馬斯克的宿命？100年前的理論暗示，甲烷才是火箭燃料的未來

2012年，當世人紛紛擔心世界末日是否會到來之時，SpaceX的首席工程師埃隆馬斯克平靜的做出了一個決定：研發世界上最大最先進的火箭——Starship！8年來，SpaceX雖然推出了幾部星際傳輸系統的渲染視頻，但或多或少，世人對馬斯克口中的星艦還是 持懷疑態度，因為星艦所採用的多項技術實在是太前衛了！

8年後的2020年，SpaceX在完成了其首次商業載人發射之後，馬斯克當即調整了其公司內部的項目優先級，星艦成為了SpaceX優先級最高的項目！緊接著，星艦原型機爆炸的消息接踵而至，壓力與嘲笑也隨之而來，但黃天不負有心人終於在2020年8月，星艦SN5原型機在一臺猛禽發動機的助力下完成了150米跳躍測試，後續的優化版本SN6在10月份又完美通過了150米跳躍的第二次測試，星艦這個在世界科技圈飄蕩了8年的概念產品，終於成功飛天了！隨後，SpaceX宣布要將第8款星艦原型機SN8打造成一款縮小版但配件齊全的「準星艦」，並計劃在2020年聖誕之前完成15公裡高度的飛行測試！

SN8將搭載三臺猛禽發動機，其已於10月22日完成了第一次靜態點火的嘗試，成功與否未知！每一次星艦原型機的靜態點火測試，都是對猛禽發動機的一次技術驗證，相較於獵鷹9號所採用的梅林發動機，猛禽發動機有兩大革命之處，其一是猛禽採用了全流量分級燃燒的架構，其二是猛禽以甲烷作為主燃料，如果你還不了解全流量分級燃燒的概念，不妨去看看帝哥前幾期的視頻，本期內容，帝哥將重點跟大家討論一個問題：為什麼是甲烷？

據帝哥所知，目前世界上使用甲烷作為燃料的火箭發動機只有兩個型號，一個是世界首富貝佐斯旗下公司藍色起源正在研發的BE4，另一個就是SpaceX的猛禽。SpaceX在2012年為猛禽選擇燃料時略為保守，他們打算繼續使用RP-1。RP-1是精製煤油的代號，R是REFINED，意思是「更好」，P是煤油的首字母，1是標準號，所以RP-1就類似於汽車排放裡的「國標5」。2014年，SpaceX宣布放棄RP-1，猛禽發動機將改以甲烷作為主燃料！燃料的突然改變勢必會讓猛禽的架構被迫做出較大的改動，是什麼原因讓馬斯克及其研發團隊壯士斷腕做出了這種180度的反轉選擇呢？了解馬斯克的人都知曉他有一個重心壯志，也是其創建SpaceX的初心——讓人類可以往返於地球與火星之間，讓人類真正變成跨行星物種！RP-1被捨棄，其根本原因就是無法支撐SpaceX的火星移民計劃，那為什麼SpaceX不直接享用NASA的成果選擇液態氫作為燃料呢？相較於RP-1和液態氫，馬斯克和貝佐斯到底看上了甲烷的哪些優勢呢？

RP-1曾助力土星五號完成了人類歷史上的首次載人登月，液氫更是為NASA帶來了大名鼎鼎的太空梭，二者相較於甲烷，各有優劣。如果單純從能量的釋放效率上來講，液氫無疑是最好的，它的理論比衝可達460秒，而RP-1的理論比衝只有360秒，甲烷的理論比衝為380秒。比衝是衡量發動機動力效率的一個重要指標，360秒指的不是發動機的一次性燃燒時間，而是在消耗單位重量推進劑的情況下，發動機能夠保持某一推力的時長，顯然時間越長，火箭就能飛的越高，那麼發動機的效率亦或是性能也就越好。如果從這一點來衡量，液氫的性能明顯高於甲烷和RP-1，甲烷相較於RP-1又有大約5%的性能提升，液氫是當之無愧的NO.1，這也是美國曾經的太空梭、正在研發的太空發射系統（SLS）、以及我國長徵5號系列火箭選擇液氫作為主燃料的原因！但大家不要忽略一個事實，這種比較只是基於燃料的潛在理論性能表現，沒有考慮使用這種燃料要付出哪些代價的情況下得出的。美國的太空梭共發生過兩次空難，14名太空人犧牲，太空梭內部的大量液氫難辭其咎！

首先，液態氫對溫度的要求極為苛刻，宇宙中最低的溫度是-273.15攝氏度，而氫的沸點就已經低至了-250攝氏度，不可思議的是氫的冰點只比沸點低9度也就是-259攝氏度，氫想要以液體狀態存在，溫度就必須控制在-259攝氏度和-250攝氏度之間！高了，液氫直接氣化，低了，液氫又會固化，這就要求裝載液氫的燃料倉在溫度傳遞上高度絕緣，一旦燃料倉中氫的溫差超過9度，就勢必會產生災難性後果！

其次，超低溫的液態氫會引起金屬的氫脆現象，也就是氫原子會融入到金屬中，造成金屬出現微小裂紋，削弱了燃料循環系統的整體強度，而發動機內部處處充斥著高壓，當金屬裂縫遇到高壓，那麼災難又可能隨之而來！

再次，氫氧組合時的燃燒溫度高達3000攝氏度，雖然絕大多數發動機都搭載了循環冷卻系統，但依然對構成發動機的金屬材料有很高的要求，沒有超高的材料學工藝，想在火箭中玩轉液態氫幾乎是不可能的！

