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Musk 貼文展示首個「量產版」的 SpaceX Raptor 引擎

已抵達德州進行測試,為裝入 Starship Hopper 進行準備。

Andy Yang
2019 年 2 月 1 日, 下午 05:30
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SpaceX 的新火箭 Starship/Super Heavy 的成敗,有一大部份壓在了其極度先進的引擎「Raptor」上。稍早 Musk 在推文上貼出了「量產版」Raptor 引擎抵達德州 McGregor 測試中心的照片,不出意外的話,在進行測試後如果一切正常的話,它將會被裝在 Starship Hopper 上,進行第一次的「實戰」測試。

Raptor 之所以稱為世上最先進的引擎,是源自於它採用的「全流分級燃燒循環(Full Flow Staged Combustion Cycle)」架構。火箭設計當中最傷腦筋的部份,就是如何為燃燒室供應足夠的燃化劑和燃料 -- 火箭引擎燃燒的速度是如此之外,如果不用專門的渦輪泵來餵送的話,根本供應不及。由於渦輪泵必需在高溫、高壓的環境下運作,如何保證它能安全、有效的運轉,就衍生出了許多種的「燃燒循環」,每種都在造價、可靠性、和效能上,有著不一樣的取捨。

像 SpaceX 現有的主力引擎 Merlin,採用的就是一種稱為「燃氣發生器(Gas Generator Cycle)的循環,將一部份的燃料導入另一個燃燒室,專門供渦輪機來使用。這些燒完的廢氣會不通過火箭引擎的主燃燒室,直接從旁邊倒入大氣中,所以雖然構造簡單,但有一部份的燃料就這麼浪費掉了,因此在效率上會略差一些。更先進一點的設計,稱為「分級燃燒循環」,並分成「富油(Fuel-rich)」和「富氧化劑(Oxidizer-rich)」兩種。這兩種方式都是將油料或氧化劑先在預燃室裡加熱來推動渦輪,再送進主燃燒室,但差別在於富油是在以燃料為主的情況下,加入少許氧化劑;而富氧化劑自然就是在以氧化劑為主的情況下,加入少許燃料了。富氧化劑分級燃燒循環的效率要高一點(燃燒更完全),但對於管道的耐受性要求更高。Blue Origin 的 BE-4 引擎就是富氧化劑分級燃燒循環的設計。

至於 Raptor 則是再更進一步,富油、富氧化劑兩條路線同時進行(所以稱為「全流」),由燃料輸送線路和氧化劑輸送線路各自推動自己的渦輪機,並讓兩邊的輸送泵相互支援輸出。這樣的設計不僅燃燒效率是最高的,而且因為有兩個渦輪機在分擔工作,所以各別渦輪機的壓力較小,損耗也會少一點。然而它的缺點也是顯而易見的,也就是管線變得無比複雜,而且單個引擎的成本奇高。在以前火箭引擎基本上都是用一次就丟的情況下,實在沒有開發全流分級燃燒循環引擎的意義,過去也僅有美國、前蘇聯各設計了一款「紙上」引擎,從來沒有進入實物階段,因此打從一開始就以多次使用為目標的 SpaceX,倒是在這裡拔得了個頭籌。


從圖上我們除了可以看到 Raptor 和一團麵條沒兩樣的複雜管路之外,在另一張圖中也有位被遮住的仁兄,讓我們可以大概估算它的大小。據推估,它的高度約在 4m 左右,噴嘴直徑則大約是 1.5m。對於後者目前的爭議較大,因為 Musk 明確表示 Super Heavy 上最多可以用到 31 個 Raptor 引擎,究竟要怎麼排列才能塞進 31 個,目前還有點謎。所幸的是,Starship Hopper 上反正只準備先裝三個 Raptor 來做測試,SpaceX 應該還有的時間來研究吧。

據 Musk 透露,目前的 1780kN 推力 Raptor 引擎算是一種為了讓 Starship 能早日升空,而不得不開發的一個「折衷」版本。未來它將特化成真空專用(380s+ Isp)和海平面專用(2225kN)兩種類型。