，因為它的密度是煤油的1/11，你或許會以為需要11倍大的燃料罐，但工程師發現讓液氧液氫以6:1的質量比燃燒是個很不錯的權宜之計，結果就是每升液氧可以供2.7升的液氫燃燒，也就是說同樣體積的液氧，液氫的燃料罐要比煤油的大五倍左右。
所以燒液氫的Delta IV火箭和燒煤油的獵鷹九號火箭對比一看，你會發現獵鷹九號燃料罐比液氧罐小很多，但Delta IV火箭是完全反過來，液氧罐比液氫罐小很多。
接下來說甲烷，這就有意思了，液氧密度是液態甲烷的2.7倍，而燃燒1克甲烷需要3.7克氧，每升液氧需要0.73升甲烷。也就是說，儘管煤油密度是甲烷的近兩倍，同樣的液氧，液態甲烷罐卻只比煤油罐大40%，而液氫罐則是液態甲烷罐的3.7倍。所以考慮了燃料-氧化劑混合比後，甲烷燃料罐的體積比液氫更加接近煤油的燃料罐體積。
另一個所有火箭發動機都有的重要因素是效率，衡量標準是"比衝"(Isp)。你可以認為它有點像汽車的燃油經濟性，比衝高類似於汽車每升燃油能跑得更遠。理解比衝的最好辦法是想像你有燃料和氧化劑共1千克，你的發動機能以9.8牛頓的力推進多少秒。發動機用那種質量的燃料能以那樣大的力、推進越久，它的比衝就越高，也就能用同樣多的燃料做更多的事。
比衝越高，幹同樣的事情燃料消耗就越少，所以比衝越高越好。發動機的燃油效率非常重要，而由於每種燃料的分子組成、燃燒釋放能量不同，它們將廢氣以多快從噴嘴噴出的潛力也不同，這意味著每種燃料都有不同的理論比衝。
在理想、完美的世界中，煤油發動機比衝可以達到370秒，理想液氫燃料發動機可以達到532秒，甲烷發動機又在中間，459秒。現實中的會低一些，像真空型梅林1D發動機這樣的煤油發動機比衝大約在350秒，像真空型猛禽發動機這樣的甲烷發動機比衝未來或許可以達到380秒，而像RL-10B-2發動機這樣的液氫發動機比衝大約在465秒左右。
接下來說說每種燃料的燃燒溫度，燃燒溫度更低，對發動機更好，可以潛在地提升發動機壽命。煤油燃燒溫度3670K，液氫是3070K，甲烷又在中間，溫度是3550開。
既然說到了溫度，咱們再說說這些燃料的沸點，也就是液體燃料會在什麼溫度時變為氣體。因為所有燃料都必須保持液態才能維持其密度，沸點越高保存就越簡單，更高的沸點也意味著燃料罐需要很少甚至不需要隔熱措施就能防止燃料沸騰，而減少隔熱措施就意味著燃料罐更輕。
煤油的沸點高達490開，比水還要高。而另一邊的液氫則接近絕對零度，僅20K——這種低溫使其需要非常嚴肅地考慮保溫隔熱措施。而甲烷又在中間，沸點是111開——雖然還是非常低，仍然需要有保溫上的考慮，但至少其沸點和液氧很接近，所以還算OK。而正因為其沸點和液氧很接近，燃料罐和液氧罐可以使用共底儲箱，繼續減輕火箭重量，而液氧和液氫的溫度差距如此大，以至於液氧會讓液氫沸騰，液氫會讓液氧凝固。(譯註：液氫液氧也可以使用共底儲箱，只是相比液氧甲烷共底儲箱會有更多的隔熱設計)
然後說排出的廢氣，即這些燃料的燃燒產物。煤油是唯一一種會產生不完全燃燒的碳並排放進大氣中的，同時還會產生水蒸氣，而液氫燃燒只產生水，甲烷燃燒產生水和二氧化碳。但非常有趣的一個冷知識是，高空大氣中的水蒸氣也是很糟糕的溫室氣體。
還有一個很多人可能會忽略的是燃料價格。這個數值很難確定，但我們可以大概估計一下。火箭煤油是高度精煉的航空燃油，而航空燃油是高度精煉的煤油，煤油是高度精煉的柴油。所以我們可以估計煤油比柴油貴得多。
而氫雖然含量很多，但卻很貴，因為它的精煉、儲存、運輸都有很高的的成本。但甲烷就是天然氣的主要成分，所以可以很便宜。當用在火箭上，成噸地「批發」燃料的話，它們之間價格差距還會進一步拉大，所以雖然相比整個火箭，燃料簡直像不要錢一樣，但我們還是要把它作為一個考慮因素。而我們又沒有準確數值，所以就不把燃料價格放進表格裡了。那我們轉而談論另一個有關燃料的重要話題——製備方式，而這恰恰說明了太空叉把甲烷看成其未來很重要甚至必不可少的一環的原因。
