星艦權威指南：星艦與獵鷹9，有哪些新功能和改進之處？（一）

原作：TIM DODD； 譯者：21世紀安蘭德

如讀者中大多數人所知，我們正在目睹南德克薩斯州出現的最大，最強，最雄心勃勃的火箭。 星艦在航空航天工程中提出了最大的挑戰：一款可完全且快速重複使用的超重型運載火箭，能夠將150噸重物送入低地球軌道。這比土星五號的負載更大，並且可以完全重複使用！ 但是，星艦的目標遠遠超出了地球軌道。該火箭將是第一個將人類帶去火星並返回的系統。 為了實現使人類成為多行星物種的目標，SpaceX必須採用一系列新技術，開發新材料並建造有史以來最先進的火箭發動機。 為了更好地把握這個項目的雄心壯志，本文介紹了這些新技術，並將它們與SpaceX現有的獵鷹9（F9）和獵鷹重型火箭進行了對比，以識別新技術和獵鷹系列應用的知識。像往常一樣，我們不會在這裡浮於表面。通過對火箭深度介紹，我們將用詳細遍歷每個零件，以便您可以學習儘可能多的東西並擁有確定的定義星艦指南。

簡介

觀看星際飛船的建造肯定會令人上癮。 感謝志願者們的辛勤工作，大眾從來沒有像現在這樣直接觀看過運載火箭的開發。 我喜歡每天看到Mary和NasaSpaceFlight機組人員，Spadre，Lab Padre，RGV天線和Austin Barnard的更新發布。 看看這些敬業的人們為我們帶來了什麼樣的精彩時刻！

通常，原型是從工廠出來的。 但是，SpaceX通過圍繞原型建造工廠來打破這一慣例，將Boca Chica變成了火箭的狂野西部。

令人困惑的是，星艦既是整個火箭的名稱，又是第二級的名稱，而「超級重型」是第一級的名稱

星艦系列

應該指出的是，星艦是一個系列，甚至可能是一個運載火箭家族 – 你甚至可以將其稱為星艦發射系統或SLS。我們會發現用於不同目的的不同版本，一般來說，本文將介紹渲染器中常見的通用乘員版本。

但是，也將有加油機的變型，攜帶額外的推進劑作為有效載荷，為在軌的其他飛船加油。 我們也許有一天會看到單向的簡化版星艦，僅為將有效載荷發射到外太陽系。

還將有一個帶有有效載荷託架的貨運版。 就像鱷魚一樣，這個巨大的貨運艙將張開嘴，釋放出巨大的有效載荷。

還有一個登月版，將僅停留在「地球-月亮」系統中。 該版本將不需要返回地球所需的大襟翼或擋熱板，還將在星艦上方放置著陸引擎，以使它們不會踢起太多月表風化層。

哪裡相同？

在深入探討差異之前，最好將獵鷹9和星艦的相似之處列出。

首先，它們都是SpaceX製造的火箭。 這兩款火箭都具有使用超冷液體燃料的兩級，並具有可重複使用的第一級，該級具有腿和格柵鰭。 他們可能實際上具有相同的航空電子設備和軟體。但也就僅僅如此了。這也是為什麼它不再叫大獵鷹（BFR）, 星艦實在是沒什麼獵鷹的遺傳。

哪裡不同：發動機和燃料

梅林 - 每個火箭的核心都是它的火箭發動機，或者在此處是它的火箭發動機組。 顧名思義，獵鷹9在其第一級具有9個Merlin 1D引擎，在第二階段具有單個真空優化的Merlin（MVac）。

獵鷹9上使用的Merlin發動機是開式循環的，這意味著它們包含一個稱為氣體發生器的小型火箭發動機。 然後從中排出的廢氣用於旋轉驅動主推進劑泵的渦輪機。

如果是海平面的梅林（Merlin），則將這些廢氣直接排放。 但是，第二級的真空發動機將氣體重新引導通過噴嘴，以提供一層較冷的氣體，以防止延伸的噴嘴熔化。

猛禽 - 但是，隨著星艦的發展，SpaceX已將所有東西都提高到了新一階段。為尋找有史以來最好的火箭發動機，他們開發了全流量分級燃燒循環發動機，稱為猛禽（Raptor）。

