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现在世界范围内只有两款可用的液氧甲烷发动机

  出品:科普中国

蓝色起源的BE-4(Blue Engine)液氧甲烷发动机今天终于实现大突破!实现了100%推力测试,这意味着它在海平面的推力达到了240吨级。

  作者:矛隼工作室

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  监制:光明网科普事业部

(发动机测试现场照片,图源:贝佐斯)

  一说到商业航天,大多数人脑子里的第一印象就是SpaceX太空技术探索公司,这家由埃隆马斯克创建的航天公司长期占据航天媒体的头版,而其他公司却在我国媒体发报道中难寻踪迹。

现在世界范围内只有两款可用的液氧甲烷发动机,SpaceX的猛禽raptor和蓝色起源的BE-4。从指标来看,前者推力能达到200吨级,已经开始在星舰(Starship/hopper)上测试,未来有可能升级为300吨级。而BE-4已经稳扎稳打实现了240吨,可以说世界第一了。

  而有这么一家公司,处处要和SpaceX相比,各位看官先别笑,这家公司还是有一定的资本的,这家公司就是蓝色起源公司。

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  蓝色起源公司是一家美国公司,和spaceX一样,其也有一个传奇般的老板,不过这个老板不是和埃隆马斯克一样的技术天才,而是一个超级互联网富豪——杰夫·贝佐斯,在2018年3月发布的福布斯富豪榜中,贝佐斯以1120亿美元的资产成为了世界首富。

(BE-4发动机,图源:蓝色起源)

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作为新一代液氧甲烷燃料富氧分级燃烧循环火箭发动机,且可变推力、可实现100次以上复用,BE-4不仅将用在蓝色起源自己家的新格伦(New Glenn)火箭上,还被美国航天“国家队”联合发射同盟ULA看上。

图为蓝色起源和亚马逊共同的老板——贝佐斯(来源:百度图片)

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  在巨大的资金支持下,蓝色起源公司的目标也和SpaceX一样——通过快速复用火箭技术,打造自己的航天帝国。

(火神火箭,图源:NASA/ULA)

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ULA是洛马和波音共建的超级集团,当家的Atlas和Delta两大火箭系列支撑起了美国航天近20年的核心任务,地位远不是其他公司能比的。ULA计划在2021年推出新一代火神/Vulcan火箭,全面取代Atlas系列,Delta系列也将在今年后缩减为仅留下4-heavy这一超级型号,而Vulcan的火箭发动机就将选择BE-4。

  图为各种主要运载火箭的示意图,右数第二到第四个是新格伦火箭(来源:蓝色起源)

这意味着BE-4不仅战胜了SpaceX家,还战胜了超级火箭发动机巨头洛克达因,后者在火箭发动机领域简直是制霸级的存在,创造了一系列顶级发动机,支撑起了从土星五号到航天飞机几十年的时光。而俄罗斯长期给Atlas供应的RD-180发动机,也彻底要被抛弃了,这么多年来Atlas火箭被骂最多的就是一直依靠进口俄罗斯RD-180发动机。

  蓝色起源的超重型火箭名字为“新格伦”,其体型介于重型猎鹰和SLS太空发射系统之间。而且,这种超重型火箭也将具有其复用回收能力。

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  新格伦火箭的设计与重型猎鹰不同,其有多个可旋转的空气动力侧翼,这些侧翼将可以起到减速和控制飞行方向的作用。其作用更类似于猎鹰九号的格栅舵和反冲火箭的联合效果。随后的新格伦火箭将在接近回收船的时候打开火箭引擎进行减速。全程中只有这一次减速火箭启动,而与之对比的猎鹰火箭在减速时要三次启动反冲火箭。

(BE-4火箭发动机测试,图源:蓝色起源)

  新格伦火箭也是进行海上着陆,这样可以更加节省火箭的运力。而其海上着落船与SpaceX相比可以说是豪气无穷——其将用一个数万吨的轮船直接改装成着陆平台,而SpaceX的着陆船只有几百吨。

BE-4这款发动机其实早在2017年就成型并进行了50%推力测试,后续又到了70%推力,有过1800秒以上稳定工作记录,但是后来发现始终无法突破73%这一大关。今年年初,蓝色起源宣布将会整个重新设计燃气发生和涡轮泵系统,这可相当于给一辆车重新设计油泵变速器离合器啥的核心部件,难度可想而知。

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结果BE-4在不到半年时间内,就搞定了全部更新,这也意味着这款发动机基本成熟,再经过一系列测试,不会耽误新格伦和火神在2021年预计的试射。这两款火箭如果成功后,美国航天的格局又将大大改变。