太空叉的終極目標是研發能多次運輸人類往返火星的系統，火星大氣富含二氧化碳，而將其與火星表面或地下水結合後，利用電解、薩巴蒂爾反應，火星大氣就能變成甲烷燃料。所以你根本不需要帶所有供你返回的燃料，因為你可以在火星就地取材，這個過程叫原位資源利用(ISRU)。那你又會問，既然有水，為啥不能在火星表面直接製取氫作為燃料呢？這倒沒錯，但液氫在長期任務中最大的問題之一就是液氫的沸點。別忘了之前提到把氫保持在液態是非常費勁的事情，而讓其保持液態又是用氫作為燃料的必要步驟。
所以對於太空叉來說，甲烷更合適。密度相對較高，火箭尺寸可以更合理；效率相對較高，燃燒充分，適用於高度可復用發動機；燃燒溫度相對較低，有助於延長發動機壽命，有助於其復用；甲烷很便宜，也很容易生產，可以在火星表面很容易製取。
我們終於講到這裡了！現在大家已經掌握了不同發動機循環的原理以及它們各自使用的燃料，可以把它們放在一起，對比一下各自的參數以便於我們了解各種發動機定位如何了。
現在我們把它們按照燃料種類和循環方式排列好，先從太空叉用於獵鷹九號和重型獵鷹火箭上的開式循環梅林發動機開始，然後是用於Atlas V（宇宙神5）火箭的動力機械科研生產聯合體富氧閉式循環RD-180發動機，然後是Rocketdyne生產的用於Saturn V（土星五）的開式循環F-1發動機，上述三種發動機都使用煤油為燃料。接下來是太空叉的FFSCC猛禽發動機，將用於Starship和其超重型的助推上；然後是藍色起源的閉式循環富氧甲烷BE-4發動機，將用於其新格倫火箭和聯合發射聯盟即將到來的火神火箭上；然後是Aerojet和Rocketdyne用於太空梭上的閉式循環富燃RS-25發動機，將用於即將到來的以液氫為燃料的SLS火箭。
注意，在本文發布的時候，猛禽和BE-4發動機還處於研發狀態，所以我們所擁有的數據是其當前進展狀態，比如猛禽發動機的數據持續在更新，BE-4的承諾還沒兌現。所以希望大家知道，這兩款發動機的數據是會變的。
還有注意的是，觀察RD-180發動機，別整蒙了，這是一臺發動機，只是有兩個燃燒室，它們公用唯一的一個渦輪泵。毛子解決了高溫氧氣富氧閉式循環的頂級難題，卻沒解決大型發動機燃燒穩定性的問題，所以他們沒用使用單個大燃燒室，而是使用了多個小的。
那麼首先我們看看這些發動機的海平面推力，因為它們全都是從海平面開始工作的，所以這樣比較還算公平。咱們從最小的開始，這樣比較有意思。梅林發動機推力是0.84兆牛，RS-25發動機推力是1.86兆牛，猛禽發動機推力目前是2兆牛，BE-4發動機推力預期可達2.4兆牛，RD-180發動機推力是3.83兆牛，F-1發動機至今仍然是推力冠軍，高達6.77兆牛。
曾有一款發動機叫RD-170推力其實比F-1發動機還要大，但它飛行次數極少，且與表格裡這些發動機關係不大，我覺得選一些使用次數比較多的發動機作為例子更好。
推力是個好東西，但或許重要性只和設計火箭時的推重比一樣，即或者說是發動機重量與其產生推力相比如何。高推重比的發動機，最終會讓火箭拖著更少的死重飛行。
我們從推重比最小的開始說起，推重比最小的是太空梭的RS-25發動機，73:1；然後是RD-180發動機，78:1；然後是BE-4發動機，大約80:1，別忘了這個數字並不是完全精確的，所以應該還有浮動空間；然後是F-1發動機，94:1；接下來是猛禽發動機，目前推重比是107:1；最後梅林發動機摘得桂冠，推重比達到驚人的198:1。
推力大的確是好事，但如果效率低下的話推力再大有啥用。所以接下來我們對比它們的比衝，仍然是以秒為單位。比衝最低的是F-1發動機，只有263-304秒；然後是梅林發動機，比衝是282-311秒；然後是RD-180發動機，比衝是311-338秒；同一梯隊的BE-4發動機比衝大約是310-340秒；然後是猛禽發動機，比衝大約是330-350秒；最後比衝最高的是遙遙領先的RS-25發動機，為366-452秒。
