【大紀元2020年08月10日訊】（大紀元記者周培綜合報導）航太私企SpaceX和藍色起源（Blue Origin）都在加快以甲烷為燃料的火箭發動機，期待明年能投入使用，實現人類航太史上的又一項突破。美國國防部8月7日宣布，美國聯合發射聯盟（ULA）與SpaceX公司，贏得美國太空軍「國家安全太空發射」（NSSL）第二階段合約，代表兩公司將承包2022至2027年美軍所有委外軍用發射任務。有意思的是，這次合約中的火箭都將採用新型甲烷/液氧發動機，在價格和運載能力上取得新的平衡。
根據公布資料，由洛克希德·馬丁公司與波音公司合資成立的聯合發射聯盟，獲得承包6成發射任務機會，剩下則由SpaceX承包，亞馬遜的子公司藍色起源與諾斯洛普·格魯曼則未出線。
美國空軍部負責採購、技術與後勤的助理部長羅珀表示，國家安全太空發射計畫第二階段為期5年（2020財年至2024財年採購），預計在2022至2027年間發射，其委外發射任務數量「沒有上限」，但羅珀估計可能上看32至34次發射，目前公布的只有2022年進行的前3次發射任務，其中2次由聯合發射聯盟拿下，1次由SpaceX承包。
藍源與SpaceX都青睞甲烷發動機
國家安全太空發射計畫的第二階段最主要目的，就是全面停止使用ULA的「擎天神5號」（Atlas V）火箭，該型火箭目前使用俄製RD-180火箭發動機，先前美國國會已勒令國防部必須在2022年，全面停止向俄國採購火箭發動機。
這代表自2022年起，美軍軍用發射任務將以ULA預定2021年首飛的新火箭「火神半人馬座」（Vulcan Centaur），以及SpaceX已獲認證的獵鷹9號（Falcon 9）與獵鷹重型（Falcon Heavy）火箭，為主要的發射載具，但第二級要採用新型的猛禽（Raptor）發動機。
雖然藍色起源未能拿下發射合約，但它目前研發的BE-4火箭發動機卻被聯合發射聯盟選中，用來替代俄製RD-180。藍色起源表示，今年晚些時候將交付首批兩台BE-4發動機，並將交付給ULA，以便將它們整合到火神火箭上，進行首次靜態熱火測試。
藍色起源於2011年開始研發BE-4發動機，儘管它最初是專門為自家的「新格倫號」火箭而設計的，但聯合發射聯盟在2014年宣布，也將使用這款發動機為自己的火神半人馬座火箭提供動力。BE-4的推力為55萬磅（約合250噸），使用液化天然氣（主要成分是甲烷）和氧氣的混合物作為燃料，是從頭設計的全新火箭發動機。
無獨有偶，擁有成熟的梅林發動機的SpaceX也看好甲烷火箭發動機。從2009年開始研發猛禽火箭發動機，比藍色起源還早。2016年1月，SpaceX同意由美國空軍從防衛部門預算中拿出3,360萬美元提供資金支持以研發一款可能會被用於獵鷹9號運載火箭及獵鷹重型運載火箭的第二節的原型猛禽火箭發動機。
運載火箭需要既带有燃料，又带有助燃用的氧化剂。在火箭發展歷史中，經過對儲存性、維護性、價格、比沖的反覆衡量之後，基本確定了燃料/氧化劑的組合，從最初有毒的偏二甲肼/四氧化二氮，逐漸進化到目前主流的煤油/液氧與液氫/液氧。從各種物理性質來看，甲烷介於煤油和氫氣之間，但價格卻極為便宜，儲運也不複雜，而且不易結焦，適合於富燃循環模式。
猛禽和BE-4發動機都採用液化天然氣（甲烷）為燃料，但循環模式不太相同。就像SpaceX追求極致一樣，猛禽發動機採用了全流量分級燃燒循環（FFSCC）模式，是一款具有高推重比（大於107:1）的發動機，而BE-4發動機的設計則保守多了，採用了富氧閉式循環模式，推重比並不高，只有73:1。不過這兩種發動機的海平面最大推力都大於200噸，BE-4的目標是250噸，猛禽的目標則是300噸以上。
猛禽發動機追求極致性能
SpaceX開發的梅林火箭發動機（Merlin rocket engine）是當今世界上最先進的液氧煤油火箭發動機之一，它是一款有極高推重比（198：1）的廉價、可重複使用、易於大量生產的火箭發動機。同時梅林發動機也有著最高的可靠性，截至2019年底，其最新版本梅林1D（Merlin 1D）經過650多次飛行從未發生事故。
但梅林發動機為了結構簡單，採用了燃氣發生器開放式循環模式。因為煤油的碳鏈較長，碳元素的占比大大高於甲烷，因此煤油在預燃室進行富燃燃燒時，會產生煤煙，在高壓下有嚴重的積碳結焦問題。如果採用富氧燃燒的話，則會產生高溫高壓的氧氣，這對渦輪葉片有極高的要求。梅林發動機出於可靠性、成本和可重複性，於是採用了燃氣發生器循環模式，以簡化結構，但會造成一部分燃料白白燒掉，無法充分利用。
為了充分利用燃料和氧氣，就需要採用閉式循環方式，美國只有液氫液氧發動機才採用這種循環方式，但前蘇聯不論是煤油液氧，還是液氫液氧發動機都採用了閉式循環模式。只不過閉式循環模式結構複雜，要使用特殊合金金屬才能承受極度高溫高壓，並保持密封性，也很難重複使用，這樣也導致發動機價格相當昂貴。
作為商業公司，SpaceX既沒有那麼大的財力去搞這種耐超高溫高壓的特種金屬，而且出於重複使用的目的也不想把結構搞得過於複雜，反而從燃料和循環模式上下功夫，終於研發出了全流量分級燃燒循環（FFSCC）模式的甲烷液氧火箭發動機。
該系統的優勢在於燃料和氧化劑在到達主燃燒室的時候都是氣態，它們會更加充分的燃燒，可以達到更高的溫度；還不需要非常精密的密封系統，可大幅減少維護工作。這些對於減少或免除翻新作業就能多次重覆使用的發動機來說是很有利的。
前蘇聯和美國都曾經試圖研製FFSCC火箭發動機，前蘇聯研發出了RD-270發動機，美國的Aerojet Rocketdyne也曾經研發出來過「集成動力驗證器」，但最終都沒能上天就被取消了。
現在SpaceX的猛禽發動機試驗型號（Raptor SN27）已經通過地面點火試驗，並裝在星艦（Starship）SN5原型機上，於8月5日成功地進行了實際短暫的點火飛行。從試驗數據上來看，單台海平面最大推力已經達到200噸，各項性能指標都接近火箭發動機的翹楚RD-180，燃燒室壓力更超過了RD-180，達到了創紀錄的270 Bar。如果持續改進的話，相信定型後的猛禽發動機一定會超越RD-180，成為大推力廉價發動機的佼佼者。
美國在航太軍事領域開放民營企業進入，極大地提高了競爭力，讓國家能以更低的成本完成更多的任務。◇
責任編輯：陳懷瑾
