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猛禽火箭发动机

SpaceX研發的低溫甲烷燃料火箭發動機

猛禽发动机（英语：Raptor）是SpaceX正在研发的一款低温[7]甲烷燃料火箭发动机，被计划用于高性能及可重用的星舰。猛禽火箭发动机采用液态甲烷[8]与液氧作为推进剂[9]，并采用了全流量分级燃烧循环。猛禽发动机是世界上第一种实用化的全流量分级燃烧火箭发动机。猛禽发动机的推力大约是SpaceX用于猎鹰九号的梅林1D发动机的三倍。

第二代猛禽火箭发动机
原产国美国
制造者SpaceX
用途多级火箭 和 深空 推进
现状服役
液态燃料
构造
燃烧室1
喷管面积比34.34[1]
性能
推力2,256 kN（507,000 lbf）
推重比143.8
燃烧室压力30 MPa（4,400 psi）[1]
比冲（海平面）327s [2]
尺寸
长度3.1米（10英尺）[3]
直径1.3米（4英尺3英寸）[4]
净重1,600千克（3,500磅）[5]
用于
星舰
猛禽火箭发动机真空版
2016年9月25日，猛禽火箭发动机在德克萨斯州McGregor测试场首次测试点火。
原产国美国
制造者SpaceX
用途多级火箭 和 深空 推进
现状服役
液态燃料
构造
燃烧室1
喷管面积比80
性能
推力（真空）2,530 kN（570,000 lbf）
推重比<120
燃烧室压力30 MPa（4,400 psi）[1]
比冲（真空）363 s（3.56 km/s）[6]
尺寸
长度4.6米（15英尺）
直径2.3米（7英尺7英寸）
用于
星舰

开发历史

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构思及初步设计

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一个名为“猛禽”的先进火箭发动机设计项目由SpaceX的Max Vozo于2009年的美国航空航天学会商业载人及货物研讨会上首次公开进行讨论。当时SpaceX有数名员工正在研究猛禽发动机的可行性，但并没有将其放于重要开发项目[10]，而猛禽发动机当时计划使用液氧及液氢作为推进剂。2011年，该计划的相关详情在被披露[11]。2012年3月，有新闻报道指出猛禽发动机正进行开发，但没有相关细节被公开[12]。

2012年10月，SpaceX公开宣布新开发的火箭发动机的概念及设计，并指出此发动机的推力将会是梅林1系列的发动机的数倍，并且将不会使用RP-1作为推进剂，但没有公开表示使用什么燃料作为取代品[13]。他们表示，相关新型火箭发动机的详细资讯将于“未来一至三年内”公布，并指出此发动机将用于下一代大型运载火箭，能向地球低轨道发射150至200吨的有效载荷，远远超越NASA的太空发射系统。

研发过程

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2012年11月，马斯克宣布了SpaceX推进部门的新方向，即向开发甲烷燃烧的火箭发动机方向发展。他进一步表明，猛禽发动机的概念将成为基于甲烷燃料的设计，甲烷将是SpaceX计画火星殖民的首选燃料。由于火星地下有和大气中有二氧化碳，甲烷（一种简单的碳氢化合物）可以轻松地通过萨巴捷反应在火星上合成[14]。NASA已经研究了火星上的就地资源利用，并发现其对氧气、水和甲烷的生产是可行的。

当SpaceX在2009年首次提到"猛禽(Raptor)"这个词时，它专门指的是一个上级发动机概念，并且2012年的声明表明，它仍然是一个上级发动机的概念。但是到2014年初，SpaceX确认"猛禽"将被用于新的第二级，以及全新大型（当时的直径为10米）火星殖民运输器的核心（后来在2016年用于星际运输系统的两个级别，然后在2017年用于大猎鹰火箭)。

在2012年11月公开的信息表明，SpaceX可能设计了一系列以Raptor为名的火箭发动机；这一点在2013年10月由SpaceX确认。然而，2014年3月，SpaceX首席运营官格温·肖特威尔澄清说，新发动机开发计划的重点完全在全尺寸Raptor发动机上；在通往非常大的Raptor发动机的开发路径上，并没有计划生产较小的亚尺度甲烷发动机。

2013年10月，SpaceX宣布将在NASA的史坦尼兹太空中心进行猛禽发动机组件的甲烷发动机测试，SpaceX将向现有的测试架基础设施添加设备，以支持液态甲烷和热气态甲烷发动机组件测试[15][16]。2014年4月，SpaceX完成了对斯坦尼斯测试架的必要升级和维护，以准备进行猛禽发动机组件的测试，并已经开始了发动机组件测试计划，重点是开发强大的启动和关闭程序。在斯坦尼斯的组件测试还允许硬件验证。

SpaceX在2014年成功开始了喷嘴的开发测试，并在2015年完成了全功率下的全尺寸氧预燃器测试。从2015年4月至8月，进行了76次预燃器的点火试验，并总计有约400秒的测试时间。SpaceX在2014年和2015年完成了使用NASA斯坦尼斯设施的计划测试。

2016年1月，美国空军向SpaceX授予了一项价值3360万美元的开发合同，以开发一种原型版本的可回收猛禽发动机。

测试

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生产

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发动机设计

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猛禽火箭发动机燃烧过程原理示意图
 
猛禽火箭发动机的简化图

猛禽火箭发动机采用液态甲烷[8]与液氧作为推进剂[9]，而非猎鹰9号运载火箭所使用的煤油/液态氧。更早的猛禽火箭发动机设计中计划采用液态氢作为燃料，而不是甲烷[17]。