  图为新格伦火箭着陆在平台船上的示意图(来源:蓝色起源)

当然,发生这一切变化也跟蓝色起源庞大的资金和技术人才储备有关。它的老板是世界首富杰夫·贝佐斯,千亿美元身家,每年都会往蓝色起源自掏腰包注入超过10亿美元巨资,蓝色起源因而也实现了BE-1、BE-2、BE-3、BE-4这一系列发动机的稳步过渡和成长,技术功底非常扎实,新谢帕德火箭也早在猎鹰火箭之前就实现了可回收。BE-4火箭发动机在几个月内实现这么大的迭代,也是个很好的证明。

  新格伦火箭的初步预计近地轨道运载能力约为45吨,略低于SpaceX的重型猎鹰。支撑起巨大推力的是其BE-4发动机,这种发动机除了将装备新格伦火箭之外,还将装备ULA联合发射联盟的火神级火箭。2009年NASA商业载人发展技术第一阶段开启之后,两家公司开始了一系列的合作,BE-4就是合作产物之一。

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  7台BE-4发动机将排列在新格伦一级火箭的底部,采用了单轴富氧分级燃烧技术(single-shaft oxygen-rich staged combustion)每个发动机将提供2400千牛推力。BE-4将使用液化天然气和液氧作为反应燃料,这最大的好处是积碳较少。

(新格伦火箭,图源:蓝色起源)

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杰夫·贝佐斯坐拥亚马逊,还一心热爱航天,三款核心火箭都以美国着名宇航员谢帕德(首个进入太空美国人)、格伦(首个环绕地球美国人)、阿姆斯特朗命名。前段时间沸沸扬扬的离婚,他选择可以给前妻各种现金和亚马逊股票,但没有分给前妻一股蓝色起源股份,也是个说明他情怀的好例子了。

  图为BE-4火箭发动机(来源:蓝色起源)

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  积碳指的是火箭发动机启动时,未燃烧完全的碳元素的堆积。液化天然气相对来说更为清洁,尤其是相对于SpaceX的梅林(Merlin 又名灰背隼)发动机的液氧煤油燃料来说。这将大大降低后期火箭的复用清理流程,据悉,一个BE-4发动机将可以复用100次。

航天梦是美国很多富豪的追求,贝佐斯(亚马逊老板,创建蓝色起源)、马斯克(特斯拉老板,创建SpaceX)、毕格罗(毕格罗集团老板,创建毕格罗宇航)、怀勒(电信大亨,创建OneWeb)、艾伦(微软创始人,创建Stratolaunch)等一大票人都是如此。

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没啥别的原因,经过了NASA几十年从小到大的航天科普熏陶建立起的航天梦。光这些人带来的投入到航天的社会资金,轻松不亚于其他国家的航天投入,恐怕早就让NASA科普成本赚回来成千上万倍了。

图为两种新格伦火箭的构型和单独着陆状态的新格伦火箭(来源:蓝色起源)

  不过,液化天然气的密度远远小于煤油,这迫使蓝源不得不在新格伦火箭上采取超大型的储箱,大大增大了一级火箭的体积,事实上是不利于火箭的回收的。就目前为止,世界上尚未如此吨位火箭的整体回收记录——重型猎鹰火箭虽然比新格伦更大,但是其一级火箭是分开为三部分分别回收的。

  此外,新格伦火箭的另一个优势在于其只有七台发动机,可靠性相较于重型猎鹰火箭的27台发动机要高得多。而需要清理的发动机数量也就少得多。蓝色起源公司也为之提出了快速复用理念——发射回收后快速清理检查然后重新加注,曾有报道称蓝色起源公司计划在回收船上将完成火箭的发射——回收——检查——加注——再发射的一条龙。

  使用BE-4的新格伦和火神两型火箭的主要服务对象除了传统的美国空军、美国国家侦察局、美国航空航天局之外,还将更多地服务于民间公司。值得一提的是,蓝色起源公司将使用新格伦火箭与oneweb公司进行合作,发射数百枚网络卫星为世界提供无线网络。而这一计划与spaceX和Starlink的计划非常相似,也确实可以看出这是一个处处与spaceX对比看齐的公司。

  在这个重型火箭的黄金时代,很多公司都计划着地外探索,例如spaceX的目光一直订在火星上,而ULA联合发射联盟则也提到过将建立月球殖民地。蓝色起源的老板贝索斯却觉得,蓝色起源将更多地考虑如何通过零重力工业和太阳能造福人类,而不是探索外星球。

  无论怎么样,蓝色起源也将为世界贡献自己的运载火箭,或许,他们将会是人类太空时代的新答案。

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