而同時影響推力和比衝的因素是燃燒室室壓，大體上講就是室壓越高推力越大，發動機潛在的效率也就越大。推力相同的情況下，更高的室壓可以讓發動機更小，同樣可以提高其推重比。這當中室壓最小的發動機是F-1，只有70bar(7MPa)。但我現在要提醒你們一句，即使是70bar(7MPa)，也相當於70倍大氣壓強，相當於你在水下700米受到的壓力！所以即使是這當中最低的室壓，也是驚人的大。接下來是梅林發動機的97bar(9.7MPa)，BE-4是大約135bar(13.5MPa)，然後是RS-25發動機206bar(20.6MPa)，然後是現役發動機中室壓最高的RD-180發動機，約257bar(25.7MPa)，它是目前表格中僅次於猛禽發動機的。而後者將是新的室壓之王，目前可達到270bar(27MPa)，並有希望達到300bar(30MPa)，而300bar(30MPa)將會是海底三千米的壓力！
好了，發動機本身的參數說得差不多了，我們來看看它們使用時要考慮的事項，首先是預計造價。需要重申的是這仍然是很難確定的一個數值，所以表格中將是最低的估計值，且全部考慮到通貨膨脹而換算成了今天的美元。
我們從最貴的講到最便宜的：表格中最貴的是RS-25發動機，每臺發動機標價超過5000萬美元；接下來是F-1發動機，每臺大約三千萬美元；然後是RD-180發動機，每臺2500萬美元；然後是BE-4發動機，每臺大約800萬美元。關於猛禽發動機，馬一龍曾提到他認為猛禽發動機的造價可以和梅林發動機一樣低，前提是他們能夠降低當前發動機大量的複雜度，所以我覺得200萬美元算是個不錯的估計值。然後是梅林發動機，我覺得造價可以低於100萬美元。
造價是一方面，但另一個有關造價的非常重要的考量是發動機是否可復用。而這裡面只有RD-180和F-1發動機是不可復用的，或者至少從未復用過，這和其餘所有(將)會多次復用的發動機是不同的。RS-25發動機復用記錄是單臺發動機復用19次，當然每次中間都要經歷幾個月的翻新。梅林發動機預期可以做到不進行大規模翻新而飛行多達10次，我們了解到BE-4發動機設計可復用次數可達25次，而我認為猛禽發動機預期可飛行50次，但理想是美好的，現實如何就另說了。
有關價格還有一些更有意思的概念。首先是馬一龍在2019年2月的推特中提過的參數，他說他們希望讓猛禽優勢體現在「推價比」上。你一細想會發現這個概念很有意思，如果推力相同時一個大發動機比兩個小的更便宜或者更貴，那肯定哪個便宜選哪個呀！所以接下來我們看看這些發動機的「推價比」(單位：美元/千牛推力)。先從推價比最高的開始，RS-25發動機推價比高達26881美元/千牛推力；然後是RD-180發動機的6527美元/千牛推力；然後是F-1發動機的4431美元/千牛推力；然後是BE-4發動機的3333美元/千牛推力；然後是梅林發動機的1170美元/千牛推力；然後是猛禽發動機，大約是1000美元/千牛推力。
但我們還可以再進一步想，我們不但已經知道了它們的推價比，我們還知道各自的復用潛力。所以我們可以預測它們潛在的單次推價比[單位：美元/(千牛推力×次)]。數據基於其各自實際可復用次數，首先RD-180和F-1發動機無法復用，所以單次推價比等於推價比。但對於剩下的發動機，如果我們考慮進它們(將)飛行的次數，我們就能看出RS-25發動機的復用性抵消了之前的高推價比，可以拉低到1414美元/(千牛推力×次)。但接下來更厲害，藍色起源的BE-4發動機可謂改變了遊戲規則，25次飛行的情況下單次推價比約133美元/(千牛推力×次)，與之相近的是梅林發動機的117美元/(千牛推力×次)。但如果猛禽發動機兌現了它的承諾，那它能把這個數值一路拉低至20美元/(千牛推力×次)，這個數值簡直可以血洗整個航天市場。