最後，液氫的密度只有70千克每立方米，液態甲烷的密度則是422.5千克每立方米，火箭要裝載等重的液態甲烷和液態氫，就要求氫燃料倉的體積近乎6倍於甲烷燃料倉的體積，這又會增加燃料倉的金屬用量，進而增加燃料倉的重量，迫使火箭主體結構的三維相應的增加，火箭的乾重提高了，相應的火箭的有效載荷就降低了，單就這一點原因，就幾乎將氫氣的高比衝優勢抹平了。難怪馬斯克曾不止一次地強調：選擇甲烷，不再看氫原子的臉色！

如果用一個比喻來形容液氫在航天領域的尷尬，帝哥覺得「天上的美味，凡間能得幾回聞」較為合適！這也是目前多數火箭仍以RP-1作為燃料的原因。RP-1有兩個核心優勢，其一是常溫下即以液態形式存在，存儲方便，其二是其密度大約是液態甲烷的兩倍，達到了809千克每立方米，可以做到比甲烷更小的燃料倉。表面上看較小的燃料倉是一個優勢，但不要忽略了一個事實，無論選擇哪種燃料，在氧化劑的選擇上，液態氧依然是大規模的首選，氧氣的沸點是-183攝氏度，冰點是-219攝氏度，而RP-1的冰點只有-60攝氏度，這就要求RP-1的燃料倉和液氧的燃料倉之間添加隔溫設施，這又增加了兩個燃料倉的複雜度！甲烷則恰恰相反，因為在沸點與冰點上，甲烷和氧氣很接近！液態甲烷的沸點是-162攝氏度，冰點是-184攝氏度，這種特性使得液態甲烷倉和液氧倉之間幾乎不需要熱絕緣層。另外在製造成本上，每公斤RP-1大約需要30美元，而每公斤液態甲烷和液態氫都只要2美元左右，RP-1的性價比太低！

其實對火箭而言，燃料倉的大小與燃料的費用不是限制火箭的核心因素，目前火箭最大的弊端是「一錘子買賣」！先不說火箭回收技術難不難，就RP-1燃燒之後對發動機的副作用而言，解決起來都讓人頭疼！RP-1燃燒之後會產生大量的碳，雖然大部分的含碳物質會被排放到大氣，但還是有少部分燃燒不完全的煤油會附著在發動機內外表面，這又增加了發動機排汙系統和冷卻系統的複雜度，也會影響發動機的復用性與穩定性，黢黑的獵鷹9號箭體就是明證，這也是馬斯克目前對梅林發動機的最大抱怨，他多次稱讚了猛禽所使用的甲烷，因為甲烷的沸點很低，即使出現不完全燃燒現象也會以氣體形式被排到發動機之外，另外就是甲烷燃燒之後只會產生二氧化碳和水，這讓以可復用性為核心目標的猛禽的清潔工作相當容易！

到此為止，如果從化學的角度來看，甲烷的性價比最高，它比RP-1便宜且易清潔又相對環保，相較於液氫而言，它又降低了發動機的設計複雜度以及對金屬材料的苛刻要求，甲烷有理由成為火箭發動機燃料的未來主力！但僅此而已嗎？不要忘記馬斯克賦給星艦的初心：往返於地球與火星之間，實現星際穿越！

人類目前已實現的最遠雙程旅行是地球與月球之間，地球與月球之間的距離只有大約38萬公裡，而地球與火星的平均距離達到了2.25億公裡，完全不是一個數量級！在地球與火星相對較近的情況下，從地球上出發，也得需要近7個月的時間才能到達，期間太空人的吃喝問題如何解決？歷時7個月到達了火星之後，太空人返回地球的燃料又如何解決？一次性帶齊所有吃喝與燃料？不現實！人類唯一能藉助的手段，還是化學反應，也就是從地球之外通過一系列的化學反應生成所需的各種物質，還好100多年前，有一位名叫薩巴蒂埃（Sabatier）的法國化學家給出了理論支撐！

薩巴蒂埃反應是通過氫氣和二氧化碳的反應產生水和甲烷的過程，它的美妙之處在於它幾乎是一個完美的閉環，意即產生的水可以再次被電解分離成氫氣和氧氣，氫氣又可以跟二氧化碳再次反應生成水和甲烷，如此一來，只要有初始的氫氣，就可以將源源不斷的二氧化碳變成或者是水、或者是氧氣或者是甲烷，按需保留即可！有了這個理論支撐，只要某一環境中存在著大量的二氧化碳，人類貌似就可以生存下去！巧了！火星上就有大量的二氧化碳！藉助薩巴蒂埃反應，不僅可以生成人類生存所需的水和氧氣，還可以生成甲烷為星艦的返航提供燃料！

無論是在地球上，還是在火星上，人類步入深空的動力之源已越發明顯，昨天我們對沼氣池裡臭氣愛答不理，今天如果不重視，明天我們可能就對它已高攀不起。馬斯克及其幕後一眾技術大拿在2014年拍板選擇甲烷，不但體現了他們嚴謹的工程師精神，更展現了以未來為導向的技術發展格局！薩巴蒂埃反應已經證明人類可以在地球之外源源不斷的獲取甲烷，從火箭燃料的角度出發，這是甲烷相較於RP-1和氫氣的絕對優勢，人類即將跨越單程火箭的溝壑，進入雙程甚至多程火箭的紅海！甲烷在航天領域的大規模應用，讓人類有能力在火星上建立起一座永久基地，以火星為跳板，以甲烷為燃料，擁抱星辰大海步入深空！

其實人類科技發展的過程，就是在正確的時間、正確的地點、做出正確選擇的過程！恭喜你甲烷！一躍從沼氣池飛進了火箭發動機！