之所以如此複雜，是因為通常使渦輪旋轉後全部排到船外的所有廢氣被送入主燃燒室並用於產生推力。 不僅如此，還有兩個小型火箭發動機-每個都有自己的渦輪機和泵。 從中抽出的廢氣被泵入主燃燒室，其中一個富含燃料，而另一個則富含氧氣。

儘管極熱的氣態氧希望將發動機的每一部分變成湯，但是使燃料和氧以熱氣形式到達燃燒室，極大地提高了效率。

這裡需要注意的一點是，如果發動機是封閉循環，我們將氣體發生器稱為預燃器，因為它只是預燃燃料或氧化劑，然後將其直接送入燃燒室。

作者與馬斯克交流

猛禽Raptor如此先進，以至於歷史上只有兩次嘗試構建相似的東西，但兩者都沒有離開測試臺。

在撰寫本文時，Raptor已支持了4次短距飛行。 儘管它們從未超過150m，但這是第一次使用全流量分級燃燒循環發動機執行真正的工作。 但是這些飛行相對簡單，只有一個引擎。 其中一些甚至偏置於原型SN5和SN6的底座 - 它們在能容納三個發動機的底座中僅偏置安裝了一個發動機。

發動機數量

但是，星艦接下來將有使用3個引擎進行的首次真實飛行，並計劃達到15公裡以練習瘋狂的著陸程序。 之後，猛禽星艦使用的發動機數量將繼續增加

星艦的軌道版本將有6個猛禽：3個海平面版和3個較大的真空優化發動機。 後者目前正在開發中，並已開始測試。

超級重型助推器最終將配備20多個引擎，最終有30多個引擎，有說法是可達40多個引擎！！！ 由於它們相對較小的尺寸，SpaceX可以將其中許多擠在大型火箭的底部。

不用擔心，星艦不應該患有N-1火箭症候群。 有些人很快指出，在第一級使用如此多的引擎是愚蠢的，因為60年代開發的蘇聯N-1月球火箭在其四次發射嘗試中均告失敗。

首先，別忘了獵鷹重型完美的飛行記錄並使用了27臺發動機，因此很明顯，發動機的數量並沒有嚇到SpaceX，但是N-1卻由於許多其他原因而失敗了，所有這些都很少 與引擎的實際數量有關。

燃料

在談論引擎時，我們應該提及每個引擎運行所消耗的燃料。 獵鷹9號由液氧（LOX）和煤油RP-1作為燃料。 而星艦及其Raptor發動機則以液態甲烷和液態氧作為燃料。

液態甲烷的燃燒比RP-1清潔，幾乎沒有在發動機中留下積碳。 它也有可能變得更有效率，但它的密度不及RP-1，因此體積比RP-1大。

超冷推進劑

SpaceX的獨特之處在於對性能的不懈追求，他們於2015年開始在Falcon 9上使用超冷推進劑。隨著首次「全推力」版本的推出，他們開始對RP-1和LOX進行比其他在火箭役更多的冷卻。

SpaceX將RP-1從幾乎環境溫度降低大約30°C，通常使其低於0°C。 但這與液態氧一直被冷卻到 -207°C相比沒就什麼了，這一溫度距液態氧凍結成固體只有12度！

儘管他們尚未為Raptor投入超低溫推進劑投入太多努力，但已在進行中。 但默認情況下，液態甲烷的沸點為-161.5°C，在-182°C時變為固態，因此其溫度與液態氧非常接近。由於沸點很近，我們很可能會看到SpaceX將甲烷的溫度降低到-180攝氏度左右，因為它們會繼續激發其性能。

耗材

但是在這些火箭的每一級中，不僅有一個燃料箱和氧化劑箱，而且在這裡，獵鷹9號比星艦還要複雜，因為它在機艙中裝有3種更多的耗材。

氦氣 - 獵鷹9的每個燃料箱內都裝有一組複合式包裹壓力容器（COPV）。 這些黑色的圓柱體裝有壓縮氦氣-我們所說的這些瓶子中的壓力超過380 bar！ 他們使用這些氦氣在推進劑箱中保持約3-4 bar的恆定壓力。 因此，當燃料耗盡時，他們放了氦氣。 這樣做是為了避免油箱內產生負壓並保持推進劑的流動。