誠然，造價和復用性是21世紀航天的焦點，但之前老生常談的可靠性又如何呢？首先我們看看這些發動機都飛了多少次，在本文發布的時候，猛禽和BE-4發動機都沒有任何飛行次數。雖然猛禽發動機已經要離開試車臺，準備裝到像Starhopper這樣的測試載具上了，但截至目前，它們都沒有實際飛行記錄。所以我們來看看其他發動機，首先F-1發動機飛行了17次，然後是梅林發動機的71次，很快就要超過RD-180發動機的79次了，而它們中最多的是RS-25發動機的135次。
那它們在工作時的可靠性如何呢？可靠性只有在參考了飛行次數後才有意義，才能讓我們更好的了解發動機到底有多可靠。而這個數值又很難確定，因為有些發動機可能過早關機，其所在的任務仍然成功了，所以希望大家留意此事。BE-4和猛禽發動機數據仍然沒有，因為都沒上過天；然後是太空梭主發動機RS-25，可靠性超過99.5%，但對於發動機異常關機來說是很難定義的；然後梅林發動機可靠性99.9%，每次發射要用10臺發動機的情況下這還是很讓人安慰的數值，而梅林發動機整個生涯也只有一次失效，且那次任務仍然成功了，所以梅林發動機是很可靠的；而最後，理論上講RD-180和F-1發動機是100%可靠的。而F-1發動機也從未在飛行中異常關機過，我要在表格中為它的「100%」加粗。而根據每個人心中的成功與可靠性的定義，理論上RD-180隻能「算是」100%可靠，因為它運氣超好。在2016年Atlas V某次任務中它提前6秒關機，原因是一個閥門的故障，但任務仍然是成功的。那次完全是靠運氣，因為半人馬上面級為任務帶了足夠多的額外速度增量，如果那個閥門再早一秒失效，那次任務就涼涼了。
見識到那麼多數據和要考究的項，你可能會發現造一個火箭竟然要考慮這麼多東西。任何一個微小的改動，都能為整個設計帶來巨大的連鎖反應，從而影響到整個火箭的製造。
我們最後來回顧一下，我們已經了解了所有循環方法、燃料種類，也知道了太空叉的願景。那現在我們能不能想通為何會出現猛禽發動機，並且能不能理解研發它的意義呢？
我們看看太空叉的終極計劃——製造一款可多次、完全可復用的火箭，讓人類儘可能廉價地定期往返月球和火星，這和平常的火箭目標可不太一樣。
為了能多次、完全可復用，發動機必須無結焦；且需要簡單的渦輪泵密封以達到低維護，還需要低預燃室溫度。甲烷燃料全流量分級燃燒循環發動機聽上去不錯。
為了可靠性、冗餘性、和製造上的考慮，配備多臺發動機是個合理選擇；為了讓發動機儘可能小，推力儘可能大，燃燒室室壓就要高。甲烷燃料全流量分級燃燒循環發動機聽上去不錯。
而對於行星際旅行來說，甲烷也更合理，因為其沸點可以讓去火星這種長期飛行變為可能，而且你可以在火星上製取甲烷。所以對於行星際旅行，甲烷燃料全流量分級燃燒循環發動機聽上去不錯。
甲烷密度還算大，燃料罐體積可以說得過去，這同樣有利於行星際旅行，可以減少很多死重。所以甲烷燃料全流量分級燃燒循環發動機聽上去不錯。
回到本文的標題上來——猛禽發動機是最強火箭發動機嗎？其實你會發現火箭科學和所有東西一樣都是一堆複雜東西的最終妥協罷了：
它是最有效率的發動機嗎？不是。
它是推力最大的發動機嗎？不是。
它是最便宜的發動機嗎？可能不是。
它是可復用性最強的發動機嗎？或許吧。
它滿足它的各項需求嗎？太滿足了，簡直是量身打造的。
而且儘管它很複雜，但太空叉仍在飛快改進這款發動機。你要是知道過去十年太空叉把梅林發動機改成啥樣了就會明白，我們現在看到的猛禽發動機還是太年輕，它未來只會變得越來越牛逼，這才是最可怕的。
所以總的來講，對於這樣的需求來說，猛禽發動機的確是最強的，它能實現太空叉Starship火箭的美好目標。對於其他需求來說，它是最好的嗎？那就說不準了。也正因如此，火箭科學家、工程師們才每天都在做出那些瘋狂的決定與妥協！
所以大家怎麼看？費盡周折造這麼一個瘋狂的發動機值嗎？這一切會是猛禽發動機的開始嗎？最後，你覺得猛禽發動機是最強火箭發動機嗎？
（全文完）
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