猛禽火箭发动机将有着数倍于默林真空1D发动机的推力。 更广义上的猛禽火箭发动机概念是一款高可重用性的甲烷分级燃烧发动机，用于SpaceX的下一代用于火星探索与殖民的运载火箭[18] 。根据伊隆·马斯克的说法，这个设计将能够达到完全复用的目标，并能让太空飞行的开销降低两个数量级[7]。

猛禽火箭发动机采用了复杂的全流量分级燃烧循环， 氧化剂和燃料分别由各自的动力涡轮机供压，部分推进剂通过管道互相交换，分别燃烧驱动涡轮机。这种设计下，涡轮机的工作温度更低，因而发动机的寿命得到延长，效率也更高。而且燃烧室的压力可以更大，支持更大的比冲。由于氧气预燃室的富氧气体高压高温，SpaceX研发了SX500合金，用于建造于氧气预燃室。[19]

所有猛禽发动机的发动机点火，无论是在测试台上还是在空气中，都将通过火花进行点火，这将使猛禽发动机无需猎鹰9号和猎鹰重型发动机上用于点火的三乙基铝-三乙基硼烷（TEA-TEB）。

电脑模拟技术

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猛禽火箭发动机的开发大量使用电脑模拟技术，并利用图形处理器通用计算技术加速，使开发成本降低，预先发现发动机燃烧不稳定性等问题，和测试在地面不容易复制环境的状态。[20] [21]

发动机版本

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猛禽真空发动机

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猛禽发动机 第一代

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猛禽发动机 第二代

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猛禽发动机 第三代

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2023年5月，马斯克表示猛禽发动机成功通过一次45秒静态点火测试并录得点燃室压力350 bar（5,100 psi），产生269吨推力。[22]

测试

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全箭的测试始于子系统级，与大多数运载火箭一样，采用火箭发动机部件测试，然后在地面测试设施中测试完整的火箭发动机。猛禽发动机的部件级测试于2014年5月开始[23]，2016年9月首次进行全发动机测试。[24]截至2017年9月，开发中的猛禽发动机在42个主要地面试验台上进行了共计1200秒的发动机点火测试，最长的测试为100秒。[25]

2009至2015年间的开发全部依靠SpaceX的私人投资，完全不依靠美国政府的资金投入[26][27]。2016年一月，SpaceX同意由美国空军从防卫部门预算中拿出3360万美元提供资金支持以研发一款可能会被用于猎鹰9号运载火箭及猎鹰重型运载火箭的第二节的原型猛禽火箭发动机。SpaceX也将提供至少6730万美元用于同一项目，并保证民间资本与政府资金比例至少为2:1。[28][29]

2016年8月一台研发用猛禽火箭发动机被送往SpaceX在德克萨斯州的McGregor测试场[30]进行研发相关的测试。[31]

2019年8月27日，搭载了猛禽火箭发动机SN6的Starship的缩小原型Starhopper成功完成了150米的跳跃测试。[32]

2020年8月4日，搭载了猛禽火箭发动机SN27的星舰原型SN5成功完成了150米的跳跃测试。[33]

2020年8月18日，猛禽发动机在测试中达到了330巴（Bar）的室压[34]，这是世界上现有最高的燃烧室压力。

2020年9月3日，搭载了猛禽火箭发动机SN29的星舰原型SN6成功完成了150米的跳跃测试。

2020年12月10日，搭载了猛禽火箭发动机SN30， 36， 42的星舰原型SN8进行了12.5公里的跳跃测试， 降落速度太快导致失败。

2021年5月31日，猛禽发动机首次完成轨道飞行时长的发动机点火测试。

2021年6月27日，首具真空猛禽发动机运抵德州博卡奇卡。

2021年7月底，超过20具猛禽发动机及3具真空猛禽发动机运抵德州博卡奇卡。

2021年10月25日，马斯克表示猛禽发动机版本二在爆炸前最高达到321Bar室压，并产生245吨推力。

2021年11月12日，S20完成首次6具发动机静态点火测试。

2021年12月18日，马斯克确定未来星舰将会有9具2代猛禽发动机，助推器将有33具2代猛禽发动机。

2022年2月9日，首具2代猛禽发动机运抵博卡奇卡。

2022年2月10日，马斯克表示猛禽发动机曾达到247吨马力，并指出在处理猛禽发动机二代高温融化的问题后，可以每天生产最少一具猛禽发动机二代。

2022年3月30日，第一具2代猛禽发动机运抵德州博卡奇卡。

2022年7月，合计39具2代猛禽发动机安装至S24及B7。

2022年9月，猛禽发动机首次于测试场进行快速重启测试。

2022年10月，首具使用电力驱动向量的2.1代猛禽发动机运抵德州博卡奇卡。

2022年11月，SpaceX完成制造第200具2代猛禽发动机。[35]

2023年5月，第三代猛禽发动机达成350Bar室压，并产生高达269公吨推力，相当于超级重型助推器将拥有约8900公吨推力。[36]

2023年8月18日，SpaceX进行了猛禽发动机万向节最大角度(15度)的长时间测试[37]。

参见

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参考文献

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Making Humans a Multiplanetary Species (PDF). SpaceX. 2016-09-28 [2016-09-28]. （原始内容 (PDF)存档于2016-09-28）. 
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  3. ^ Starship | SpaceX. [2019-10-02]. （原始内容存档于2019-09-30）. 
  4. ^ Musk, Elon. Making Life Multiplanetary. youtube.com. SpaceX. 2017-09-29 [2017-09-29]. （原始内容存档于2021-03-18）. 
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