自動加壓

星艦將完全替換這些。 畢竟，如果您要登上火星，就不能在那補充氦氣。 取而代之的是，SpaceX將使用甲烷，因為它可以通過現場資源利用在火星表面產生。

因此，星艦將自動對推進劑儲罐加壓。 意思是，當發動機運轉時，它們將在其各自的油箱中泵回一些氣態燃料和氧化劑。

他們將通過允許一些燃料沸騰並釋放任何多餘的壓力來保持壓力。 這也有助於保持其溫度，因為在炎熱的天氣中，蒸發物會像汗水蒸發一樣冷卻燃料。

頂部燃料罐

推進劑還儲存在較小的內部儲藏罐中。 由於推進劑將位於另一個儲藏罐中，因此推進劑幾乎不會受到太陽的熱量，因此不會沸騰。 頂部燃料箱用於著陸階段。 其時，星艦將進行一些非常激烈的運動，如果它試圖從一個部分空的主燃料罐上點燃引擎，它可能會吸進氣泡。 因此，無論火箭的方向或G載荷如何，這些頂部燃料箱都可以提供可靠的推進劑源。

點火液（TEA-TEB）

獵鷹9號有而星艦沒有的另一點是點火液。 Falcon 9使用所謂的TEA-TEB或三乙基鋁三乙基硼烷。 如果是發火混合物，則意味著與氧氣接觸時無需火花即可點燃。

當SpaceX在Falcon 9上使燃料泵旋轉時，它們將TEA-TEB注入燃燒室以初始化燃燒，同時開始排放燃料並使燃料進入穩定燃燒狀態。 這對於使用機載起動液重啟Merlin發動機的能力至關重要，這樣它們就可以在其重新進入過程中對某些發動機進行2到3次重新點火。 沒有TEA-TEB，引擎將無法重燃。

同樣，就像氦氣一樣，您無法在火星上裝滿TEA-TEB瓶，因此對於星艦和Raptor發動機，它們利用火花點火。 我認為這實際上就像是開始點火過程的巨型火花塞或電弧焊機。

氮氣

但是獵鷹 9上還有另外一種推進劑，那就是冷氣或壓縮氮氣。 由於氮氣是我們呼吸的空氣的78％，因此基本上只是壓縮空氣。

他們在獵鷹9的級間使用壓縮氮氣作為冷氣推進器。在增壓級的頂部有2包4個小推進器。 這些推進器用於一級助推器在重新進入大氣前滑行時翻轉並調整方向。

就像以前一樣，火星上的氮含量不高，但更重要的是，SpaceX不想攜帶主要推進劑以外的其他液體。 因此，Starship將使用由甲烷和氣態氧氣煮沸的熱氣推進器。我們對這些新型推進器了解不多，但它們很可能以鳥的名字命名，推力可能在2噸左右。

因此，總的來說，不同的燃料，不同的循環類型，不同的尺寸以及所有其他考慮因素會導致每枚火箭動力裝置的性能大大提高。

發動機性能

效率：SpaceX的梅林發動機在海平面上達到了令人印象深刻的推力，在真空中達到86噸，在真空中達到100噸，但是猛禽Raptor發動機目前處於起步階段，在海平面上以大約168噸運轉，並且在真空中可以達到大約183噸。

但是他們已經在試驗臺上獲得了超過204噸的推力，這將是他們很快能實現的運行推力，並且還有另一個更強大的版本。 不久，將有固定推力的猛禽發動機安裝在助推器的外環上，他們的目標是在海平面上接近300噸的推力，而在真空中則更要達到325噸的推力。 哇！

還要考慮到，經過十多年的不斷開發，梅林發動機的性能已提高到極致，而猛禽才剛剛起步。

接下來，說效率。 這是通過比衝來衡量的。 數字越高，越好，例如汽車的油耗或燃油效率。

Merlin具有相當高的效率，在海平面上可獲得282秒的比衝，而在真空中則可達到311秒。 但是Raptor的效率更高，目前在海平面上達到325秒，在真空中接近350秒！

<未完待續>

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